我們如何知道地球上是否存在生命？

文 / 王半山
三十年前，天文學家卡爾·薩根說服美國太空總署將一個經過地球的太空探測器的儀器用於尋找生命——其結果至今仍產生影響。亞歷珊卓·維茨Alexandra Witze發表在最新一期《自然》(Nature)的<我們如何知道地球上是否存在生命？這個大膽的實驗發現>( How would we know whether there is life on Earth? This bold experiment found out)指出，它的開始方式與許多發現一樣——某人內心深處好奇心的激發。這個人就是天文學家和通訊員卡爾·薩根。令人發癢的是美國太空總署伽利略號太空船的軌跡，該太空船於 1989 年 10 月發射升空，是第一個繞著木星運行的太空船。結果是 30 年前《自然》雜誌上發表的一篇論文改變了科學家在其他行星上尋找生命的想法。
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「從伽利略號太空船尋找地球上的生命」
報導說，這個機會源自於一場悲慘的意外。距離伽利略號發射約四年前的 1986 年 1 月，挑戰者號太空梭在升空後不久就爆炸，造成七人喪生。美國太空總署取消了利用另一架太空梭上的液體燃料火箭將伽利略號快速送往木星的計畫。相反，探測器是從軌道航天飛機上更溫和地釋放出來，任務工程師將其彈射到金星和地球周圍，這樣它就可以獲得重力推動，將其一路彈射到木星。
1990 年 12 月 8 日，伽利略號將掠過地球，距離地表僅 960 公里。他說服美國太空總署將太空船的儀器指向我們的星球。由此產生的論文標題為「從伽利略號太空船尋找地球上的生命」
這是我們第一次看到地球
我們處於一個獨特的位置，知道地球上有生命。在我們自己的家中測試我們是否能夠遠端辨別這一點，在當時是一個非凡的建議，因為我們對生命可能繁衍生息的環境知之甚少。「這幾乎就像是一篇論文中的科幻故事，」美國宇航局華盛頓總部天體生物學戰略高級科學家大衛·格林斯彭 (David Grinspoon) 說。「讓我們想像一下，這是我們第一次看到地球。」
它也發生在太陽系其他地方尋找生命的低潮時期。美國和蘇聯在 1960 年代和 1970 年代的機器人任務顯示，曾被認為是外來生物的避風港的金星，在其濃密的二氧化碳雲層下卻異常炎熱。天文學家想像中的「灌溉渠」縱橫交錯。火星看起來是一片貧瘠的荒地。1990 年，還沒有人知道木星衛星歐羅巴（伽利略第三次發現這項發現）或土星衛星土衛二上的埋藏海洋，這兩處現在都被視為外星生命的潛在搖籃。
澳洲和南極洲的高解析度影像沒有顯示出文明的跡象
紐約伊薩卡康奈爾大學卡爾薩根研究所所長、天體生物學家麗莎·卡爾特內格(Lisa Kaltenegger) 表示，至關重要的是，薩根和他的合作者故意採取了一種不可知論的方法來探測生命。「他當然想找到生命，每個科學家都這樣做，」她說。「但他說，讓我們帶著這個願望，更加謹慎——因為我們想找到它。」 用論文的話來說，生命的存在是解釋伽利略觀察到的現象的「最後手段」。
但儘管有這樣的懷疑，太空船還是達成了目標。當伽利略飛過頭頂時獲得的澳洲和南極洲的高解析度影像沒有顯示出文明的跡象。儘管如此，伽利略還是測量了地球大氣中的氧氣和甲烷，後者的比例顯示生物體造成了不平衡。它在地球反射的太陽光紅外光譜中發現了一個陡峭的懸崖，這是一個獨特的「紅色邊緣」，表明植被的存在。它接收到來自地表的無線電傳輸，這些無線電傳輸經過了精心設計。薩根的團隊相當厚顏無恥地寫道：「有充分的證據表明，這些信號是由地球上的一種智慧生命形式產生的。」
我們在宇宙中的位置存在生命的可能性
現任《自然》雜誌物理科學首席編輯卡爾‧齊梅利斯 (Karl Ziemelis ) 以菜鳥編輯的身份處理這篇論文。他說，這仍然是他最喜歡的文章之一，也是最難進入的文章之一。編輯部對這篇論文的認可遠非一致，因為它顯然沒有描述新的東西。但根據齊梅利斯的說法，這根本不是重點。「這是一項非常強大的控制實驗，當時很多人並沒有真正注意到這一點，」他說。
