宇宙生命之谜

宇宙生命之谜

课文导读：

课文：

古时候，科学不发达，人们一直向往着“天上的世界”。于是，有了许许多多的故事:嫦娥奔月，仙女下凡，蟠桃盛会......现在，科学发达了，人们知道那都是古人编出来的神话。但是，地球之外的太空中是否有生命存在，仍然是一-个吸引人的问题。

从理论上说，宇宙是无限的。地球只是太阳系中的一颗行星，而太阳系只是银河系中一个极小的部分，银河系又是宇宙的沧海一粟。整个银河系中有几千亿颗恒星，类似太阳系这样的天体系统为数不少，其中肯定有与地球类似的行星。可以猜测，地球绝不是有生命存在的唯一天体。但是，人类至今尚未找到另外一颗具有生命的星球。

    

哪些天体上可能有生命存在呢?这个天体又必须具备什么样的条件呢?人们了解了生命起源的过程之后，认为至少应有这样几个条件:一是适合生物生存的温度，一般应在零下五十摄氏度至零上一百五十摄氏度之间;二是必要的水分，生命物质诸如蛋白质、核酸的活力都和水紧密相关，没有水，也就没有生命;三是适当成分的大气，虽然已发现少数厌氧菌能在没有氧气的条件下生存，但氧气和二氧化碳对于生命的存在是极为重要的;四是要有足够的光和热，为生命体系提供能源。

根据这些条件，科学家首先对太阳系除地球以外的其他行星进行了分析。水星离太阳最近，向阳时表面温度达到三百至四百摄氏度，不可能存在生命。金星是一颗缺氧、缺水，有着浓厚云层的行星，阳光辐射和云层造成的“温室效应”，使得金星表面温度极高，不可能有生命存在。木星、土星、天王星和海王星离太阳很远，它们的表面温度，一般都低于零下一百四十摄氏度，因此，也不可能有生命存在。

太阳系中唯一还可能存在生命的星球是火星。火星与地球有不少相似之处:地球自转一-圈是23小时56分4秒，火星自转一圈是24小时37分;地球自转轴与公转轨道平面有66度34分的倾角，而火星的倾角约66度1分，所以火星和地球昼夜长短相近，而且也有四季更替。更有趣的是，1877年，意大利的一位天文学家观察到火星表面有很多纵横的黑色线条，人们猜测这是火星人开挖的运河。人们还观察到火星表面的颜色随着季节而变化，有人认为这是火星表面植物随着季节的变化而改变了颜色。

为了揭开火星神秘的面纱，科学家们决定利用宇宙飞船对火星作近距离的观测。1971年，美国发射的“水手9号”宇宙飞船进入了环绕火星飞行的轨道，给火星拍摄了大量的照片。这些照片表明，意大利天文学家观察到的所谓“运河”，原来是一连串的暗环形山和暗的斑点。通过近距离观测还发现，以前观察到的火星表面上所谓颜色的四季变化，并不是由于植物的生长和枯萎造成的，而是由于风把火星表面上的尘土吹来吹去，才造成了颜色明暗的变化。

科学家们还发现，火星是一个非常干燥的星球，在它的大气中虽然找到了水汽，但含量极少，只有地球上沙漠地区的百分之一；火星的大气层非常稀薄，百分之九十六是二氧化碳，氧气含量极少;火星表面温度很低；火星上没有磁场，它的大气层中又没有臭氧层，因而不能抵御紫外线和各种宇宙线的照射。所有这些因素都说明，在火星上生命难以存在。

为了对火星作进一步的考察，1975年，美国发射了两艘名叫“海盗号”的宇宙飞船。这两艘飞船在火星着陆，进行了一系列的分析和测试，得到两个重要结果，一是在火星的土壤中未检测到有机分子;二是在对火星表面取样的培养中，未发现微生物的存在。这证明，在飞船着陆的地区，火星表面没有生命存在。科学家又提出，生命物质是否会存在于火星的岩层之中呢?这有待进一步研究。

人们至今尚未在地球以外的太空中找到生命，但仍然相信遥远的太空存在着生命。近年来，科学家对落在地球上的些陨石进行分析，发现陨石上存在有机分子，说明太空可能存在生命。

地球之外是否有生命存在，是人类一直探索的宇宙之谜。

宇宙最早的生命，比地球早了多少年？

艺术家对GN-z11星系的想象，它是目前已知的最古老的星系。（图片来源：PabloCarlosBudassiWikimedia）

人类在宇宙中是孤独的吗？每当我们仰望星空时，或许就会思考这个问题。在科幻小说《三体》中，答案显然是否定的，无数的生命体及地外文明蛰伏于宇宙之中，此消彼长，日转星移。而现实或许也是如此，也许在几十亿年前，类太阳恒星的行星上就已经出现了宇宙中最早的生命。他们可能早已湮没在时间的长河中，也可能在宇宙中留下了痕迹。循着这些蛛丝马迹，我们或许就能找到宇宙生命的起源。

