证明我们发现外星生命的基本指南

1996 年 8 月 7 日下午对于很多人来说并不是一个难忘的时刻。但如果事情的发展有所不同，它可能会铭刻在我们的集体记忆中。下午 1 点 15 分，美国总统比尔·克林顿 (Bill Clinton) 走上白宫青翠的南草坪，谈论可能在火星陨石中发现生命的问题。他说：“如果这一发现得到证实，它肯定会成为科学迄今为止对宇宙最令人惊叹的见解之一。”

但事实并非如此：它加入了关于外星生命的不确定声明清单。当然，我们不必追溯到 20 世纪 90 年代才能找到其他类似的说法——就在几年前，金星大气中磷化氢气体的发现让科学家们兴奋不已。 2017 年，哈佛大学的阿维·勒布 (Avi Loeb) 表示，星际物体“Oumuamua”是一项外星技术。

随着大量新任务准备从外星世界传回数据，这些潜在发现的步伐可能会加快。那么，当外星生命的明显证据不可避免地到来时，我们应该问自己什么问题呢？在本指南中，我们将介绍它可能首先出现的最可能的方式，从微弱的化学特征到化石微生物。把它想象成一次科学的直觉检查——下次当头条新闻宣称我们并不孤单时，不同场景距离证明外星生命存在有多近的滑动尺度。

场景 1：我们在遥远系外行星的大气层中检测到生物特征

有消息称，一颗距离地球数光年远的行星的大气层中似乎充满了我们与生命联系在一起的气体。头条新闻鼓吹“可以呼吸的世界”，互联网也变得疯狂。但我们应该如何看待这样的说法呢？

这是我们第一次看到外星生命迹象的最合理的方式之一——不是通过小绿人，而是通过空气中的分子。在地球上，生命从根本上改变了大气：微生物、植物和人类都留下了化学痕迹。如果其他地方也是如此，那么在系外行星上训练的望远镜就可以识别出系外行星大气中存在的外星生物呼出的气体分子吸收和发射的辐射。

有些气体比其他气体更具暗示性。例如，二氧化碳和水蒸气可能来自生物和地质过程。其他被称为生物特征的特征在没有生命存在的情况下更难以解释。但识别它们——并证明它们确实指向生物学——比听起来更棘手。

以 K2-18b 为例，这是一颗距离我们约 120 光年的行星。 2023 年，尼库·马杜苏丹 剑桥大学的研究人员和他的团队发现了二甲硫醚 (DMS) 的初步迹象 来自詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）的数据。在地球上，DMS 仅由海洋浮游生物和细菌产生。

Madhusudhan 还在另一台仪器的数据中发现了第二种类似的气体：二甲基二硫醚 (DMDS)，支持他的团队的原始发现。今年，一篇论文也通过 JWST 发现了类似但稍弱的 DMS 证据。 Madhusudhan 说：“它仍然没有达到我们想要的可靠检测水平。” “但信号已经增强，所以我们正朝着正确的方向前进。我们需要更多数据。”

Madhusudhan 就是其中之一，他很乐观。 “我们看到了分子的初步迹象，这些分子在观察之前就被预测为生物标志物，这是重要的一点，”他说。

其他人则认为，这样的数据太脆弱，不足以支持生命的说法。安德鲁·拉什比 伦敦大学伯克贝克分校建立了大气模型来测试此类检测的真实可靠性。他的学生之一，刘若涵，目前正在研究替代解释 了解 Madhusudhan 的发现。例如，许多科学家假设 K2-18b 含有液态水，这使得生物过程更有可能发生，但最终可能并非如此。拉什比说：“也许它更像是一颗迷你海王星。”他指出，一颗富含气体的行星也可能产生相同的光谱。

拉什比和他的同事甚至提出了一个基于概率评估潜在生命迹象的框架。它不只是问“生命能做到这一点吗？”，而是问“还有什么可以做到？”，根据可能性和背景权衡不同的解释。这包括行星的温度、化学平衡和其绕轨道运行的恒星类型。

