北京時(shí)間 1 月 8 日消息，據(jù)國(guó)外媒體報(bào)道，當(dāng) NASA 的旅行者 1 號(hào)探測(cè)器來(lái)到土星的衛(wèi)星土衛(wèi)二時(shí)，他們看到的是一個(gè)年輕、表面光潔、冰層覆蓋的星球。土衛(wèi)二表面的有些部分比較古老，而且還有環(huán)形坑，但是在其他部分可以很明顯地看出地表有新近的活動(dòng)。有明確的證據(jù)表明，土衛(wèi)二的地質(zhì)活動(dòng)曾經(jīng)較為活躍。而且土衛(wèi)二也靠近土星 E 環(huán)，因此科學(xué)家們認(rèn)為，土星 E 環(huán)中的物質(zhì)可能來(lái)自于土衛(wèi)二，進(jìn)一步表明土衛(wèi)二上存在地質(zhì)活動(dòng)。

自此之后，我們已經(jīng)對(duì)這顆冰雪覆蓋的星球有了更多的了解。幾乎可以肯定的是，在土衛(wèi)二冰冷的地表下面，有一個(gè)溫暖的含鹽冰下海洋，使其成為尋找生命的一個(gè)主要目的地?？ㄎ髂?- 惠更斯號(hào)探測(cè)器在土衛(wèi)二的冰下海洋的羽流中檢測(cè)到了分子氫——微生物的一種潛在食物來(lái)源。這一發(fā)現(xiàn)，讓人們開始討論，土衛(wèi)二上是否可能有生命存在。

現(xiàn)在，一篇新的論文嘗試使用建模去弄明白土衛(wèi)二上的化學(xué)物質(zhì)。論文背后的研究團(tuán)隊(duì)表示，土衛(wèi)二上的地冰下海洋可能含有多種化學(xué)物質(zhì)，或可孕育微生物群落。

隨著在太陽(yáng)系內(nèi)其他星球上尋找生命的工作持續(xù)推進(jìn)，土衛(wèi)二也越來(lái)越具有潛力。土衛(wèi)二是土星的第六大衛(wèi)星，直徑約 500 公里。在冰封的地表下面，土衛(wèi)二似乎隱藏著一個(gè)全球海洋。這片海洋可能是溫暖的鹽海，并包含一些令人感興趣的化學(xué)物質(zhì)。根據(jù)新的研究，這些化學(xué)物質(zhì)或許可以通過(guò)數(shù)種途徑維持生命。

▲ 圖為旅行者 2 號(hào)拍攝的土衛(wèi)二表面照片。土衛(wèi)二表面冰層覆蓋，部分冰層比較古老且?guī)в协h(huán)形坑，而其他部分看上去更為年輕明亮，表明土衛(wèi)二上存在地質(zhì)活動(dòng)。

這篇論文題為 “氧化過(guò)程使土衛(wèi)二的代謝途徑多樣化”。論文的第一作者為德克薩斯大學(xué)圣安東尼奧分校的物理與天文學(xué)系博士學(xué)生克里斯汀 · 雷。雷也是西南研究所空間科學(xué)與工程部門的研究員。研究主要受到卡西尼在土衛(wèi)二羽流中發(fā)現(xiàn)分子氫這件事的啟發(fā)。

論文第一作者克里斯汀 · 雷說(shuō)：“卡西尼號(hào)在羽流中發(fā)現(xiàn)的分子氫說(shuō)明，土衛(wèi)二的海洋中有可用的自由能。在地球上，好氧生物會(huì)消耗葡萄糖和氧氣等有機(jī)物質(zhì)中的能量來(lái)產(chǎn)生二氧化碳和水。厭氧微生物可以代謝氫產(chǎn)生甲烷。所有生命，歸根結(jié)底，都可以簡(jiǎn)化為，與氧化劑和還原劑化合物之間的不平衡狀態(tài)有關(guān)的化學(xué)反應(yīng)。”

雷提到的不平衡狀態(tài)可產(chǎn)生對(duì)生命至關(guān)重要的能量梯度。能量梯度允許生物體與所處環(huán)境進(jìn)行能量交換。圍繞這些梯度的化學(xué)過(guò)程對(duì)生物的許多方面都非常重要，例如光合作用和呼吸。一個(gè)處于平衡狀態(tài)的系統(tǒng)不存在能量梯度，從而難以維持生命。

