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天文+生物 会擦出怎样的火花

2019-02-28 10:32来源:科技日报

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  在人们印象中,美国国家航空航天局(NASA)一向把目光投向深邃的宇宙。近日,它却爆出了一项生物学研究突破——由其资助的研究合成了一个类似于DNA的分子系统。这种分子系统能存储和传递信息。它虽然并不是一种全新的生命形式,却告诉正在寻找地外生命的科学家,生命在其他星球可能以另一种形式存在,需要重新思考他们正在寻找的东西。相关研究成果发表在2月21日出版的《科学》期刊上。

  天文学家与生物学的混搭似乎有些不寻常。实际上,生命探测是NASA行星科学任务日益重要的目标。搜寻类地行星和寻找地外生命,也正是天体生物学所关注的重点问题。那么,什么是天体生物学?寻找地外生命有哪些探测方法?目前国际上有哪些正在开展或酝酿中的相关探测计划?记者就此采访了相关专家。

  一个曾遭受批评的研究领域

  “地球上的生命到底从哪来?其他星球上是否有生命现象存在?碳基为主的生命,其存在的边界环境是怎样的?天体生物学试图去寻找这些问题的答案。”中科院国家天文台研究员平劲松日前在接受科技日报记者采访时说道。

  作为一个专有名词,“天体生物学”最早出现于上世纪40年代。1941年,加拿大布鲁克林学院的拉弗勒(L. J. Lafleur)在太平洋天文学学会的报告中首次提到了天体生物学。

  美国是天体生物学的发源地。上世纪60年代,美国的空间探索项目开展了对地外生命的探寻。1964年,NASA发射了“水手4号”火星探测器。

  作为第一个成功飞越火星的人类探测器,“水手4号”传回的火星表面照片令人震惊——布满坑洞的地表一片荒凉,没有植被,也没有文明存在的迹象。1976年,探测器“海盗”一号、二号先后登陆火星,它们在火星的现场实验发现火星的表面或近地表都没有生命的存在。

  接踵而至的坏消息,使得人们开始动摇。古生物学家乔治·盖洛德·辛普森就曾经批评天体生物学为“没有研究对象的科学”。经历了一段时间的沉寂后,上世纪90年代,有科学家提议 NASA 再次启动天体生物学研究项目。其间,天文领域一系列新的发现也极大地推动了天体生物学学科的正式建立。

  平劲松举例道, 1996年,科学家研究发现木卫二欧罗巴上存在液态水海洋,而水是生命存在的重要条件之一;还在火星陨石ALH84001中发现了可能与生物成因有关的磁铁矿。新的发现帮助人们重拾信心。

  随着研究的不断深入,天体生物学逐渐扩大为一个更为广阔的科学领域,形成了包括陆地微生物学、生命起源学、星际化学以及地球物理学等在内的交叉学科。

  香港大学地球科学系副教授李一良曾撰文指出,研究生命在宇宙中的起源、演化、分布和未来的天体生物学,是人类对地球上生命起源、演化的追问,对人类文明未来的思考,对环境变迁的忧虑,以及对空间和宇宙的探索。

  多种方式实现“眼见为实”

  回顾天体生物学发展的历程,不难发现其一路走来经历了各种起起落落。令该领域科学家感到振奋的是,2018年10月,美国国家科学院、工程院和医学院发布经美国国会授权的报告《寻找宇宙生命的天体生物学战略》。该报告建议拓展对宇宙生命的搜索,支持更广泛的生命信号和环境的研究,并将天体生物学纳入未来探索任务的所有阶段。

  对此,平劲松分析指出,在国家层面出台天体生物学研究计划,这在国际上还是首次,反映出美国对天体生物学的重视到了前所未有的高度。该计划将“寻找宇宙生命”写进题目中,意味着对其可能性的肯定。

  事实上,近年来,在天体生物学领域确实有一些令人激动的发现。2018年6月,NASA发布了两项关于火星的重要发现:“好奇”号漫游车在火星表面的沉积岩中发现了有机分子,说明火星可能曾存在远古生命;此外还发现火星大气中甲烷浓度存在季节性变化,或与现在的火星生命有关。

  如何寻找宇宙生命?正所谓“眼见为实”,直接发射空间探测器对目标天体进行观测、采样是探测方式之一。未来10—15年,美国计划发射4—5个空间探测器进行天体生物学研究。

  其中,“凯撒”探测计划以宇宙生命探测为核心目标,计划对67B彗星的慧核进行采样,采集80克的样本送回地球进行分析。“蜻蜓”探测计划则准备放几十个像蜻蜓一样的无人小飞行器在天体表面百公里范围之内进行大量采样和分析,寻找生命存在的迹象、水,以及可能的碳水化合物的分布特性。

  此外,美国还将与俄罗斯联合进行对金星的探测。在空中飞行的美国探测器,和着陆地面的俄罗斯探测器,将携手在金星的大气和土壤里面寻找可能的生命迹象。

  可想而知,发射空间探测器进行直接探测的成本高昂。在直接探测之外,还可以通过间接探测的方式开展天体生物学相关研究。平劲松介绍,在地面上利用天文望远镜对天体进行观测,通过分析观测到的光谱,可以测量彗星上有机分子的丰度、成分,以及固体行星表面挥发酚、有机分子的分布。同时,天体化学的一项重要工作,也是试图将有机分子逐步变成有机大分子的过程串联起来,解开生命起源的一些谜团。

  探寻生命存在的极限

  长期以来,科学家认为,地球生命所能承受的温度、压力等有着一个无法超越的上限,但并不确定边界到底在哪里。随着研究的不断深入,人们对生命形式的认知也在不断地被刷新。

  近日媒体报道称,“深碳观测站”项目的科学家在地表下方发现了一个规模庞大的微生物网络,由古细菌、细菌及原核生物构成。这些生物可承受惊人的温度,能够在毫无阳光、几乎不含营养物质的环境中以“僵尸状态”生存。

  据估算,这一地底生物圈的规模约为20至23亿立方公里,相当于海洋总体积的两倍。更令人惊讶的是,在如此极端的环境中,这群“僵尸”细菌以独特的方式不断演化,并坚持数百万年之久。

  生命力如此强大的微生物,是否也存在于其他星球呢?平劲松认为,过去人们对主宰地底生物圈的微生物的研究较少,随着对地球深层生命的进一步了解,将启发人们以全新的方式看待类地行星的宜居性,帮助回答地球上生命起源的过程,以及生命形式能否在其它星球的表面或地下存在。

  事实上,有科学家正在研究其他星球上存在微生物的可能性。2018年12月,美国地球物理学会年会上的一项研究报告称,火星上可能有大量的微生物聚集在地下,因为火星地下环境比地球深层生物圈更适合微生物居住。参与该项研究的科学家指出,火星上的地下岩石比地球上的岩石更加多孔,为微生物需要的养分和气体交换创造了空间。同时,火星的冷却核心虽然仍然是熔化的,但可以为生活在深部岩石中的微生物提供更合适的温度。

  在平劲松看来,对寻找外星微生物而言,火星地下层是一个特别有前景的地方。此前的研究,先后发现火星上存在卤盐水、地下水湖,以及火星两极冰帽含水。天体生物学根据对地球上生命的认识,确定了液态水、水—岩石相互作用是类地大行星微生物存在的一类充分条件。“在大型类地行星上,水和微生物的存在可能是天体演化的一个普遍现象”。(唐婷)

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