马杜苏丹承认需要谨慎行事，但反驳了气体特征始终不足以证明外星生命存在的观点。他说，将生命视为需要非凡证据的非凡主张源于人类偏见。毕竟，生命的主张与我们无法直接看到的天体物理物体的主张有何不同？ “我们怎么知道银河系中心有一个黑洞？”他问道。

最终，任何单一的观察都不可能终生解决这个问题。如果存在的话，证据将分阶段进行，我们确实有一些关于如何进行这一过程的指导方针（请参阅下面的“证明外星生命存在的七个步骤”）。

但拉什比表示，为了从热空气中提出一个真正令人信服的案例，从同一颗系外行星检测到更多生物产生的气体可以加强这一发现，并强调氧气和甲烷至关重要。他说，我们需要进行多次观察：“我们拥有的独立证据越多，我们就越能排除可能欺骗我们的系统问题，例如特定望远镜的问题。”

因此，如果在不久的将来，系外行星的大气层引发了互联网的大火，请保持冷静。空气中弥漫着一些鱼腥味并不意味着那里有生命。但他们确实意味着值得更努力地寻找。

探测外星生命的潜力：1/10。

场景 2：来自冰冷卫星海洋的水样含有生物分子

在接下来的50年里，人类可能会首次对木星的卫星欧罗巴或土星的卫星土卫二进行侦察任务。这些冰冷的世界对科学家来说很特别，因为它们的冰冻地壳下隐藏着广阔的地下海洋，可能充满生命。还有能量——岩石和水相互作用时形成的氢分子可以喂养外星微生物，就像在地球上一样。配备钻头的着陆器可以开采水样，并有可能将它们飞回地球。

在显微镜下观察，我们可能会看到不熟悉的生物在培养皿中游泳——理想情况下，这些生物足够奇怪以排除污染的可能性。

但往返并不容易：我们最新的任务“木星冰卫星探索者”将需要八年时间才能到达木卫二。那么，如果我们不需要从冰冷的世界带回样本怎么办？如果我们能够在原地探测到生命会怎样？

这就是诺扎尔·哈瓦贾所说的 柏林自由大学正在努力做的事情。他和他的同事正在为美国宇航局即将到来的木卫二快艇任务设计一种仪器。它建立在早期工作的基础上：2018 年，Khawaja 和他的团队报告了首次发现大量且非常复杂的有机化合物 来自土卫二的羽流。

他们无法确定这些分子到底是什么，但它似乎具有圆形结构，具有氮、氧和碳氢化合物链。

“当我们把它们放在一起时，搜索候选化合物出现了。其中一种是类腐殖酸，”他说，指的是地球土壤中的一种有机物质，它能吸附营养物质并帮助喂养微生物。

但有一个障碍：当冰被辐射破坏时，也会形成一些有机分子，而土卫二的表面就有很多有机分子。这些分子可能是生物分子，也可能只是化学噪音，尽管卡瓦贾的最新研究 表明它们不太可能是后者，因为它们是从月球内部出现的，而月球内部不受辐射。

目前还不清楚木卫二是否有像土卫二那样的活跃羽流，但如果有的话，木卫二快艇将飞过它们。如果没有，它将掠过微陨石撞击冰层的区域，并从下面抛出埋藏的物质。这次，机载仪器会更加灵敏。 Khawaja 的团队正在设计它们来检测氨基酸和脂肪酸的组合，这些组合显示出匹配的手性——本质上是分子的左手或右手方向。在自然界中，生命倾向于单手而不是另一只，从而产生很少自行出现的模式。他说，所有这些信号结合起来，毫无疑问地表明存在“生命的潜力”。

还有另一个挑战：速度。卡西尼号等之前的任务以每秒 18 公里的速度穿过土卫二的羽流，比子弹快很多倍，这种速度可能会损坏 DNA 等分子。 “仪器室之类的东西可能会破裂，”安德鲁科茨说 在伦敦大学学院。但 Khawaja 表示 Europa Clipper 的目标是降低 3 至 6 公里/秒的速度。 “通过我们的实验，我们认为这个速度可以让我们完整地获得整个 DNA 分子，以及一些片段。”