當(dāng)卡西尼號(hào)在土衛(wèi)二的羽流中發(fā)現(xiàn)分子氫時(shí)，人們很容易聯(lián)想到地球上的深海熱泉。在這些熱泉口，氫為整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)提供能源。人們進(jìn)而馬上開始猜想，土衛(wèi)二上是否也有類似的情況。

不過(guò)，這篇新論文研究地更加深入。論文作者希望弄清楚，土衛(wèi)二上的海洋是否還有其他有利于生命生存的代謝途徑。

雷說(shuō)：“我們想知道，在土衛(wèi)二的冰下海洋中，是否還有其他類型的代謝途徑可以提供能量來(lái)源。因?yàn)槠渌愋偷拇x途徑會(huì)依賴一組我們?cè)谕列l(wèi)二羽流中尚未發(fā)現(xiàn)的氧化劑。所以，我們嘗試用化學(xué)建模，來(lái)確定土衛(wèi)二的海洋和巖芯中的環(huán)境是否支持這些化學(xué)過(guò)程?！?/p>

▲ 渲染圖顯示了土衛(wèi)二地殼的內(nèi)部橫截面，展示了熱液活動(dòng)如何使得地下海水噴出土衛(wèi)二的表面。

對(duì)于土衛(wèi)二和生命而言，能源的可用性至關(guān)重要。論文作者寫道，“可用于代謝反應(yīng)的化合物必須以不平衡的濃度存在，這樣生物才能從環(huán)境中攝取能量，以促使系統(tǒng)達(dá)到平衡狀態(tài)?！?/p>

卡西尼號(hào)讓我們知道，分子氫的存在，說(shuō)明至少有一種代謝途徑。土衛(wèi)二上已經(jīng)有生成甲烷所必須的化學(xué)物。分子氫被二氧化碳氧化后，可生產(chǎn)甲烷。這種化學(xué)反應(yīng)在地球上很常見(jiàn)，包括在我們的腸道里。

由于土衛(wèi)二附近沒(méi)有空間探測(cè)器，研究人員無(wú)法獲得他們所需的數(shù)據(jù)類型。所以，研究團(tuán)隊(duì)選擇使用建模的方式來(lái)尋找答案。他們希望知道，土衛(wèi)二上是否有除二氧化碳以外的氧化劑存在，可以為生命提供其他的代謝途徑，可能這些化學(xué)物質(zhì)不在卡西尼號(hào)的檢測(cè)范圍內(nèi)。

▲ 卡西尼號(hào)拍攝的土衛(wèi)二，在太陽(yáng)的照耀下，可以看到邊緣南極地區(qū)噴射出的細(xì)煙羽。

這項(xiàng)研究真正關(guān)注的其實(shí)是能量與生物之間的關(guān)系。為了探索土衛(wèi)二上，能量與生物之間的關(guān)系，論文作者主要側(cè)重兩個(gè)關(guān)鍵概念：化學(xué)親和力和能量通量。

作者稱，化學(xué)親和力是指不同化學(xué)物質(zhì)形成化合物的能力，也是 “…… 代謝反應(yīng)中可用自由能的數(shù)量”。能量通量 “…… 可以決定在穩(wěn)定狀態(tài)下，有多少生物量可以獲得支持”。其中大部分歸結(jié)于氧化劑。本質(zhì)上，氧化劑的產(chǎn)生決定了生命可用能量的多少。

論文作者希望對(duì)土衛(wèi)二上的氧化劑生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行建模，原因有二：“1）限制海洋中重要的代謝氧化劑的濃度和通量，以及 2）確定這些額外的代謝途徑是否可以為生命提供足夠的能量”。

為探索這些問(wèn)題，他們對(duì)三種不同情況進(jìn)行建模，如下圖所示：

▲ 基于恒化器細(xì)胞培養(yǎng)物維持能量的需求，表格顯示了代謝氧化還原反應(yīng)可支持的細(xì)胞總數(shù)。

那么，研究人員從中發(fā)現(xiàn)了什么呢？

他們發(fā)現(xiàn)，根據(jù)他們的模型，土衛(wèi)二上也許可以產(chǎn)生足夠的氧化劑，為生命創(chuàng)造其他代謝途徑。表面的冰層可能會(huì)被能量瓦解，并釋放出氧化劑。這可以通過(guò)兩種方式發(fā)生。

