你在太陽系住“幾環(huán)”？

12345csdms 2022-04-13

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原創(chuàng) 屈原皋環(huán)球雜志社 2022-03-10 09:30

這是美國國家航空航天局公布的“卡西尼”探測器近距離飛過土衛(wèi)二時拍攝的畫面

在城市里，人們用“身居幾環(huán)”來表述自己與城市中心的距離，也暗示著住所周邊環(huán)境的宜居性、交通的便利性，以及房價的段位等。在太陽系中呢？如果以生命宜居的條件或外星人存在的概率為劃分標準，“太陽系五環(huán)”該怎么劃呢？環(huán)內(nèi)外的主要星球又藏著怎樣的生命玄機呢？

“城市”中心：“太陽”

如果把太陽系比作一座城市，這座城市坐落在銀河系“獵戶旋臂”的一個小角落。太陽是城市的中心，發(fā)出光和熱，并依靠自身魅力（引力）吸引著這座城市的每一位成員（天體），按特定規(guī)則（軌道）有條不紊地運行。

約46億年前，太陽系從一團塵埃和氣體在引力的作用下逐漸坍縮，并在整體的轉(zhuǎn)動慣量下旋轉(zhuǎn)形成扁平圓盤狀結(jié)構(gòu)，大多數(shù)（99%以上）物質(zhì)聚集在圓盤中心形成“原恒星”。當(dāng)聚集和坍縮繼續(xù)進行達到某個臨界點時，氫原子開始核聚變形成氦并且釋放大量的能量，太陽開始發(fā)出它的光和熱，這座城市的“中心CBD太陽廣場”正式建成并對外運營。另外一部分剩余物質(zhì)未能聚集在中心變成太陽的一部分，而是逐漸聚集形成大量的碎片狀“微行星”，微行星相互碰撞聚集變得越來越大，最終變成行星。

太靠近城市中心的一環(huán)、二環(huán)，房價太高，“內(nèi)卷”太狠，并不宜居，而六環(huán)之外太過偏遠荒蕪，也不宜居。在太陽的溫度、輻射、太陽風(fēng)和引力的相互作用下，不同元素在太陽系的分布逐漸分異，重量級的元素留在“一環(huán)”到“四環(huán)”分別形成4個巖石質(zhì)行星：水星、金星、地球、火星。位于“五環(huán)”的小行星帶可以作為大致的分界線，輕量級的元素（氫為主）聚集在“五環(huán)”之外依次形成氣態(tài)巨行星：木星、土星、天王星、海王星，更偏遠處則是矮行星冥王星、彗星帶、柯伊伯帶、奧爾特云。

“三環(huán)”宜居區(qū)

以地球上的生命形態(tài)推測，生命的產(chǎn)生和生存需要具備以下幾個要素：適宜的環(huán)境保證液態(tài)水的存在，有機物的積累，以及物質(zhì)和能量的流通以保證生命代謝活動。

目前，地球是太陽系中唯一已知存在生命的星球。地球位于太陽系的“三環(huán)”，該地段距太陽不近也不遠，正好能維持水以液態(tài)的形式長期存在于星球表面。地球的質(zhì)量足夠大，能夠使內(nèi)部圈層持續(xù)運動而長期維持全球偶極磁場的存在，進而屏蔽太陽風(fēng)和宇宙射線對地球表面水的分解，有效防止地球上的水（氫）逃逸進入宇宙空間。因此，經(jīng)歷46億年的變遷，地球表面仍然有71%的面積被水覆蓋，平均水深3000多米。

生命的產(chǎn)生除了適宜的溫度和液態(tài)水，還需要有機物作為建造“生命大廈”的材料，地球早期的有機物可能有兩個主要來源：外來的和本地的。早期地球所在的內(nèi)太陽系經(jīng)歷了大量的天體撞擊，這些早期撞擊事件的證據(jù)由于地球表面滄海桑田般的各種地質(zhì)活動而被抹去，但月球表面密集的撞擊坑卻是這些撞擊事件很好的記錄。

天體撞擊可以讓大量的水和有機物到達地球，而天體撞擊本身的高能沖擊過程也可以把無機物合成有機物。大約在距今42億~38億年前的時間段，地月系統(tǒng)遭遇過大量密集的天體撞擊，被稱為“晚期重轟炸事件”。目前發(fā)現(xiàn)地球最早的生命證據(jù)出現(xiàn)在大約38億年前，這在時間上是巧合嗎？

