金星上已经发现微生物?

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地球最近的邻居——金星,在大气中有微生物吗?一个国际天文学家团队已经找到了虽不确定却也颇有说服力的证据。

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艺术家描绘的金星大气中的磷化氢分子图。据科学家所知,在地球上,磷化氢只能由微生物产生,或实验室人工产生。图片来源:欧洲南方天文台(ESO)

/M.Kornmesser/L.Calada/美国航空航天局(NASA)/喷气推进实验室-加州理工(JPL-Caltech)/英国皇家天文学会/署名:CC BY 4.0。

这篇文章在今天解禁前意外进入谷歌搜索。地球天空(EarthSky)对由此造成的任何混乱或不快深表歉意。

我们大多数人都熟悉亚瑟·柯南·道尔爵士的这句话,他塑造了福尔摩斯这个角色:

“一旦你排除了不可能的,剩下的,不管多么不可能,都必然是事实。”

本周,科学家们宣布了一项令人难以置信的发现:金星大气中存在微生物生命的初步证据。

太空迷们都知道,金星表面酷热难耐,热得足以融化铅。这是最不可能找到任何生命的地方之一。但是金星微生物的迹象并不是来自该行星的表面,而是来自其大气层,那里的环境还可以合理地描述为“与地球近似” 。

应当注意,这个新发现还不是金星上有生命的确定证据。但研究人员给出的理由令人信服。

令人振奋的发现来自美国和英国的科学家,他们分别在麻省理工学院(MIT)、卡蒂夫大学、曼彻斯特大学等。卡蒂夫大学的简·格里夫斯( Jane Greaves )领衔了这次研究。英国皇家天文学会(RAS)上周通过Zoom为记者们提供了一个在线新闻简报,其中三名研究人员参与讨论了研究结果。RAS还发布了一份新闻稿。这项科学研究于今天,2020年9月14日,发表在知名期刊《自然·天文学》(Nature Astronomy)上,经过了同行评议。

我们了解金星的一些情况,很大程度上要归功于太空探测器的访问。就我们所知而言,金星一直被认为是最不可能支持生命的地方之一。由于足以融化铅的灼热温度和星球表面极强的气压,更不用说云层中含有大量的硫酸了,金星远非张开双臂欢迎生命的到来。

然而,一些科学家推测,生命可能存在于更高处的大气中,那里有一个“温带区域”的温度和压力与地球相似。科学家们就是在这个区域作出了此次发现。

研究者们到底发现了什么?

简单地说,他们在金星的大气中发现了一种本不应该存在的气体,在地球上,这被认为是一种确定无疑的生物存在的信号。这是一种很臭的气体,叫做磷化氢。据科学家所知,制造磷化氢的方法只有两种,一种是在实验室中人工合成,另一种是由生活在无氧环境中的某种微生物产生的。既然金星上并没有任何(已知的)外星人实验室,所以只剩一个可能性——微生物。

这次探测中研究人员使用了位于夏威夷的麦克斯韦望远镜(James Clerk Maxwell Telescope)和位于智利的阿尔玛(ALMA)望远镜。根据麻省理工学院的研究者们此前发表的研究,如果在一颗岩质行星上发现磷化氢,将是生命存在的可靠证明。因此,金星上的这一发现具有令人兴奋的意义。

但在宣布这一引人好奇的证据之前,研究人员当然还想排除其他可能的解释。他们考虑并测试了多种在没有生命的情况下可以产生磷化氢的场景,但最终都排除了可能性。麻省理工学院专业研究磷化氢的克拉拉·索萨·席尔瓦(Clara Sousa Silva)在一份声明中表示:

想要证伪是非常困难的。当前,天文学家想出各种方法来证明可以在没有生命的情况下产生磷化氢,我对此表示欢迎。欢迎大家都来参与这项工作,因为我们已经穷尽了现在可以想到的不依靠生命制造磷化氢的所有可能性。

在金星上发现磷化氢是个意外的收获!这一发现引发了诸如生物如何在金星上生存等许多问题。在地球上,一些微生物可以耐受环境中高达5%的酸性物质,而金星上的云层几乎完全是由酸性物质构成的。

