四种隐秘的信号，可能提供外星生命的线索

随着韦布空间望远镜（JWST）升空，探索系外行星的研究领域正悄然发生变化。

毫无疑问，我们很快就将得以深入了解太阳系以外的那些可能与地球类似的岩质世界的情况。或许某一个这样的遥远世界上会有生命存在。但问题是，我们能探测到它吗？

我们也许能够从行星的大气成分中发现生命的迹象。我们可以使用一种能够将光按波长划分的名为透射光谱术的技术，寻找星光通过行星大气层时不同气体可能留下的踪迹。

一些吸收星光的气体可以告诉我们，这颗星球上有可能存在着生命，这些就被称为生物特征。以下就是四种最具代表性的潜在生物特征。

1. 氧气和臭氧

氧气或许是最显而易见的生物特征之一了。植物制造氧气，我们呼吸氧气。岩石记录显示，随着生命的演化，地球大气层中的氧气水平发生了巨大的变化。我们所呼吸的氧气是 O ，也就是两个氧原子 " 粘 " 在一起。但是氧还可能构成另一种结构，也就是 O 或者叫臭氧，我们同样可以借助 JWST 对臭氧进行观测。

那么，如果我们检测到这类气体，工作就完成了吗？并不是这样。另一种可能产生大量大气氧气的情况是，一颗星球正在经历 " 来势汹汹的温室效应 "。一旦一颗星球热到足以让水海洋蒸发，大气中产生的水蒸气就会导致温室效应，这会将星球过度加热到无法兼容生命的水平，并形成一种反馈循环。

最终，这颗星球将变得非常热，以至于水分子会分解成氢和氧。氢分子很轻，可以快速移动，足以轻松地逃脱星球的引力，而更慢吞吞的氧往往会留在那里，随时准备被探测到，从而 " 欺骗 " 那些毫无戒心的天文学家。

2. 膦和氨

目前寻找生命的重点可能主要放在了系外行星上，但最近也有一些离家更近的进展。膦是一种在氢为主的大气中会自然出现的化合物，比如木星和土星那样的气态巨行星的大气中。

然而，它最近也在金星的大气中被疑似探测到。有趣的是，膦被认为是一种潜在的生物特征。在地球上，膦是由微生物产生的，比如动物肠道中。 根据这样的认知，如果没有生命存在，我们就不会预期在类似金星那样的大气中，会有大量的膦存在，因为金星大气的主要成分是二氧化碳。也就是说，如果金星的大气中真的有膦，我们就不能排除膦可以有其他来源。

有臭味的氨是另一种潜在的生物特征气体，也是由地球上的动物产生的。与膦一样，它在气态巨行星上很普遍，但在没有生命的情况下，通常被认为不会出现在岩质世界上。

然而，在遥远的系外行星的大气中探测膦或氨可能极具挑战性。两者在地球上的浓度都很低，大约只有十亿分之几。因此，除非那些可能存在的 " 外星生物 " 比地球动物要臭得多，否则我们可能不会轻易发现他们。

3. 甲烷加二氧化碳

能够成为明确的生物特征的单个气体其实并不多，所以，如果我们想探测生命，可能最好寻找一种成功的组合。

在地球上，有大量甲烷是由动物放屁产生的。甲烷再加上二氧化碳，就成了一种很好的提示，这个组合可以说明有一些事情正在发生。

如果有足够的氧气，那么碳更愿意以二氧化碳（CO ，一个碳原子和两个氧原子）的形式与氧气相处，而不是形成甲烷（CH ，一个碳原子和四个氢原子）。在富氧环境中，任何碳 " 发现 " 自己在甲烷分子中时，都会迅速抛弃它的氢伙伴，而选择几个多余的氧原子。

当条件允许时，碳更倾向于和氧结合。（图／Joanna Barstow, The Conversation）

因此，看到大量甲烷和二氧化碳共存，或许暗示着有什么东西正不断生产着甲烷，也许就是细菌。

4. 化学不平衡

我们可以将上述论点应用在任何不应该 " 愉快 " 共存的气体组合中。生命破坏了原本环境的化学平衡，因为它要借助化学反应来产生能量。

在地球上，氧气被转化成了二氧化碳，但在不同类型的大气中，有不一样的化学物质可用，生命也可能使用不同过程来实现同样的目标。例如，生活在地球海洋深处热液喷口周围的产甲烷菌，从矿物和化合物中获取化学能量。

寻找不平衡，让我们能够对其他地方的生命可能是什么样子抱有一种开放的心态。

如果我们发现外星生命的信号会怎样？

JWST 已经远远超出了我们对系外行星大气层观测的预期。尽管它已经如此强大，但是要使用透射光谱来研究温度温和、大气层以氮气或二氧化碳为主的岩质行星，仍是非常大的挑战。来自这些行星的信号，很可能比我们在热气态巨行星大气中成功观测到的信号要弱得多。

如果我们有幸在一颗岩质系外行星的大气层中观察到吸收星光的气体，比如著名的TRAPPIST-1e，我们还要测量这些气体的含量，才能得出有意义的结论。这并不简单，因为信号可能会重叠，所有细节都需要仔细地加以区分。

TRAPPIST-1e 的艺术家畅想图。（图／NASA, JPL-Caltech）

即使我们真的探测到并准确测量了一种可能的生物特征气体，这仍有可能离探测到外星生命还有千里之遥。

JWST 只是刚刚打开了一个新的、丰富的行星大气实验室，随着探索的深入，我们甚至有可能发现，先前的许多假设其实都是错误的。

人们往往在发现一些不寻常的东西时，就倾向于拿外星人当结论，这其实相当幼稚。JWST 的生物特征检测将是一种有趣的提示。但对天文学家而言，这已经足够令人兴奋了。