我们如何才能真正找到地外生命——不是通过信息，而是通过分子

金星上有生命？这个听起来离谱的可能性可以理解地引起了几周前的头条新闻。部分原因在于，这个消息抓住了人们的注意力，因为金星似乎是一个不太可能找到任何生命的地方。那里的地表平均温度为 460 摄氏度，海平面压力是地球大气压的 93 倍——当然，金星上根本没有真正的海洋。

然而，关于金星生命的故事还有另一个惊人的方面：证据本身的性质。没有探测器在金星上滚动。我们没有任何金星岩石样本可以放在显微镜下。我们根本没有任何关于这颗行星的物理样本。生命搜寻是从远处进行的，完全是间接的，使用的是射电望远镜。那些令人不安的生命迹象是以一种极其微弱的无线电阴影的形式出现的，表明存在一种称为磷化氢的分子，一个磷原子与三个氢原子键合。

简·格里夫斯（Jane Greaves），一位威尔士卡迪夫大学的天文学家，和她的同事们使用夏威夷的詹姆斯·克拉克·麦克斯韦望远镜和智利的 ALMA 射电天文台扫描了金星大气中的磷化氢。令他们惊讶和高兴的是，他们发现了这种分子的痕迹，含量约为每十亿分之 20，混杂在这颗行星的酸性云层中。

在地球上，磷化氢主要由厌氧细菌产生。格里夫斯和她的团队无法想出任何合理的地质过程可以在金星上产生观察到的磷化氢浓度。不过，他们无法想到非生物过程的事实并不意味着它不存在，正如研究人员自己在他们的论文中公开指出的那样。

金星上磷化氢的发现是一个意料之外的、令人费解的潜在外星生命的信号。这也是对未来事情的一个预示。

随着科学家们将生命搜寻范围扩展到太阳系内以及围绕其他恒星运行的行星，将会有越来越多关于可能探测到生命的报告。与金星上的磷化氢一样，这些发现将来自间接数据。它们将是模糊不清的。它们将引发激烈的争论。而且，这些外星生命的信号几乎肯定会以分子的形式出现。

天体生物学家将任何可探测到的生命证据（现在存在或过去存在）称为“生物标志物”。原则上，生物标志物可以表现为一艘载有外星人行走的飞碟，或者一个包含如何建造星际之门的说明的无线电信号。我不能说这些事情是不可能的。没有人能。但绝大多数可能性是，外星生命的第一个迹象将采取分子的形式——这些分子通常与生物过程相关，而且似乎无法在没有它们的情况下进行解释。

如果你是一个持怀疑态度的读者（我希望你是！），你可能会问，“你怎么知道？”既然我们不知道宇宙中除了地球以外还存在什么样的生命，我们怎么可能声称知道哪些探测更有可能呢？幸运的是，我们并非完全盲目。我们可以从我们的技术限制、地球生命的性质以及限制生命可能性的基本物理原理中吸取一些重要教训。

Mars meteorite ALH84001 - NASA — 火星是宇宙中我们可能希望找到生命物理而非分子痕迹的唯一地方。但对火星陨石 ALH84001 的研究结果却令人失望。（来源：NASA/JSC）
NASA/JSC

目前，科学家手中掌握着另外一个行星体——火星——的物理样本。有277 颗火星陨石，它们被小行星撞击从火星表面炸飞，最终落到地球上。没有已知的陆地陨石来自其他任何行星，而且目前没有计划从除火星以外的任何行星带回样本。（我们有相当多的陨石来自月球，以及阿波罗任务带回的大量月球物质，但没有人认真考虑月球是寻找生命的地方。）

那么，对于宇宙中的任何其他地方，任何生命探测都必须依赖遥感。现在考虑一下我们可以寻找的遥感生物标志物的种类。技术文明的信号会令人兴奋，但从统计学上讲，概率非常低。

假设科学家们找到了另一个与地球完全相同的行星。我们可能在它历史的任何时刻看到它。在地球的大部分历史中，这个星球上没有智能生命。在智能生命的大部分历史中，人类没有能够从远处轻易探测到的技术。只有自工业革命以来，人类才做出了可能被视为远程生物标志物的改变——最引人注目的是，从城市发出人造光并广播无线电信号。

大约在二十亿年前，光合作用生命的出现开始彻底改变地球的化学成分，使大气充满氧气。没有持续补充，富氧大气在地质上是不稳定的，而生命是我们所知的唯一能够稳定地产生必要规模氧气的过程。因此，地球至少在二十亿年来一直有一个明显的分子生物标志物。地球拥有明显的技术性（非分子性）生物标志物的时间不到两个世纪。

纯粹的运气，你在其技术阶段找到一个平行地球的几率是万分之一。（这个阶段在地球未来会持续多久？没人知道，我也不打算处理假设性问题。）从单一样本推断存在明显的局限性，但目前地球是我们唯一可以使用的案例研究。智能生命的演化似乎需要数十亿年，所以即使有生命行星很普遍，我们也几乎肯定不得不依赖分子信号来寻找它们。

现在看看我们太阳系中最有希望寻找地外生命的地方。几十年来，大多数天体生物学家都专注于火星。最近，木卫二（Europa）和土卫二（Enceladus）加入了这个短名单，因为它们在冰层下有广阔、温暖的海洋。一些研究人员提出了土星被稀薄云层笼罩的卫星泰坦（Titan）上存在生命的可能性。随着金星上磷化氢的报道，我们也可以把金星加入这个名单。

