外星植物

编译 夏冰

遥远的星球上，外星太阳温暖着海滩，海滩上长着深红色树叶的棕榈树在微风中摇摆。池塘边缘的每一块大石头上都披着一件类似蓝藻的植物做成的外衣，奇怪的花朵在远处的沙丘上繁荣滋长。

天文学家几乎可以肯定，在我们的太阳系之外，宇宙中还会有其他长满植物的星球——哪怕，他们完全无法确定那些星球上的植物到底长什么样。宇宙中不乏环境条件适宜孕育生命并支持其成长的世界。近期，美国宇航局的研究者根据目前已经认证确定的大约4 000颗系外行星外推，估算得到仅银河系内，就可能拥有多达50亿颗宜居行星。我们现在面临的挑战是，如何证明其中至少一个确实宜居。

一小部分天文学家投身到这项任务中。他们追踪着穿过外星大气来到我们星球上的光，以寻找外星细菌或植物的线索。这是一番大有可为的事业，但至多也只能提供环境证据。很早之前，天文学家就已经知晓还有一种更好的方法——搜寻系外行星地表反射出来的光，更有可能收获成功。“这种光让你有机会直接看到系外行星上的生命物质本身。”加利福尼亚山景城地外文明搜寻研究所科学家威廉·斯巴克斯（William Sparks）说。

这个构想的问题在于，我们根本不可能找到这种光。不过，最近的一些突破性进展表明，我们终究还是能梳理出系外行星地表反射出的部分光，从而找到其他星球上光合作用的确凿证据。实现这个目标所需的望远镜已经在建造之中。与此同时，关于搜寻目标的竞争也已如火如荼地展开了。天文学家目前正在努力识别地球植被反射出的信号，作为外星植物搜寻行动的借鉴。

具体到搜寻系外行星生命迹象这个目标来说，天文学家的关注重点是大气生化信号。举个例子，地球大气中有大量植物、树木和漂浮在开放海洋上的微生物通过光合作用产生的氧。同时，细菌、腐烂的植物和反刍动物通过类似的过程将甲烷排泄到了大气中。

在地球大气中寻找生化信号并不难，但要想梳理出这些气体在地外世界大气中的蛛丝马迹就很是困难了。恒星的光在穿过行星大气时，会有部分颜色的光被吸收，至于具体是哪种颜色则取决于该行星的大气成分。于是，我们在地球上探测到的系外行星光谱中就会出现空隙，这些空隙就会告诉我们这颗系外行星的大气构成。不过，要想在实践中实现这个目标，就需要分辨力高到足以准确分解外星星光的大型望远镜。并且，这样的望远镜基本上只能在地球表面建造，这就意味着，外星星光在抵达望远镜之前还会经过地球大气，而地球大气中的氧会在这些光信号中留下痕迹。这还只是干扰信息的诸多来源之一。

借助像詹姆斯·韦布天文台（计划于2021年10月发射升空）这样的大型空间望远镜，就能摆脱地球大气的复杂效应。然而，即便如此，这些信号离彻底摆脱干扰也还差得远。举例来说，氧可能是恒星光分解大气中的水产生的，氮可能是火山喷发产生的，而非腐烂植物。因此，外星星光中氮和氧的存在，并不必然意味着系外行星上存在植物。麻省理工学院科学家萨拉·西格尔（Sara Seager）就表示，现在，越来越多的研究者认为，即便我们拿到了相关证据，也无法肯定说明任何事。“对于任何一名科学家来说，有多少种解释这些气体生物起源的方式，就有多少种解释这些气体非生物起源的方式。”

20年前，萨拉成为第一批探索利用其他以光为媒介的方式研究系外行星的天文学家之一。要想理解萨拉探索的新研究方式，你得把光看成电磁波。一般来说，光——比如我们看到的太阳光，或者灯泡发出的光——都是没有偏振的，也即它们是在各个方向上振动的电磁波。另一方面，偏振光的振动就仅限于特定的某些方向。星光经行星表面反射后，就会偏振化，且其具体的偏振方式就能提示我们究竟是什么导致了这种偏振——其中的一种可能原因就是外星生命。

这正是偏振测定学——一门主要研究如何测定偏振光的学科——吸引西格尔等人的地方。大气中的生物信号可能什么也说明不了，但直接来自外星世界地表的信号——以偏振光的形式编码而成——可以为我们提供更为可靠的线索。