「雖然答案是已知的，但它深刻地改變了我們思考答案的方式，」卡爾滕內格說。她說，只有退後一步，將地球視為一顆與其他星球一樣的行星——也許蘊藏著生命，也許沒有——研究人員才能開始真正了解我們在宇宙中的位置以及其他地方存在生命的可能性。
非凡的主張需要非凡的證據
鑑於自伽利略飛越以來的發展，它呈現出新的重要性。1990 年，除了太陽之外，沒有任何行星繞著恆星運行。又過了兩年，天文學家才最終報告了第一顆圍繞旋轉死星（稱為脈衝星4 ）運行的「系外行星」 ，又過了三年，他們才發現了第一顆圍繞類太陽恆星51 Pegasi 運行的「系外行星」。如今，科學家已知有超過 5,500 顆系外行星，其中很少有看起來像太陽系中的任何行星。它們的範圍從具有奇異地質結構的「超級地球」、具有氣體大氣層的「迷你海王星」到「熱木星」，即靠近其熾熱恆星旋轉的巨大行星。
當薩根和他的同事將伽利略指向地球時，他們發明了一個科學框架來尋找其他星球上的生命跡象——此後這個框架滲透到了對此類生物特徵的每一次搜索中。卡爾滕內格仍然把薩根的論文交給她的學生，向他們展示它是如何完成的。她告訴他們，生命是另一個星球上看到不尋常的東西時得出的最後一個推論，而不是第一個推論。非凡的主張需要非凡的證據。
獲得正確的維持生命成分的組合是一項挑戰
這個教訓在今天顯得尤為重要，因為科學家們正處於強大的詹姆斯韋伯太空望遠鏡（JWST）發現的潛在革命性的、也許是極其令人困惑的發現的邊緣。望遠鏡剛開始對數十顆系外行星的大氣層進行遠程探索，尋找伽利略在地球大氣層中發現的同類化學不平衡現象。它已經發現了生物特徵的早期跡象，這可能會讓科學家和公眾誤入歧途。
例如，JWST 已經在至少一顆行星的大氣中嗅出了甲烷。這種氣體是地球上生命的強大標誌，但它也可能來自火山，不需要生命。氧氣引起了科學家的關注，因為它的大部分是由地球上的生命產生的，但它也可以透過光分解水或二氧化碳分子而形成。找到甲烷和氧氣的正確組合可能表明另一個星球上存在生命——但那個世界需要位於溫帶，不能太熱也不能太冷。卡爾特內格說，在有利於生命的環境中獲得正確的維持生命成分的組合是一項挑戰。
對於其他有趣的大氣氣體混合物也是如此。就在上個月，天文學家在篩選 JWST 數據時報告稱，在一顆名為 K2-18 b 的大型系外行星的大氣中發現了甲烷和二氧化碳。他們認為，地球表面可能有海洋覆蓋，並暗示檢測到了誘人的二甲硫醚，這種化合物在地球上來自浮游植物和其他生物體。
各大頭條新聞紛紛通報 K2-18 b 上可能有生命跡象。沒關係，二甲基硫醚的存在的報告可信度較低，需要進一步驗證。也不是說地球上其實沒有偵測到水。而且，即使有水，它也可能位於海洋深處，足以阻止所有可以維持溫和大氣的地質活動。
每塊證據都必須疊放在另一塊證據上
諸如此類的挑戰促使 NASA 前首席科學家吉姆·格林 (Jim Green) 在 2021 年提出了一個關於如何報告地球以外生命存在證據的框架。他認為，例如，從一到七的漸進等級可以幫助傳達特定發現中存在生命的證據等級。也許你得到了一個可能由生物活動產生的訊號——這只是量表上的一個訊號。您需要完成更多步驟，例如排除污染並獲取該訊號強度的獨立證據，然後才能達到 7 級並證明地球以外存在生命的真正發現。
這可能需要很長時間。望遠鏡可能會嗅出一種有趣的分子，科學家們會對此爭論不休。可能會再建造一座望遠鏡來了解觀測的背景。每塊證據都必須疊放在另一塊證據上，每一層砂漿都混合著許多科學家的論點、懷疑論和不可知論。這是假設另一個世界的生命與地球上的生命相似——這個假設是伽利略觀測得出的結論的基礎。「這種不確定性可能會持續數年或數十年，」格林斯彭說。1996 年去世的薩根一定會喜歡它。
「那就在這裡。那就是家。那是我們。」
伽利略觀測地球的同一年，薩根說服美國太空總署將另一艘太空船指向該機構未曾規劃的方向。當航海家一號在離開太陽系途中飛掠海王星時，它把相機轉回地球，拍攝到一個在陽光下閃閃發光的小斑點。正是這張標誌性的淡藍點圖像激發了薩根在 1994 年出版的書《淡藍點》中的思考：「那就在這裡。那就是家。那是我們。」
這個脆弱的閃閃發光的像素重塑了人類如何想像自己在宇宙中的位置。卡爾特內格說，使用伽利略號在地球上尋找生命也是如此：「這就是我們如何利用淡藍色圓點為在其他行星上尋找生命提供模板。」