寻找外星生命的关键

石无鱼

把我们自己当作外星人来考察地球

没有什么事件比发现外星生命意义更重大的了。不论是在一颗岩石质行星还是一颗气态巨行星，不论那里炎热还是寒冷，我们都不挑剔：只要外星生命存在，我们就想找到它。

我们搜寻的时候，当然不是漫无目的的。我们心中的样板是地球。毕竟，地球是迄今唯一一颗有生命的星球。就算遥远的外星球没有海洋、大陆、雨林、沙漠和南北极冰川，但我们在搜寻时，依然要看看它们是否有我们所熟悉的东西，比如说地表要有水，大气中要有氧气，甚至陆地上要有植被，等等。

但是，我们也许忽视了这样一个事实：我们现在所熟悉的地球，很早以前并不是这个样子的。在地球存在的45亿年中，它经历了一系列的沧海巨变：冰期和气候变暖时期，大气无法呼吸的时期，大面积沙漠的时期，茂盛的热带森林覆盖两极的时期……虽然一直在发生着变化，但在绝大多数时间里，生命一直在顽强地生存着。

所以，问题来了：假如我们总是以现在的地球做样本，那倘若外星生命处于类似早期地球的环境中，我们很可能就把它们错过了！

如何避免错过呢？一个办法是把我们自己当作外星人，来观察地球，看看在地球历史的早期，有生命存在的情况下，我们能从遥远的地方看出什么名堂来。

能显示现在地球上生命迹象的信号

这个想法其实并不新鲜。1989年，当“伽利略”号木星探测器发射时，它要绕地球轨道运行两周。当时美国天文学家卡尔·萨根建议，利用这个机会把我们寻找外星人的最好设备对准地球自身。他说，用这种办法看看能否发现地球有无生命存在的迹象。如果在这种情况下都没发现地球上生命存在的迹象，那我们也别指望用它们去发现别的地方的生命。

“伽利略”号没让我们失望。它探测到一系列能显示地球生命迹象的信号。比如，它探测到一些无线电波信号——这是自然界无法自己产生的，只能来自人工（我们当然知道它来自人工）。

如果没有任何来自人工的暗示，那么到目前为止，能显示生命存在的最好迹象是氧气。如果没有植物通过光合作用源源不断地产生，氧气在我们大气中将难以维持稳定的浓度（21%）。因为氧气是非常活泼的气体，会跟很多东西反应，从而被消耗掉。

甲烷是一种比较模棱两可的信号，虽然地球上的甲烷大多是细菌和家畜释放的，但跟生命活动无关的自然过程也能制造甲烷。所以，大气中探测到甲烷还不足以证实生命的存在。

然而，倘若氧气和甲烷同时存在，那将是生命存在的一个有力证据。因为氧气和甲烷的混合物是不稳定的，很容易燃烧生成二氧化碳和水，不可能长期共存——除非它们持续不断地产生。谁产生的呢？只能是生物。因为很难想象两者都靠与生命活动无关的自然过程来长期维持。

太古代的地球，火山喷发随处可见。

另一个显示生命的可靠迹象是植物反射的光。尽管地球上的植被吸收了除绿光之外的大部分可见光，但它吸收的红外线要少得多。结果是，在地球的反射光谱上会出现一个突然的跳跃，被称为“近红外反射峰”。如果没有活的有机生命，这个现象很难发生。

大气中有高浓度的氧气，甲烷与氧气共存，或者地球的反射光谱中存在一个近红外反射峰，这些都是显示地球上存在生命迹象的有力证据。但这个“地球”特指现在的地球。假如用这些标准去挑选像现在的地球那样的行星，不失是个好办法。

但是我们要知道，即使在上述迹象出现之前，地球上也早有生命存在了。倘若上述这些迹象都没有，我们该怎么去发现生命呢（如果有的话）？

地球风貌变迁史

地球生命的简短历史

地球上已知的最早生命形式大约出现在40亿年前的“太古代”。当时地壳正在冷却，大陆开始形成，大气层被活火山产生的二氧化碳所充满。在这个充满敌意的环境中，生产甲烷的原始微生物出现了。当时大气中氧含量幸好很低，因为第一批生命是厌氧的，氧气对它们有毒。如果氧含量再高一点，出现的生命可能就是另外的样子。

大约10亿年后，地球进入“元古代”。光合作用已经在进行。光合作用将二氧化碳转化为氧气，这一过程对地球产生了持久的影响。氧气、二氧化碳和甲烷首次在大气中共存，加速了多细胞生命的进化。