举个例子，通过偏振光，我们或许就能确定其他行星上是否有液态水存在。在大气中寻找相关信号，只能告诉我们，大气最顶层空气中有水以气体的形式存在。而通过偏振光测定手段，可以探测液态水滴云层，甚至可能直接探测海洋，因为太阳光照到水面时会出现强烈的偏振。“你甚至可以由此分析风速和浪高，”智利欧洲南方天文台科学家迈克尔·斯特尔兹克（Michael Sterzik）说，“因为风速、浪高等因素会改变海洋将那些偏振太阳光反射回宇宙空间的方式。目前看来，偏振光测定手段是查证类地系外行星特征最有前途的技术。”

不过，这项技术的好处可能还不止这些。最理想的情况下，偏振光可以为我们带来无数生物学铁证。光波中的某些振动信号只能由参与光合作用的叶绿素分子的化学结构产生。而光合作用，正是地球上所有植物和某些细菌将太阳光转化成糖分的过程。

应用这项技术的难点在于，遥远行星地表反射出来的偏振光极其难以观测。做一个大家都能理解的比较，这种光比直接穿过大气来到地球上的恒星星光还要昏暗。另外，还有一个残酷的事实：只有1%左右的反射光会发生偏振，这让偏振光信号变得更微弱。“我们已经尝试了好几次，但都失败了，”西格尔说，“我觉得，如果我们永远都探测不到遥远星球上发出的偏振光，也不奇怪。”

不过，现在，我们终于探测到了。2021年1月，两支互相独立的研究团队各自宣布，他们探测到了来自系外行星的偏振光。率先完成这一目标的团队由荷兰莱登大学科学家罗布·范霍尔斯泰因（Rob Van Holstein）领导。他们利用智利的甚大望远镜捕捉到了来自系外行星DH Tau b周围尘埃和气体盘的红外偏振光。不到半个月后，澳大利亚新南威尔士大学杰瑞米·贝利（Jeremy Bailey）领衔的研究小组宣布，他们探测到了飞马座51b反射的偏振星光——飞马座51b是人类发现的第一颗围绕类太阳恒星运动的系外行星。

无论是DH Tau b，还是飞马座51b，都不是类地行星——它们的质量都比木星还大。然而，这两项发现仍旧是伟大的突破。“20年了，我们一直在等待像这样的技术突破。”贝利说。

现在，科学家面临着双重挑战。一方面，天文学家必须进一步提升这类探测技术，以便探测体型更小的类地系外行星的反射偏振光。要知道，系外行星越小，距恒星越远，其地表反射出的光就越微弱。另一方面，也是更重要的方面，我们必须弄清楚，植物会在我们能够探测到的偏振光信号中留下何种线索。

这两项挑战都不是轻轻松松就能解决的，但偏振光测定技术至少让我们以这类方式探测外星生命成为可能，因为，生命——尤其是植物——令光产生偏振的方式的确有特别之处。云层和海洋反射的星光会产生线性偏振，也即光（波）的振动方向与传播方向一致。而植物反射的光会产生圆偏振：反射光在与传播方向呈直角的平面上转动。

非生命物质是无法产生这样的信号的，但植物中的叶绿素却能以一种独一无二的方式做到这一点。圆偏振光究竟是顺时针还是逆时针转动，取决于产生偏振的叶绿素分子的手性。现在，先请你看看自己的双手。左右手互为镜像，却永远无法完美重合地上下叠放在一起。这就是手性的含义。

在化学中，分子也以类似的左右手性存在。非生物物质令反射光产生圆偏振时，左右手性产生的效应必然是等量的。然而，地球上的生命只使用左手性的氨基酸和右手性的糖。这种特别的性质叫作“同手性”。斯巴克斯认为，这也正是我们能从类地系外行星反射出来的偏振光中看到的现象。他表示，左右手性偏振光的比例差异达到6:4，就足以确定该星球上有生命存在了，因为，就我们目前所知，还没有任何非生命物质的左右手性比例偏离1:1。“这是一种更加独特的生物学信号。”斯巴克斯说。