日本“拂晓”号(Akatsuki)探测器拍摄的金星细节假彩色图像。图片来源:日本宇宙航空研究开发机构(JAXA/ ISAS)/ “拂晓”号项目组(Akatsuki Project Team)/ 英国皇家天文学会/署名:CC BY 4.0。

这项发现意味着,要么金星上可能存在生命,要么是在岩质行星上发生了某种我们研究之外的物理或化学过程。

我们认为已经研究了所有可能在岩质行星上产生磷化氢的情况。如果不是存在生命,那就说明我们对岩质行星的理解还远远不够。

这是一项非常确定的声明。

格里夫斯(Greaves)表示:

这个实验是一次基于麦克斯韦望远镜(JCMT)强大技术和先进仪器、纯粹出于好奇的实验。我想我们目前可以排除一些极端情况,比如金星云层中存在生物。当我们在金星光谱中第一次发现磷化氢存在的迹象时,真是非常震惊!

研究人员对数据进行了6个月的处理,才确信磷化氢的存在。英国阿尔玛地区中心和曼切斯特大学的安妮塔·理查兹说:

令我们大为欣慰的是,阿尔玛卫星的后续观测条件良好,而金星与地球的角度正好合适。然而,处理这些数据非常棘手,因为阿尔玛通常不会在像金星这样的明亮星球上寻找非常精细的反应。

卡迪夫大学的Jane Greaves领导了这项磷化氢的研究。图片来自卡迪夫大学。

Greaves说:

最后,我们发现两个天文台都看到了相同的现象,那个波长下的微弱吸收确实是磷化氢气体,分子被下面温暖的云层的光所淹没。

麻省理工学院的William Bains 领导了这项研究,试图评估能在金星上产生磷化氢的其他自然方式,包括太阳光,从地表吹向上方的矿物质,火山或闪电,但这些方式都无法产生如此多的磷化氢。它们最多只能产生望远镜所观察的磷化氢量的10%。所以一定会有某物产生了更多的这种气体。根据剑桥大学的 Paul Rimmer的说法,陆地生物只需发挥其最大生产力的10%,就可以制造出金星上的磷化氢量。

在地球上,磷化氢是由无氧呼吸的微生物产生的。它们吸收磷酸盐,加入氢元素,最终排出磷化氢气体。金星大气中几乎没有氧气,这个相似点也可以作为金星上磷化氢来自于微生物的一个论据。

因为金星的表面的温度对于任何已知的地球微生物都太高了,这些微生物唯一可能的存活地点就是金星大气。在地表上方48到60公里(大约30到37英里)的高度处有一个温带地区,那里的温度在30到200华氏度(约0到90摄氏度)之间。这是金星上的宜居带,也恰好是磷化氢发现的地方。Petkowski指出:这个磷化氢信号被完美地放置在其他人推测可能是宜居带的地方。

夏威夷的詹姆斯克拉克麦克斯韦望远镜是第一个在金星大气中探测到磷化氢信号的望远镜。图片来自Will Montgomerie/EAO/JCMT/皇家天文学会/署名:CC 4.06

研究人员将继续使用更多的望远镜进行观测,包括寻找其他可能与生命有关的气体。他们还想知道在信号中是否有每日或季节性的变化,这暗示着与生命有关的活动。英国皇家天文学会(Royal Astronomical Society)主席艾玛·邦斯支持返回金星的任务,她说:

科学上一个关键的问题是地球之外是否存在生命,Jane Greaves教授和她的团队的发现是这一探索的关键一步。我特别高兴看到英国科学家领导了如此重要的突破,这为探索金星和返回的太空任务提供了强有力的理由。

Petkowski说:原则上,可以存在一个生命周期,让生命永远停留在云里。金星上的液体介质不像地球上那样是水。

科学家们还认为,几十亿年前的金星更适合居住,甚至在温室效应失控之前还存在海洋。根据Sousa-Silva的说法:

很久以前,金星被认为存在海洋,可能像地球一样适宜居住。当金星变得不那么适宜居住时,生命必须要适应,他们现在可能就在这个狭窄的大气层里,在那里他们仍然可以生存。这可能表明,即使是位于宜居带边缘的行星,也可能具有局部空中宜居的包层。

金星表面永远覆盖着厚厚的,酸性很强的云层,但由有一个区域的温度和压力与地球十分相似,这为微生物制造了生存的可能。图源ESA/ Astronomy.

