在金星上發現了證明生命存在的關鍵分子？

2020-09-15 原理



地球之外真的有生命嗎？這是一個我們一直想要知道，也努力在尋找答案的問題。當天文學家還在為火星上的甲烷能否作為生物特徵而爭論時，一項新的發現卻為天文學家帶來了新的爭論的課題：磷化氫（PH₃）能否作為尋找地外生命的化學特徵？


9月14日，天文學家宣布，他們利用夏威夷和智利的射電望遠鏡，在金星的大氣中探測到了磷化氫的光譜線。這是否意味著我們在金星上發現了生命的跡象？現在，還遠不到下結論的時候。正如卡爾·薩根所說：「 非凡的主張，需要非凡的證據。」


金星那麼熱，有適合生命生存的環境嗎？


太陽系，金星位於水星與地球之間。| 圖片來源：Wikipedia


金星通常被稱為地球的孿生兄弟，這顆與地球相鄰的行星在大小、質量和巖石組成上都與地球相似。但不同的是，地球是一顆宜居的星球，有溫和的海洋和湖泊，而金星對於任何生命來說都是一個非常嚴酷的環境。金星雖然也有著厚厚的大氣層，但其表面溫度可高到470℃，大氣壓強是地球海平面的90倍，令人窒息的金星大氣比地球上最乾燥的地方還要乾燥。


不過這次，新的研究在距離金星地表約50到60千米的大氣中探測到了磷化氫，這一部分的金星大氣相對溫和，有著可能適合生命生存的環境，其大氣壓強與溫度條件與地球地表有些相似。


磷化氫是一種什麼物質？


金星的藝術構想圖，圖中的小框顯示了在大氣層中檢測到的磷化氫分子。| 圖片來源：ESO / M. Kornmesser / L. Calçada & NASA / JPL / Caltech


在金星上發現的磷化氫是一種高活性、易燃、極臭的有毒氣體。磷化氫的原料是磷，在金星大氣中，磷是由前蘇聯的維佳探測器在上世紀70年代所探測到的，他們發現它以氧化分子P₄O₆的形式出現。


在地球上，磷化氫的唯一天然來源是生活在無氧環境中的微生物。地球上的微生物是通過「厭氧」過程產生的磷化氫的。我們可以在成堆的企鵝糞便、獾和魚的內臟中發現這種氣體，這種腐爛的「沼氣」能與大氣中的微粒發生反應。


如何確定探測到的是磷化氫？


夏威夷的JCMT望遠鏡所收集到的數據中，表明金星的大氣層中有磷化氫存在的跡象。| 圖片來源：W Montgomerie/JCMT/EAO


通常來說，研究人員可以使用光譜學來分析大氣中的氣體成分。光譜學會研究光如何與分子相互作用。當陽光穿過金星的大氣層時，每個分子都會吸收特定的顏色的光。利用地球上的望遠鏡，研究人員就可以將這些光分解成巨大的「彩虹」，而金星大氣中所存在的每種類型的分子，都會在「彩虹」中產生特定的黑色吸收線，就像可識別的特殊條形碼一樣。以CO₂為例，它會在光譜的紅外區域留下吸收線的痕跡。金星上的磷化氫是由射電望遠鏡ALMA和JCMT在毫米波波段探測到的。


此次分析還用到了什麼新技術？


可見光光譜中的顯示的黑色「條形碼」，這些條形碼代表著不同的原子和分子。| 圖片來源：N.A.Sharp, NOAO/NSO/Kitt Peak FTS/AURA/NSF


這次在金星上探測到磷化氫，不僅依賴於天文觀測結果，還得益於對這種分子的「條形碼」的更詳盡了解。研究人員利用計算量子化學，將目標分子輸入電腦中，再解出描述其行為的方程式，來預測分子在不同區域的條形碼的強度，對所有相關頻率上的磷化氫的條形碼進行了精確預測。再根據觀測數據，研究人員調整了他們的模型，為天文學家描繪出了168億條磷化氫條形碼。


這一技術原本是用於研究木星和土星，以及一些恆星和遙遠的像木星一樣的系外行星。直到最近，天文化學家發現，在小型的巖石系外行星上，磷化氫不應該以可被探測到的濃度的形式出現，除非那裡有生命存在。因此，在太陽系內的這顆紅色巖石行星上發現磷化氫後，天文學家將考慮或許我們可以直接向金星發送探測器，以直接尋找微生物了。


在行星上發現磷化氫意味著什麼？


具有惡臭和毒性的磷化氫分子，究竟是什麼產生的？| 圖片來源：NASA & MIT


地球大氣中的PH₃含量非常微小，它在大氣中的濃度在萬億分之幾（ppt）的數量級上，且非常容易在地球大氣的氧化過程中迅速被破壞。事實上，這種分子之所以能存在於地球大氣中，正是因為地球微生物會不斷地產生這種分子。因此，在巖石星球的大氣中發現磷化氫，可被認為是那裡有生命存在的潛在標誌。


不過，現在就斷言金星上的磷化氫與生命有關還為時尚早。在此之前，科學家也曾在木星和土星（氣態巨行星）上發現過磷化氫，但那裡並沒有生命的跡象。科學家們認為，這些磷化氫是在大氣深處的高壓和高溫下形成的，然後通過強烈的對流進入高層大氣。


還有其他過程能產生磷化氫嗎？


金星上的火山模擬。| 圖片來源：NASA-JPL


除了生命之外，閃電、雲層、火山和隕石撞擊都有可能產生一些磷化氫，但由這些過程產生的磷化氫，不足以與磷化氫在金星的高氧化性大氣中會受到的迅速破壞相抗衡。新研究發現，金星大氣中所含有的磷化氫含量要低於木星和土星（約4.8ppm，即百萬分之4.8），僅為20ppb（十億分之20），但仍高於地球含量。這是無法忽視的高濃度，目前，科學家所能夠想到的所有可在金星上製造磷化氫的化學過程，都無法給金星上的磷化氫濃度給出一個合理解釋。


是否可能由某種已滅絕的生物製造？


圖片來源：Wikimedia Commons


研究人員計算了金星上磷化氫的壽命，發現它們在被破壞之前的存在時間不超過1000年。所以一定有什麼東西在向大氣中不斷地補給磷化氫，才能達到探測到的濃度。如果可能產生這種氣體的是已經滅絕的生物，那它們的滅絕一定發生在不久之前。從行星的時間尺度來看，這種可能性顯然是很低的。



過去，天文學家也曾在金星的大氣層中發現過可能意味著與生命有關的分子存在，但這些分子除了與生命相關之外，還有無數種解釋可以描述它們為何存在。而這次，由於我們認為在巖石行星上，只有生命才有可能產生磷化氫分子，使得新的發現尤其令人興奮。


現在，一部分研究人員正在計劃前往金星，以求更好地研究金星的地質和構造，進而找到金星上是否有生命存在的確切證據。


參考來源：

https://ras.ac.uk/news-and-press/news/hints-life-venus

https://theconversation.com/life-on-venus-traces-of-phosphine-may-be-a-sign-of-biological-activity-146093

https://www.sciencenews.org/article/phosphine-gas-found-venus-atmosphere-possible-sign-life


封面圖參考來源：J. Greaves / Cardiff University & ESO / M. Kornmesser / L. Calçada & NASA / JPL / Caltech

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