在宇宙大爆炸发生后约1500万年，爆炸产生的电磁辐射逐渐消散，整个宇宙冷却至接近室温。在2013年的一篇论文中，我把这个阶段称为“早期宇宙的宜居时期”。如果人类生活在那个时期，即使没有太阳也无关紧要，因为宇宙的辐射背景就可以让我们足够暖和。

但是生命在那时就已经诞生了吗？答案很可能是否定的。这不是因为缺乏适宜的温度，而是因为宇宙中缺乏生命必需的化学元素——碳元素和氧元素。在大爆炸发生后的20分钟内，宇宙中仅含有少量的氢和氦、极其微量的锂，以及几乎可以忽略不计的其他更重的元素。只有在大爆炸发生约5亿年后，第一批恒星将氢和氦融合为氧和碳，从而让生命成为可能。

那么宇宙中的生命究竟起源于何时呢？宇宙中大多数恒星都形成于太阳诞生数十亿年前。基于恒星形成的历史，我和拉斐尔·巴蒂斯塔（RafaelBatista）、戴维·斯隆（DavidSloan）计算了从第一颗恒星诞生到遥远的未来，不同的时间点生命出现的概率。结果表明，类太阳恒星周围的生命很可能在最近几十亿年才出现。未来，在围绕矮星运行的行星上，可能还会诞生更多的生命。例如离我们最近的矮星比邻星，它的寿命能达到太阳寿命的数百倍，能够为其行星提供长达10万亿年的热量。或许有一天，人类科技足够发达，我们就能迁徙到像比邻星b这样的行星上，开启新的生活。

离我们最近的恒星：比邻星（图片来源：ESA/Hubble&NASA）

当然，以上推测都建立在一个假设上——水是生命之源。水是目前已知的唯一能够支撑生命的液体，但人类对自然的探索仍然相当有限，谁也没有把握说我们一定是对的。宇宙早期是否有其他能支持生命的液体出现？在我们和马纳斯维·林加姆（ManasviLingam）合作发表的一篇新论文中，我们就发现在第一批恒星形成后，氨气、甲烷和硫化氢可能以液态的形式存在，随后出现的可能是液态乙烷和丙烷。尽管这些液体与生命之间的相关性仍然不明确，但我们可以进行实验探究。目前的难点在于，需要首先创造出合成生命，哈佛大学的杰克·绍斯塔克（JackSzostak）及全世界其他团队正积极尝试攻克这个难题。如果成功，那么我们就可以探究在水之外的其他液体中能否诞生生命。

要想知道宇宙生命何时起源，可以尝试在最古老恒星的行星上搜寻生命的迹象。那么如何确定哪些恒星最古老呢？天文学家认为，这些恒星由于形成较早，因此主要由氢和氦组成。比氦更重的元素，我们称之为“金属”，这些元素在古老恒星中含量应该较低。事实的确如此，我们已经在银河系边缘发现了一些缺乏金属的恒星，它们很可能是宇宙中最早诞生的一批恒星。这些恒星往往含有高于平均水平的碳，我们把这种恒星称为“高碳低金属”（carbonenhancemetalpoor,CEMP）恒星。

我和我之前的学生纳塔莉·梅什（NatalieMashian）对CEMP恒星进行了研究，我们认为绕CEMP恒星运转的行星可能主要由碳组成，能够为宇宙早期生命的诞生提供良好的基础。因此，我们可以寻找那些绕CEMP恒星运行，并且大气组成存在生物标记的行星。通过计算这些行星的年龄，我们就可以推测宇宙生命大约起源于何时。

早期宇宙中的星系团（图片来源：P.Rosatietal.;X-Ray: CXC, NASA /Optical: ESO, VLT）

另一种方法则是搜寻宇宙中早期文明发出的信号。这些信号可能是推动光帆时产生的一束光，也可能是一些宇宙尺度的工程项目留下的痕迹，比如移动一颗恒星。但不太可能会是通讯信号，因为将信号从宇宙这头传输至另一头，可能需要数十亿年，没人会想通过这种方式进行交流。

但这些生命的痕迹注定不会长久。10万亿年后，暗能量造成的宇宙加速膨胀会让整个宇宙陷入黑暗和寒冷之中，所有的生命或将陷入永恒的沉寂。我们无法想象10万亿年后人类将如何应对这场灾难，我们甚至不知道那时人类是否存在。但我们仍然可以为未来人类留下一笔遗产——我们可以珍惜眼前美丽的自然环境，对大自然的馈赠葆有感恩之心。如果人类的后裔足够聪明，能够熬过那段黑暗时光，那么或许我们今天的行为会让他们感到骄傲，并把我们的贡献铭刻在他们的历史之书上。