除了外來的有機物，地球本地有些特殊環(huán)境也能把無機物合成為有機物，其中以熱液區(qū)為典型代表。在地球板塊俯沖帶或洋中脊地區(qū)，地殼板塊在擠壓、拉伸、彎曲等過程中產(chǎn)生大量裂隙形成海底火山，巖漿和海水作用發(fā)生“水巖反應(yīng)”。在此過程中，巖石中的二價鐵把水中的氫還原為氫氣，進而把海水中的溶解無機碳還原為小分子有機碳（比如甲烷）。這些小分子有機碳可以吸附在礦物表面形成更大的分子甚至有機膜，經(jīng)過包裹、折疊、組裝等過程形成囊泡狀的“原始細胞”，最終經(jīng)過漫長而復(fù)雜的演化形成最早的生命。這是地球生命起源的一種假說，按照這種假說，地球生命很可能最早起源于深海。

現(xiàn)代地球的板塊邊緣、俯沖帶和洋中脊海底也存在大量的熱液區(qū)，地殼深部的流體上涌形成“黑煙囪”。大量化能微生物以水巖反應(yīng)產(chǎn)生的氫氣、甲烷為美食，構(gòu)成食物鏈的基礎(chǔ)，與相對高等的生物，比如蝦、?？?、蟹、魚類共同構(gòu)成一個復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)，在這些看似暗無天日的深海悠然自得地生活。

“冰雪公主”的溫柔內(nèi)心

放眼太陽系，“五環(huán)”的小行星帶相當(dāng)于城鄉(xiāng)接合帶，在此之外的水多數(shù)以固態(tài)形式存在，因此這一條模糊的界線又被稱為“雪線”?！把┚€”之外看似冰天雪地、偏遠荒蕪，有沒有好地段適合生命的生存與繁衍呢？

“五環(huán)”外的這一片廣闊區(qū)域荒蕪之地，是氣態(tài)巨行星的地界。以目前人類的認知，巨行星主要由氫組成，還沒有發(fā)現(xiàn)具有生命存在的宜居環(huán)境，而巨行星的衛(wèi)星卻是類似地球的巖石質(zhì)星球，這些衛(wèi)星中有些表面被冰覆蓋，生命的秘密也許就藏在這些冰衛(wèi)星的內(nèi)部。

目前人類發(fā)現(xiàn)木衛(wèi)二、土衛(wèi)二具有典型的、以表面冰殼和冰下液態(tài)水為主的海洋，為什么在太陽系“雪線”之外如此低溫的環(huán)境，還存在大量有液態(tài)水的海洋？地球到太陽的距離是1個天文單位（1AU=1.496×108千米），木星和土星到太陽的距離分別是5.2 AU和9.6 AU，那么同樣的面積在木星和土星表面接收到太陽的能量分別是在地球表面的1/27和1/92，如此低的能量輸入應(yīng)該不能維持其周圍的冰衛(wèi)星上液態(tài)水的長期存在，因此木衛(wèi)二、土衛(wèi)二應(yīng)該有別的能量來源維持水的液態(tài)。

木星、土星有巨大的質(zhì)量，周圍有好幾十顆衛(wèi)星，衛(wèi)星的軌道參數(shù)差異很大。這些巨大而復(fù)雜的引力相互作用，產(chǎn)生潮汐力，木衛(wèi)二、土衛(wèi)二就像面粉被不斷地“揉搓”，內(nèi)部積累大量的熱量而保持活躍的地質(zhì)活動與圈層互動。木星的另一個衛(wèi)星木衛(wèi)一表面沒有被冰層覆蓋，因此可以觀測到現(xiàn)在仍然發(fā)生著活躍的火山地質(zhì)活動，這是木星的衛(wèi)星在引力潮的驅(qū)動下保持活力的典型證據(jù)之一。

木衛(wèi)二、土衛(wèi)二的表面由于被冰層覆蓋，不能直接觀測到海底的火山地質(zhì)活動。然而根據(jù)目前的觀測數(shù)據(jù)和理論模型，這兩個冰衛(wèi)星的冰下海洋底部存在火山活動引起的熱液區(qū)。熱液區(qū)很可能獨立演化出生命，甚至存在類似地球海底熱液區(qū)的復(fù)雜生態(tài)系統(tǒng)。