所有这些地方的共同点是，与地球相比，它们的资源和可用能源受到严重限制。不太可能其中任何一个能够维持复杂的、多细胞生命；木卫二在这方面似乎是最好的选择，因为它拥有一个受到良好保护的、可能数十亿年来一直稳定的海洋。即使复杂的生命确实存在，或者曾经存在于其中一个世界，我们也难以找到它。

可以想象，科学家们可能会在未来十年内带回地球的火星岩石样本中发现古代生命的化石痕迹。二十五年前，一个小组声称在被称为ALH84001的火星陨石中发现了微化石。他们的发现被质疑，但基本方法是合理的。谁知道呢？只要足够努力，也许我们就能找到古代火星蛤蜊的化石遗骸。但如今，几乎所有关于火星生命的研究都集中在分子证据上，就像 NASA 1976 年的维京着陆器上的早期火星生命实验一样。

对我们太阳系中所有其他可能宜居世界的类似研究，也都是关于分子的。卡西尼号宇宙飞船在土卫二（Enceladus）地壳裂缝喷射出的水流中探测到了甲烷、二氧化碳甚至复杂有机物的痕迹。这为地下海洋中的生命提供了诱人的可能性——但实际上探索那个海洋，或者木卫二（Europa）上更大的海洋，将需要着陆、钻探可能数公里的冰层，将探测器放入漆黑的海洋并进行广泛的探索。

进行此类任务的技术尚不存在，而且以任何合理的资金水平来看，在未来几十年内也不会存在。目前，还是分子。 NASA 将在 2030 年代向泰坦（Titan）发送一个名为“蜻蜓”（Dragonfly）的飞行机器人。它唯一能寻找的生物标志物是分子。明年，NASA 可能会批准一项新的金星任务。正在考虑的概念将只能搜索分子。对于一个可能在 2020 年代中期飞行的私人金星任务也是如此。

至于在其他恒星周围的行星上寻找生命，实际上只有两种数据可供寻找：信息和分子。我是 SETI（搜寻地外文明计划）的忠实粉丝。它的成本不高，在探索宇宙方面能带来许多附带好处，而且潜在的回报是巨大的。巨大的！找到宇宙中其他地方存在智能生命的证据，或许将是迄今为止最伟大的科学发现。

话虽如此，我们无从得知是否有人在那里可以交谈。著名的德雷克方程只提供了一个提出问题的框架。例如，我们不知道外星生命（如果存在）是否必然会演化出智能，地球上发生这种情况的速率是否具有代表性，或者外星文明是否会与我们沟通。如果有人探测到信息，我会欣喜若狂，但我确实不指望它会发生。

另一方面，我们知道生命前化学在整个星系及以外的地区非常普遍，而且生命在表面可能宜居后，几乎立即就出现在地球上了。这两个细节，以及其他一些间接证据，都强烈表明简单的微生物生命可能在宇宙中普遍存在。这种生命只会广播一种化学的、分子的信息。

Graph of data of TRAPPIST-1 dimming - ESO — 蓝线显示恒星 TRAPPIST-1 在其三颗行星从前面经过时的亮度变化。该曲线上的微小下降可以揭示行星的分子组成。（来源：M. Gillon 等人/ESO）
M. Gillon 等人/ESO

这就是为什么科学家们如此努力地寻找在其他恒星周围可能宜居、与地球大小相当的行星。如果这些行星恰好直接从它们的恒星前面经过，就像TRAPPIST-1系统中的那些行星一样，就可以研究穿过它们大气的星光，并研究它们的组成。如果拥有足够强大的望远镜，还可以直接观测另一颗恒星周围的类地行星，并通过光谱学研究其组成。

即将发射的詹姆斯·韦伯太空望远镜（一旦最终发射）将是第一台至少有可能找到围绕其他恒星运行的行星的分子生物标志物的望远镜。比韦伯望远镜晚一代的望远镜将有机会更大。这是一项极其微妙、具有挑战性的工作。我们正在寻找一颗行星在大约数万万亿公里外的恒星前面经过时，其大气层中微量气体的痕迹。我是说。

但这甚至还不是最终的挑战。金星上磷化氢的探测预示着可能爆发的争论和纠纷——这些争论可能会持续数年甚至数十年。格里夫斯和她的合作者宣布他们在金星上发现磷化氢后，问题就开始出现了。简单的问题是，他们是否正确地探测到了磷化氢？（结果看起来很可靠，但当然应该独立验证。）困难的问题是，探测到磷化氢到底意味着什么？

在地球上，磷化氢来自微生物。但在木星和土星上，极端的物理条件允许磷化氢在没有生命存在的情况下形成。也有可能磷化氢在金星上通过某种非生物机制形成；一篇近期论文提出，它可能是金星剧烈火山活动的结果。即使没有人能找到合理的替代解释，磷化氢也不能被视为金星生命的证据。它只能刺激寻找其他有助于证明的证据。

最终，探测器可能会将气球放入金星的云层中，直接寻找微生物生命。对于其他恒星周围的行星来说，这并非一种选择。在那里，我们将不得不完全依赖分子证据。任何偏离化学平衡的物质都自动引起兴趣。发现氧气大气将是生命的有力迹象，但远非证据。发现氧气加甲烷会更有说服力，因为除非不断补充，否则它们无法共存。