在这期间，发生了两次“雪球地球”事件，当时整个地球从南到北都被冰雪覆盖。虽然生命并没有灭绝，但问题是，我们不知道如何在这种情况下找出能显示生命存在的迹象，因为科学家对这一时期的大气成分还没有充分了解。

元古代有一个10亿年的稳定期，从18亿年前延续到8亿年前。这一时期，气候稳定，氧含量仍然保持在很低的水平，生命的进化就算还在持续，看起来也非常缓慢。难怪地质学家称之为“无聊的10亿年”。

有人认为这样说有点不公平。毕竟，这一时期进化出了有性生殖，也是第一批真核生物（具有真细胞核——即细胞核被核膜包围——的生物）出现的时候。这是一件大事。然而，倘若從外星人空间探测器的角度来看，几乎看不出什么变化。

当“无聊的10亿年”结束后，生命进化开始进入快车道。生命形式的多样性在寒武纪爆发中飞速发展，氧气最终达到了可以从太空中远程探测的水平，植物开始在地表繁衍生息。这是第一次可以看到近红外反射峰的时候。

这段复杂的历史为那些只把地球目前的外观做样板去搜寻外星生命的人提供了一个教训。按他们那种做法，在地球历史的大约五分之四的时间里，我们都将无法看到地表生命的迹象，因为不论是寻找高浓度的氧、氧气-甲烷共存还是近红外反射峰，你都将空手而归。既然如此，我们就需要研究其他可显示生命存在迹象的途径。

植被的出现极大地改变了从太空所看到的地球的风貌

如何探测早期地球上的生命迹象？

一条有希望的新途径是搜寻类似现在地球近红外反射峰的东西。前面说了，在现在地球的反射光谱中，之所以出现近红外反射峰，是因为有大面积植物存在之故。但从太古代开始，早在被植被覆盖之前，地球大陆就可能被其他颜色的单细胞生物覆盖了。如果这些微生物数量足够多，它们对地球反射光的影响也将类似于植物，只是反射峰不一定出现在光谱的近红外一端而已。

另一条新途径是对行星进行长期观察，而不仅仅是获取其大气成分的“快照”。例如通过观察地球，我们可以揭示地球大气中二氧化碳浓度的季节性变化，你会发现每年都要上下波动一次。这是因为植物在生长季节消耗了更多的二氧化碳，而北半球由于其大陆面积比南半球大，在这一影响中占主要地位（南北半球因为季节相反，如果再加陆地面积相等，那就抵消掉了）。

如果行星上还没有植物（如元古代的地球），微生物的光合作用恐怕不足以引起二氧化碳浓度的明显波动。但如果存在需要呼吸氧气的生物，那么氧气的浓度可能会有季节性变化。尽管氧含量本身可能太低，从远处不能察觉，但它的波动对其他化学物质（如臭氧）的影响也许能被探测到。

利用季节性变化的东西来作为生命存在信号的一个缺点是，有些外星球上压根儿没有季节。比如一些恒星由于亮度太低，辐射的热量太少，行星轨道必须靠近它们，才能适宜居住，但这样一来，行星就被潮汐锁定了，始终保持相同的一面朝向恒星。在这样的行星上，就不会有任何季节了。

还有一条新途径也许会更有成果。它涉及重新思考生命的存在如何影响大气的构成。尽管前面已经知道，如果没有生物往地球大气中源源不断地注入甲烷和氧气，两者无法在大气中共存，所以甲烷-氧气可视作生命存在的信号，但这样的气体组合也许不止一种。

以上建议都为我们寻找外星生命提供了新視角，然而，要想找到一个足够好的视角并不容易。弄清楚系外行星大气中发生了什么，就意味着要尽可能多地收集来自系外行星的光。但是，当然，行星自身并不产生光;它们只反射母恒星的光，而且反射的光与母恒星发出的光相比，显得很少。为了将它们分开，我们将需要巨大的望远镜，如美国宇航局的韦伯望远镜，该望远镜将于2021年发射，或是下一代基于地面的超大型望远镜。即使有了这些设备，事情依然会很棘手。倘若要对系外行星的季节性变化进行观察，那么时间将会持续很久（因为系外行星的一年，也许相当于好几十个地球年），以至于在你我的有生之年，都不一定能完成。

此外，也不是任何一项观测就可以一锤定音的，因为我们找到的至多不过是能显示生命存在的迹象，而不是生命本身。这不像挖宝藏，能挖到实物，然后说，“就是它！我找到了！”