一直以来，科学界始终认为，圆偏振信号强度只有相应的线偏振信号的成千上万分之一，因此也就弱到完全无法探测。然而，斯巴克斯最近开始质疑这种观点。他在实验中用非偏振光照射培养的细菌——这些细菌在光合作用中不产生氧。2020年10月，斯巴克斯和同事证明了，这些细菌反射出的光中，有多达1%产生了圆偏振——和线偏振反射光比例基本相同。“实验证明，圆偏振反射光强度要比我们原来认为的更高。”斯巴克斯说。他们在进一步的研究中还发现，细菌分解并向环境中释放原始色素时，圆偏振反射光信号最强。“也就是说，我们未来要寻找的并不是生命，”斯巴克斯说，“而是死亡。”这个结果也支持了斯巴克斯论文合作作者之一、匈牙利植物生物学研究所卢卡斯·帕蒂（Lucas Patty）早些时候的一项发现。2019年，帕蒂发现，褐藻反射光中，圆偏振信号的比例可能高达2%。不过，即便外星光合作用生物的偏振信号比原先预计的强，我们就真的能够在广袤的宇宙空间中探测到它们吗？“毫无疑问，这肯定会很艰难，”斯巴克斯说，“在理解光和生命间相互作用的道路上，我们还刚刚起步。”

其他行星上的青苔会以一种特别的方式令光发生扭曲

幸运的是，我们生活的这颗行星是一个绝好的试验场。斯特尔兹克一直在使用甚大望远镜观察月球反射回来的地球光，也就是所谓的“地球反照”。这其中包含了一部分地球植物反射到空间中的偏振光，而斯特尔兹克成功地区分出了信号中的植物反射光可见区。“用这种方式使用偏振光测定技术，简单直白得令人惊讶。”

斯特尔兹克还注意到了一些令他惊讶的东西。“我们在光谱的红光区域看到了比预计更多的偏振光。”落叶植物叶子的反射光落在光谱可见光区域和红外区域边界处的尤其多。这种所谓的“红际效应”就是一种潜在的生物信号。如果事实证明，光谱红际区域的偏振光效应也同样更强，那么，我们就有了另一种搜寻遥远行星植物的好方法。不过，我们还可以做得更好。就地球反照来说，我们必须扣除月球表面反射光信号产生的相关效应。在国际空间站里安上一个偏振计就能解决这个问题，但如果只是这样做，我们还是无法一次看到整个星球。“要想做到这点，就必须离开地球，从月亮上给我们地球拍个自拍。”荷兰莱登大学团队成员，参与探测DH Tau b偏振光信号的多拉·克林德兹克（Dora Klindzic）说。克林德兹克是地球不可分辨偏振光月球实验室（LOUPE）项目背后的推动者之一。2020年11月，她提出了自己的主要想法：在未来的月球任务中带去一个偏振计，并且让这个仪器在撞击月球表面时收集大量偏振光。LOUPE任务并不会产生精细聚焦的漂亮地球图片——就比如执行“阿波罗任务”的宇航员拍摄的那些著名照片，相反，这项任务只会把收集到的所有地球光全部汇聚到单个不可分辨的像素中。其背后的主要思想，是模拟我们收集到遥远系外行星星光时的场景。

邂逅月球

通过解码LOUPE项目收集到的偏振信号，我们就能把它们拿来同地球生物圈的已知类似特征做比较。这样一来，在我们把目光投向更广阔的宇宙中时，就能准确知道自己是在寻找哪种偏振生物信号。这种方式可能有助于我们区分光合作用细菌和传统植物反射的信号之间的差异——这是斯巴克斯和帕蒂都表示我们目前还做不到的事情。

位于智利北部阿塔卡马沙漠中的甚大望远镜

这个计划真正付诸实施的那天，我们应该也不会等待太久。“大概一年内，我们就能测试第一个原型。”克林德兹克说。近年来，无论是政府航天机构，还是私人航天公司，对月球这个天体的兴趣都越来越浓厚了。因此，偏振计有大把的机会搭顺风车。

另一个正在筹备中的大型项目就是极大望远镜。这件设备目前正在智利阿塔卡马沙漠中紧锣密鼓地筹建。它的主镜直径达到了惊人的39米——相较之下，甚大望远镜的主镜直径只有8.2米，并且将会装备下一代分光偏振计。范霍尔斯泰因说：“我绝对肯定，借助欧洲极大望远镜，完全有可能探测到类地系外行星，并且识别出它们的某些特征。”

“如此种种，都增添了我们研究地球生命——尤其是植物——如何令太阳光发生偏振的动力。一旦下一代望远镜投入工作，我们现在所做的一切就将收获丰厚回报。”克林德兹克说。这很可能预示着一个新时代的到来。届时，我们将掌握搜寻宇宙其他各处生命的能力，并且极有可能根据这类行动的结果回答那个经久不衰的问题：人类在宇宙中是否孤独？

资料来源 New Scientist