根據(jù)地球生命演化和地質(zhì)歷史來看，25億年前地球發(fā)生了大氧化事件，大氣出現(xiàn)稀薄的氧氣和臭氧層，表層海水被氧化，這之后真核多細胞生物開始出現(xiàn)；在距今6億~5億年前發(fā)生新元古氧化事件，大氣氧濃度進一步升高，深層海水也被氧化，復(fù)雜的生物開始快速演化（埃迪卡拉紀和寒武紀生命大爆發(fā)）。氧氣濃度是真核多細胞復(fù)雜生物的一個限制因素，氧化性的環(huán)境有利于復(fù)雜生命的產(chǎn)生和生存。

木衛(wèi)二、土衛(wèi)二的海底熱液可以給海水輸送還原性的流體，而表層的冰面在宇宙輻射和木星、土星磁層所捕獲的高能粒子輻射下，產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)而分解出氧化-還原對，還原性的氫逃逸到宇宙，而氧化性的物質(zhì)則隨著冰層的運動從表層進入底層的海水中。較熱的還原性流體從海底往上涌，較冷的含氧化性物質(zhì)的冰水從頂部冰蓋下降，氧化+還原性的物質(zhì)在海水中某些位置交匯，給生命的代謝提供良好的環(huán)境和能量供給。

圖為放置在海底的深海底部生物地球化學(xué)原位實驗系統(tǒng)

目前觀測到木衛(wèi)二表面有稀薄的氧氣，這也進一步顯示冰蓋下的海水可能是氧化性的，為其海底復(fù)雜生命的存在提供了環(huán)境條件和能量基礎(chǔ)。地外海洋的海底存在外星怪獸，不是沒有可能的。

因此，木衛(wèi)二、土衛(wèi)二這兩位“冰雪公主”冷若冰霜的外表下卻有顆“溫柔的內(nèi)心”，表面冰殼下的海洋中很可能存在孕育生命的宜居環(huán)境。

撥開迷霧看“巨人”

土星的另一個衛(wèi)星——土衛(wèi)六是太陽系中的一個另類，它作為土星的一個衛(wèi)星，居然比太陽系的行星——水星還要大。土衛(wèi)六的表面有稠密的大氣，主要含氮氣和有機物。因為地表溫度平均約為-179℃，所以土衛(wèi)六的表面具有類似地球的地形地貌，比如山脈、沙丘、河流、湖泊、海洋，然而這些地形地貌卻是由有機物在零下100多攝氏度的環(huán)境中形成的。

土衛(wèi)六也有大氣流動形成的風(fēng)和降雨、降雪，還有季節(jié)變化，這里的雨和雪是有機物在低溫環(huán)境形成的有機雨和雪。湖泊、海洋的面積隨季節(jié)變化而發(fā)生周期性變化。液態(tài)有機物的流動形成類似地球表面河流一樣的地表徑流，最后匯聚到有機物的海洋中。有些地區(qū)還會有大塊“浮冰”——低溫環(huán)境下，有機物的冰漂浮在有機物的海洋或湖泊中。某些區(qū)域存在類似地球干旱鹽湖形成的波痕構(gòu)造，說明土衛(wèi)六表面也有一些高蒸發(fā)地區(qū)。

土衛(wèi)六的有機冰層以下可能存在一個全球性的水冰和絡(luò)合物的圈層，而在這一圈層的更深處則是和木衛(wèi)二、土衛(wèi)二類似的，以冰下液態(tài)水為主的海洋。在這個海洋中很可能存在以引力所驅(qū)動的地質(zhì)活動而產(chǎn)生的熱液區(qū)，進而支撐類似地球海底熱液區(qū)的化能生物甚至生態(tài)系統(tǒng)。

由目前的觀測結(jié)果推測，土衛(wèi)六具備很好的宜居環(huán)境。如果土衛(wèi)六上存在生命，那么將可能有兩種生命形式：一是，土衛(wèi)六的冰下約55~80千米深處存在以水為主、含鹽和氨的液態(tài)海洋，這其中可能有生命。這種生命形式也可能存在于木衛(wèi)二和土衛(wèi)二。二是，土衛(wèi)六表面以液態(tài)烴類為主的海洋也可能存在生命，但它與地球上的生命形式完全不同，超出人類目前的認知。（作者單位：中國科學(xué)院深?？茖W(xué)與工程研究所地外海洋系統(tǒng)研究室）

來源：2022年3月9日出版的《環(huán)球》雜志第5期

總監(jiān)制：劉明執(zhí)行總監(jiān)制：陳澤偉

監(jiān) 制：樂艷娜責(zé)任編輯：張海鑫