冰冷星球上有足够的化学物质来维持生命吗？

几十年来科学家们一直相信，在木星卫星欧罗巴冰冷的表面下可能存在生命。从那时起，已经出现了多个证据，表明它并不孤单。的确，在太阳系中有许多“海洋世界”可能孕育生命，包括谷神星、土卫三、土卫二、土卫六、土卫二、土卫一甚至冥王星等。

我们太阳系中的一些“海洋世界”。从上到下，从左到右，包括木卫二，土卫二，土卫六和谷神星。图片：NASA/JPL

但是如果我们所知道的生命元素在这些星球上不够丰富呢？在一项新的研究中，来自哈佛史密森天体物理学中心(CfA)的两位研究人员试图确定这些海洋世界中是否真的存在生物必需元素缺乏。结论可能对太阳系内外的生命存在有广泛影响，更不用说研究它的能力了。

这项名为：地球外生命是否因为缺乏生物必需元素而被压制在海底世界？最近发表。这项研究由Manasavi Lingam领导，是哈佛大学理论与计算研究所(ITC)和CfA的博士后学生，得到了ITC主任Abraham Loeb和哈佛大学科学教授Frank B. Baird的支持。

一颗围绕着一颗遥远红矮星运行的水状系外行星。图片：CfA

在以前的研究中，关于卫星和其他行星可居住性问题往往集中在水的存在上。对太阳系内的行星和卫星的研究是如此，尤其是对太阳系外行星的研究更是如此。当发现新的系外行星时，天文学家密切关注这颗行星是否在其恒星的宜居带内运行。这是决定这颗行星是否能在其表面支持液态水的关键。

此外天文学家还试图从多岩石的系外行星周围获取光谱，以确定其大气中是否发生了水的流失，氢气的存在就是明证。与此同时，其他研究试图确定能源的存在，因为这对我们所知的生命来说也是必不可少。相比之下，林加姆博士和勒布教授则认为，海洋行星上的生命是如何依赖于有限的营养物质(LN)。

一段时间以来，关于哪种营养物质对外星生命至关重要一直存在着相当大的争论，因为这些元素可能因地点而异，也可能随时间而异。我们所知道的生命所必需元素最普遍的清单包括氢、氧、碳、氮和硫。此外某些微量金属(如铁和钼)可能对生命也有价值，但生物必需微量金属的清单受到更高程度的不确定性和可变性。

土卫二地壳内部横截面图，显示了热液活动是如何导致卫星表面的水羽。图片：NASA-GSFC/SVS, NASA/JPL-Caltech/Southwest Research Institute

出于研究目的，林根姆博士和勒布教授利用地球的海洋创建了一个模型，以确定源和汇(即分别向海洋中添加或耗尽LN元素的因素)与海洋世界中的源和汇是如何相似的。在地球上，这些营养物质的来源包括河流、大气和冰川，它们的能量来自阳光。在这些营养物质中确定最重要的是磷，并考察了这些元素和其他元素在海洋世界的含量有多丰富，那里的条件有天壤之别。

正如林甘博士解释的那样：我们有理由假设，在这些世界上，生命的潜在存在也将在净流入(源)和净流出(汇)之间达到平衡。如果碳汇比碳汇更占主导地位，这可能表明，碳汇的元素将相对迅速地耗尽。为了估计源和汇的大小，利用了我们对地球的了解，并将其与这些海洋世界的其他基本参数结合起来，比如海洋的pH值、世界的大小等，这些都是通过观测和理论模型得出的。

林厄姆博士和勒布教授认为，虽然内陆海洋无法获得大气来源，但热液喷口发挥了作用。已经有大量的证据表明这些存在于木卫二、土卫二和其他海洋世界。还考虑了非生物来源，这些非生物来源由地球上的雨水从岩石中滤出的矿物质组成，但也包括这些卫星内部海洋对岩石的风化作用。

可能发生在土卫二海底和海底热液活动的描绘图。图片：NASA/JPL

最终发现与水和能量不同，在我们太阳系的海洋世界中，限制营养物质供应可能是有限的：发现根据模型中的假设，磷是生物基本元素之一，在海洋中是中性或碱性的海洋世界中，其海洋是中性或碱性，而它在海洋中有水热活动(即海底的热液通气系统)，因此磷的消耗会减少。研究表明，在这些海洋世界中，生命可能存在于低浓度的环境中(或者只存在于局部地区)，因此可能不易被发现。

这自然会对欧罗巴和太阳系外其他卫星的任务产生影响。其中包括美国国家航空航天局(NASA)的“欧罗巴”(Europa Clipper)任务，该任务目前计划于2022年至2025年之间发射。通过对欧罗巴的一系列飞行，这个探测器将尝试测量来自月球表面的羽流活动中的生物标志。

类似的任务已经在土卫二提出，美国国家航空和宇宙航行局也在考虑一个“蜻蜓”任务，探索泰坦的大气层、地表和甲烷湖。然而如果林加姆博士和勒布教授的研究是正确的，那么这些任务在太阳系的海洋世界发现生命迹象的机会就相当渺茫。然而，正如林根所指出的，仍然认为应该进行这种任务。

欧罗巴快船任务的概念图。图片：NASA/JPL

尽管模型预测未来的太空任务在探测外星生命方面可能会有很低的成功率，但相信这些任务仍然值得我们去探索。这是因为它们将提供一个极好的机会：(i)测试和/或伪造我们模型的关键预测，(ii)收集更多数据，提高我们对海洋世界及其生物地球化学循环的理解。此外正如Loeb教授所说的：这项研究的重点是“我们所知道的生命”。

如果去这些世界的任务确实找到了外星生命的来源，那么它将表明生命可以从我们不熟悉的环境和元素中产生。因此，探索欧罗巴和其他行星海洋世界不仅是明智的，而且是必要的。像磷这样的‘我们所知道的生命化学’所必需的元素，在地下海洋中已经耗尽。因此，在被怀疑存在于木卫二或土卫二表面冰下的海洋中，生命将受到挑战。

如果未来的任务确定了耗尽的磷水平，但仍然在这些海洋中发现了生命，那么我们将知道除了地球上生命之外生命的新化学路径。最后，科学家们不得不在寻找宇宙生命的过程中采取“低垂的果实”法。在我们发现地球之外的生命之前，我们所有有经验的猜测都将基于存在于地球上的生命，想不出有比这个更好的理由去探索宇宙了！

博科园-科学科普｜文：Matt Williams｜来自：Universe Today｜参考期刊：arXiv