天文+生物,會擦出怎樣的火花

在人們印象中,美國國家航空航太局一向把目光投向深邃的宇宙。近日,它卻爆出了一項生物學研究突破——由其資助的研究合成了一個類似於DNA的分子系統。相關研究成果發表在2月21日出版的《科學》期刊上。天文學家與生物學的混搭似乎有些不尋常。搜尋類地行星和尋找地外生命,也正是天體生物學所關注的重點問題。

本報記者唐婷

在人們印象中,美國國家航空航太局(NASA)一向把目光投向深邃的宇宙。近日,它卻爆出了一項生物學研究突破——由其資助的研究合成了一個類似於DNA的分子系統。這種分子系統能存儲和傳遞資訊。它雖然並不是一種全新的生命形式,卻告訴正在尋找地外生命的科學家,生命在其他星球可能以另一種形式存在,需要重新思考他們正在尋找的東西。相關研究成果發表在2月21日出版的《科學》期刊上。

天文學家與生物學的混搭似乎有些不尋常。實際上,生命探測是NASA行星科學任務日益重要的目標。搜尋類地行星和尋找地外生命,也正是天體生物學所關注的重點問題。那麼,什麼是天體生物學?尋找地外生命有哪些探測方法?現時國際上有哪些正在開展或醞釀中的相關探測計畫?記者就此採訪了相關專家。

一個曾遭受責備的研究領域

“地球上的生命到底從哪來?其他星球上是否有生命現象存在?碳基為主的生命,其存在的邊界環境是怎樣的?天體生物學試圖去尋找這些問題的答案。”中科院國家天文臺研究員平勁松日前在接受科技日報記者採訪時說道。

作為一個專有名詞,“天體生物學”最早出現於上世紀40年代。1941年,加拿大布魯克林學院的拉弗勒(L. J. Lafleur)在太平洋天文學學會的報告中首次提到了天體生物學。

美國是天體生物學的發源地。上世紀60年代,美國的空間探索項目開展了對地外生命的探尋。1964年,NASA發射了“水手4號”火星探測器。

作為第一個成功飛越火星的人類探測器,“水手4號”傳回的火星表面照片令人震驚——佈滿坑洞的地表一片荒凉,沒有植被,也沒有文明存在的迹象。1976年,探測器“海盜”一號、二號先後登陸火星,它們在火星的現場實驗發現火星的表面或近地表都沒有生命的存在。

接踵而至的壞消息,使得人們開始動搖。古生物學家喬治·蓋洛德·辛普森就曾經責備天體生物學為“沒有研究對象的科學”。經歷了一段時間的沉寂後,上世紀90年代,有科學家提議NASA再次啟動天體生物學研究專案。其間,天文領域一系列新的發現也極大地推動了天體生物學學科的正式建立。

平勁松舉例道,1996年,科學家研究發現木衛二歐羅巴上存在液態水海洋,而水是生命存在的重要條件之一;還在火星隕石ALH84001中發現了可能與生物成因有關的磁鐵礦。新的發現幫助人們重拾信心。

隨著研究的不斷深入,天體生物學逐漸擴大為一個更為廣闊的科學領域,形成了包括陸地微生物學、生命起源學、星際化學以及地球物理學等在內的交叉學科。

香港大學地球科學系副教授李一良曾撰文指出,研究生命在宇宙中的起源、演化、分佈和未來的天體生物學,是人類對地球上生命起源、演化的追問,對人類文明未來的思考,對環境變遷的憂慮,以及對空間和宇宙的探索。

多種方式實現“眼見為實”

回顧天體生物學發展的歷程,不難發現其一路走來經歷了各種起起落落。令該領域科學家感到振奮的是,2018年10月,美國國家科學院、工程院和醫學院發佈經美國國會授權的報告《尋找宇宙生命的天體生物學戰略》。該報告建議拓展對宇宙生命的蒐索,支持更廣泛的生命訊號和環境的研究,並將天體生物學納入未來探索任務的所有階段。