論文寫道：“我們已經(jīng)證明，土衛(wèi)二上輻射分解產(chǎn)生的氧化劑，可以導(dǎo)致海洋中氧化還原失衡，從而為潛在生命提供能量。地表冰層的輻射分解，再加上地質(zhì)活躍的虎紋狀地區(qū)冰層向海洋的移動(dòng)，一共可以釋放 9.4×10 的 15 次方摩爾的氧氣和 3.3x10 的 16 次方摩爾的過(guò)氧化氫?！?/p>

▲ 2015 年，卡西尼號(hào)的數(shù)據(jù)顯示，土衛(wèi)二南極區(qū)域的 “虎紋狀”地貌可能是溫?zé)狳c(diǎn)。

研究人員還發(fā)現(xiàn)，鉀的放射性同位素的衰變也可能產(chǎn)生氧化劑。

“海洋中，鉀同位素原子衰變所釋放的電子和伽馬射線可直接在海洋中再產(chǎn)生 4.2x10 的 16 次方摩爾的氧氣和 1.4x10 的 15 次方摩爾的過(guò)氧化氫?！?/p>

雷在新聞稿中寫道：“我們將自由能估算值與地球上的生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行了比較，隨后我們確定，總體而言，我們針對(duì)有氧代謝和無(wú)氧代謝所得到的值都滿足甚至超過(guò)了最低要求。這些結(jié)果表明，氧化劑生成和氧化化學(xué)作用或可有助于在土衛(wèi)二上維持潛在的生命和具有代謝多樣性的微生物群落?！?/p>

▲ 鉀同位素衰變產(chǎn)生的分子氫、分子氧和過(guò)氧化氫數(shù)量曲線圖。

結(jié)果本身已經(jīng)足夠令人興奮。但還有更多驚喜。

新論文的合作者亨特 · 韋特說(shuō)：“現(xiàn)在，我們已經(jīng)確定了微生物的潛在食物來(lái)源，下一個(gè)問(wèn)題將是‘海洋中的復(fù)雜有機(jī)物是什么？’新的論文可以幫助我們深入了解，這樣一顆小衛(wèi)星將如何以完全超出我們預(yù)期的方式孕育生命?！?/p>

和針對(duì)其他外星世界的大量建模與研究一樣，這些結(jié)果雖然引人遐想，但也多少有些令人失望。我們只能等待下一次前往土衛(wèi)二的發(fā)射任務(wù)，來(lái)確認(rèn)或排除這些猜測(cè)。我們需要另一臺(tái)空間探測(cè)器，如果可以的話，最好配備更先進(jìn)的儀器，直接穿過(guò)土衛(wèi)二表面噴射出的羽流，搜集樣本并開展更多測(cè)量工作。

▲ 土衛(wèi)二上的 “噴泉”

論文的另一位合作者克里斯托弗 · 格萊茵博士說(shuō)：“未來(lái)的探測(cè)器可以飛過(guò)土衛(wèi)二的羽流，進(jìn)而檢驗(yàn)論文中，對(duì)于土衛(wèi)二海洋中氧化化合物豐度的預(yù)測(cè)。雖然我們必須小心謹(jǐn)慎，但我們不妨想象一下，也許土衛(wèi)二上有別樣的生命形式，可以利用土衛(wèi)二上的基礎(chǔ)能源維持生存?！?/p>

目前，針對(duì)土衛(wèi)二的發(fā)射任務(wù)仍處于概念階段。NASA 的 “土衛(wèi)二生命探測(cè)器”項(xiàng)目擬向土衛(wèi)二發(fā)送一個(gè)太陽(yáng)能軌道器。該生命探測(cè)器將繞土星運(yùn)行，但會(huì)反復(fù)飛經(jīng)土衛(wèi)二的蒸汽羽流，進(jìn)行測(cè)量。這個(gè)項(xiàng)目于 2017 年最早提出，但未被選中。不過(guò)，這個(gè)想法仍有實(shí)現(xiàn)的可能。

▲ 土衛(wèi)二上的羽流渲染圖。

最后，論文作者在總結(jié)中寫道：“我們已經(jīng)證明，除了生成甲烷之外，我們?nèi)N情況中的每一種好氧和 / 或厭氧反應(yīng)，都能夠滿足地球生命對(duì)自由能的最低需求，并為土衛(wèi)二上的細(xì)胞生命提供能量?！?/p>

“因此，土衛(wèi)二地下海洋和海底的放射性氧化劑生產(chǎn)以及氧化還原化學(xué)，能夠支持甲烷生成反應(yīng)以外的代謝途徑，從而為土衛(wèi)二海洋中的多樣化微生物群落提供存在可能性?！?/p>