当然，在这一切之后，我们仍然只能暂时探测到生命，这需要进一步的任务来支持。

对地球的研究也至关重要。 Khawaja 正在开展一项实验，以确定冰冷卫星的核心是否能够支持生命，以及来自下方的物质如何以羽流形式喷射出来，从而加强未来的发现并做出我们可以测试的预测。

底线是什么？冰层下是否存在生命，我们可能需要几十年才能确定，但​​分子碎片是一个强有力的起点。

探测外星生命的潜力：4/10。

场景 3：我们在火星岩石中发现了古代生命的印记

现在，一块火星碎片在杰泽罗陨石坑布满灰尘的地面上的密封钛管中等待着，它是毅力号火星车在 2024 年末储存的。它只有 6 厘米长，上面有苍白、漂白的斑点，看起来不起眼。但在几十年内，这种泥岩可能会返回地球，并提供一些最令人信服的证据，证明地球以外存在生命。

在太阳系的所有行星中，火星仍然是我们寻找古代外星微生物迹象的最佳选择。它相对较近，在年轻时，充满了河流、湖泊和地下水，所有这些都可以维持生命。这就是为什么将样本带回地球的活动被视为未来几十年最重要的科学努力之一。

即便如此，一旦来自火星的珍贵货物抵达地球（可能在 2030 年代），我们仍将面临严峻的问题。以 Jezero 样本为例，绰号为 Cheyava 瀑布。它是在一个古老的河床上发现的，并因其漂白的斑点而引起人们的注意。在地球上，当微生物利用三价铁通过铁还原产生能量时，也会形成类似的斑点。

“我们有几条证据表明，红色岩石中的这些漂白点至少在大多数时候可能是生物性的。但说实话，即使在地球上，也有点不清楚，”肖恩·麦克马洪说，英国爱丁堡大学的天体生物学家。地球化学反应也能产生它们，不过通常会产生热量——而如今冰冷的火星缺乏热量。但外星世界也有外星化学物质，可能会使这种反应成为可能。这些斑点不能作为证据。

切亚瓦瀑布样本中也发现了有机分子——生命的组成部分。但毅力无法准确确定它们是什么。只有在地球实验室对样本进行研究后，我们才能弄清楚细节。

科学家们正在寻找的一件事是多环脂质，来自细胞膜的脂肪分子，由碳、氢和氧组成。它们比 DNA 等脆弱分子更有可能存活下来。甚至脂肪酸中碳原子的数量也可能说明问题：生命倾向于偏爱偶数。虽然火星有机体可能不遵循这一规则，但生命和非生命过程仍然可能留下不同的模式。

尽管如此，没有什么是确定的。毕竟，在彗星和星际空间等不适宜居住的环境中已经发现了氨基酸。为了充满信心，我们需要来自不同任务的多条证据。

科茨认为欧洲航天局即将推出的罗莎琳德·富兰克林漫游车可以满足这一需求。 “我认为把东西带回来和罗莎琳德·富兰克林的结合可能是我们真正检测到它所需的两件事，”他说。

火星车将于 2028 年发射，将能够在地下 2 米深处钻探，由于地表受到辐射轰击，因此更有可能发现生命。与“毅力号”不同的是，它将携带一台能够检测氨基酸和复杂分子的质谱仪，并将评估它们的手性。

从那里，它将能够排除来自地球的信号，因为我们知道火星上氮和碳的手性和同位素（原子核中中子数不同的元素）比率是不同的。

如果发现生命迹象，下一步将是做出我们可以测试的预测。 “因此你应该找到这些 [biological] 麦克马洪说：“这些特征只存在于环境适宜居住的部分。”这足以保证更多的样本返回任务，可能来自地球上其他曾经被水屏蔽和淹没的地方，例如希腊平原，或者我们认为完全不适合生命的火星社区，例如像奥林匹斯蒙斯这样的大型火山的顶部。

因此，当谈到火星时，我们可能会在十年内获得第一个真正的线索。但在白宫草坪上举行新闻发布会？这可能还需要 20 或 30 年的时间。

探测外星生命的潜力：6/10。