對此,平勁松分析指出,在國家層面出臺天體生物學研究計畫,這在國際上還是首次,反映出美國對天體生物學的重視到了前所未有的高度。該計畫將“尋找宇宙生命”寫進題目中,意味著對其可能性的肯定。

事實上,近年來,在天體生物學領域確實有一些令人激動的發現。2018年6月,NASA發佈了兩項關於火星的重要發現:“好奇”號漫遊車在火星表面的沉積岩中發現了有機分子,說明火星可能曾存在遠古生命;此外還發現火星大氣中甲烷濃度存在季節性變化,或與現在的火星生命有關。

如何尋找宇宙生命?正所謂“眼見為實”,直接發射空間探測器對目標天體進行觀測、採樣是探測管道之一。未來10—15年,美國計畫發射4—5個空間探測器進行天體生物學研究。

其中,“凱撒”探測計畫以宇宙生命探測為覈心目標,計畫對67B彗星的慧核進行採樣,採集80克的樣本送回地球進行分析。“蜻蜓”探測計畫則準備放幾十個像蜻蜓一樣的無人小飛行器在天體表面百公里範圍之內進行大量採樣和分析,尋找生命存在的迹象、水,以及可能的碳水化合物的分佈特性。

此外,美國還將與俄羅斯聯合進行對金星的探測。在空中飛行的美國探測器,和著陸地面的俄羅斯探測器,將攜手在金星的大氣和土壤裡面尋找可能的生命迹象。

可想而知,發射空間探測器進行直接探測的成本高昂。在直接探測之外,還可以通過間接探測的管道開展天體生物學相關研究。平勁松介紹,在地面上利用天文望遠鏡對天體進行觀測,通過分析觀測到的光譜,可以量測彗星上有機分子的豐度、成分,以及固體行星表面揮發酚、有機分子的分佈。同時,天體化學的一項重要工作,也是試圖將有機分子逐步變成有機大分子的過程串聯起來,解開生命起源的一些謎團。

探尋生命存在的極限

長期以來,科學家認為,地球生命所能承受的溫度、壓力等有著一個無法超越的上限,但並不確定邊界到底在哪裡。隨著研究的不斷深入,人們對生命形式的認知也在不斷地被重繪。

近日媒體報導稱,“深碳觀測站”項目的科學家在地表下方發現了一個規模龐大的微生物網絡,由古細菌、細菌及原核生物構成。這些生物可承受驚人的溫度,能够在毫無陽光、幾乎不含營養物質的環境中以“僵屍狀態”生存。

據估算,這一地底生物圈的規模約為20至23億立方公里,相當於海洋總體積的兩倍。更令人驚訝的是,在如此極端的環境中,這群“僵屍”細菌以獨特的管道不斷演化,並堅持數百萬年之久。

生命力如此强大的微生物,是否也存在於其他星球呢?平勁松認為,過去人們對主宰地底生物圈的微生物的研究較少,隨著對地球深層生命的進一步瞭解,將啟發人們以全新的管道看待類地行星的宜居性,幫助回答地球上生命起源的過程,以及生命形式能否在其它星球的表面或地下存在。

事實上,有科學家正在研究其他星球上存在微生物的可能性。2018年12月,美國地球物理學會年會上的一項研究報告稱,火星上可能有大量的微生物聚集在地下,因為火星地下環境比地球深層生物圈更適合微生物居住。參與該項研究的科學家指出,火星上的地下岩石比地球上的岩石更加多孔,為微生物需要的養分和氣體交換創造了空間。同時,火星的冷卻覈心雖然仍然是熔化的,但可以為生活在深部岩石中的微生物提供更合適的溫度。

在平勁松看來,對尋找外星微生物而言,火星地下層是一個特別有前景的地方。此前的研究,先後發現火星上存在鹵鹽水、地下水湖,以及火星兩極冰帽含水。天體生物學根據對地球上生命的認識,確定了液態水、水—岩石相互作用是類地大行星微生物存在的一類充分條件。“在大型類地行星上,水和微生物的存在可能是天體演化的一個普遍現象”。

本文標題: 天文+生物,會擦出怎樣的火花
永久網址: https://www.laoziliao.net/doc/1678160305323039
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