金星大气中的温带,这里的温度的压强更适合生物生存。图片来自Seager等人(2020)/ Astronomy

这个云层中的宜居带可能是金星微生物最后的避难所。这是很难以置信,但是如果科学家是对的,那么这将是历史上最惊人的发现之一。假如得知我们不但并不孤独,而且一直以来在距离我们最近的行星上就存在生命,这会有多么令人震惊!下面是Souva-Silva2019年在Science America上发表的文章:

正如我们所知,生命只是众多生物学可能性中的一个孤岛。我们的星系中有各种各样的恒星,和围绕它们运行的各种各样的行星。仅地球就孕育了数十亿种生物。因此,不难想象生命可以以各种意想不到的方式出现,有些也许可以使它们的大气中充满像磷化氢这样奇怪的分子。有一天我们会检测到这些磷化氢。坦白说,这也许会使人感到恶心而不是有趣。另一方面,这些外星居民也许也会对我们感到恶心(这是一个星际外交需要克服的困难)。尽管如此,如果我们在一个岩石行星的宜居带上发现了磷化氢,假如没有误报的话,我们将会在那里发现生命。

在这里,她说到了在沿轨道运行的系外行星的大气上,发现了磷化氢。但是这一基本情况如今适用到了太阳系的这一岩石星球上。金星的位置在我们太阳系的宜居区的边缘,行星的周围温度是符合液态水存在条件的,尽管金星的表面情况就像地狱。

上个月,另外的一个学术讨论发表在了天文学杂志和其他地方。这篇讨论展示了细菌如何理论上在金星生存——通过寻找含有少量硫磺酸和一些水的避难所。他们循环在大气的不同层中,从来没有抵达过地面,通过间歇地转换到休眠状态而得以在极端条件下存活。

一个被提出的细菌在金星大气生活的生命循环。(1)处在生长阶段的干燥的细菌在金星的霾层生存。(2)这些孢子被上升气流带到了适宜生存的云层。(3)通过水的一次接触,孢子开始了代谢活动。(4)这些细菌分开聚集成飞沫,通过凝固得以生长。(5)这些飞沫越来越大,直到足够在大气中下沉,最终抵达可以蒸发获取更高温度的地方,这些细菌会转化成孢子,从而漂浮到更加底的霾层。(影像来自西格等人,2020,天文学)

虽然这一发现令人惊讶,但科学家多年来一直猜测金星大气中可能存在微生物生命。正如一些科学家所假设的那样,它甚至可以解释金星大气中的那种不寻常的暗条纹,它以某种方式吸收紫外线,被称为“未知吸收体”。科学家发现这些条纹是由微小的未知粒子组成的,粒子的大小与地球上细菌差不多。

就连卡尔·萨根也认为,在金星的大气层中可能存在生命。但是由于酸性云层的存在,金星微生物可能与地球上的任何生物都大不相同,包括大卫·格林斯彭在内的其他科学家也曾写到过金星云中存在生命的可能性。其中最好的一些文章发表在Eos期刊、《天体生物学》杂志(Astrobiology Magazine)、 太空网(Space.com)还有《天空与望远镜》杂志(Sky & Telescope)上 。格林斯彭也在麦哲伦电视台上谈到了这一点,并进行了突破性讨论。现在看来他们可能一直都是对的。

同样,这还不能完全证明金星上有生命存在,但已非常接近。持续关注未来的相关研究将是非常有趣的。

小结:地球最近的邻居金星的大气中是否有微生物生命?一个国际天文学家团队已经找到了虽不确定却也颇有说服力的证据。

作者:Paul Scott Anderson

FY:Astronomical volunteer team

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