| 碳氢之星土卫六
Stephen Battersby 李茂全 译 Stephen Battersby揭开了土星最大的“月亮”上的居民们生活的秘密，那里寒冷彻骨，只有碳氢化合物可以喝。 下个星期卡西尼号飞船将飞临土卫六“泰坦”，届时它将进入一个我们从未探索过的领域，并且为我们填写这个太阳系地图尚存的最大空白。对于这颗土星最大的卫星我们所知甚少，就像中世纪的地图绘制者们在已知世界的边缘外面乱写乱画一样，我们想象这个我们并不了解的星球上有着大洲、海洋和山脉，甚至奇异的生物。烟雾缭绕的冰冷的泰坦上面可能真的有生命。Toby Owen说，“这是一个我们很难拒绝的诱人的假设”。Owen是位于火鲁奴奴的夏威夷大学天文研究所的天文学家、卡西尼小组成员。 泰坦具有两个生命可能偏爱的特征。那就是沸腾的有机化合物——建造生命分子的完美的材料，和浓密的保护性的大气层。泰坦是太阳系唯一拥有合格大气层的“月亮”，也是四个仅有的有着浓密大气层的岩石质星球之一，其他几个分别是地球、火星和金星。在某些方面，泰坦的大气层最像地球。它的大气主要由氮气组成，气压略高于地球。它上面甚至有云，只是这些云的成分是甲烷和其他碳氢化合物，而不是水。 一般认为泰坦的大气很像40亿年前地球刚刚诞生不久时的大气。很多太空生物学家渴望把它作为地球大气的原型去研究，希望能够发现在地球上出现生命以前，复杂有机分子是怎样产生的。尽管这很有趣，然而生命在这颗遥远星球上成长、繁衍和蠕动的可能性并不那么吸引人。 悲观主义者指出尽管泰坦有着大气和有机化学环境，但是对于生命而言也有很不利的因素。特别是上面的温度只有95K或者说-180℃左右，太过于寒冷。我们还不知道哪种生命可以在这个温度下存活。 但是生命有两种可能的办法克服这个困难。懦弱的办法就是潜伏到这个星球的深处。在许多公里厚的冰层深处，可能有一个液态的海洋包围着泰坦。据认为海水中大约含有15％的氨，这能使它在-30℃的温度下保持液态。计算机模拟表明，泰坦的岩石核心里面的放射性衰变放出的热量足以使这片可能有200公里深的海洋保持液态。 这片海洋非常寒冷而且绝对黑暗。氨使海水极具腐蚀性，pH值估计能够达到11。然而地球上就有这样的生命能够应付所有这些环境。有些细菌能够在pH值达到12的环境下茁壮成长，而且在南极有些其他细菌能够在-50℃下的盐水池中生存。 我们的生命概念非常狭窄。在其他星球上寻找类似地球上的生命可能是不明智的. 不管怎么说，泰坦的海底可能有孔口渗出或者喷涌出更热的液体。就像地球海床上大量的“黑烟囱”一样可以为生命提供栖息地。在地球上，那里的食物链从以孔口喷涌出的化学物质为食的细菌开始。没有理由认为泰坦上的火山活动不能提供类似的细菌的食物。在这个深度下光合作用对微生物没有什么意义。然而伦敦大学学院的Dominic Fortes计算出泰坦上这种稀薄的化学粥含有的能量能够供养的生物比木星的卫星——有着地下海洋的欧罗巴——要多。 与没有空气的木卫二“欧罗巴”相比，泰坦上的生命还有在第二个选择，它们可能不需要畏缩在深深的氨水庇护所下面。哈勃太空望远镜和设在波多黎各的阿雷西博(Arecibo)射电望远镜发现泰坦的部分表面上可能有液态乙烷。有些太空生物学家相信生命可能在泰坦的表面生存，在乙烷海洋上快乐的游泳。 这是一个有争议的观点。科罗拉多大学的Bruce Jakosky和巴黎第十二大学的Francois Raulin认为即使有着乙烷的海洋，生命还是无法在泰坦的表面上生存。他们争辩说极低的温度会使化学反应的速度变的非常慢。普通的有机反应可能需要上百万年或者更长的时间，那么每秒钟需要上万亿次有机反应的生命怎能生存？ 同样的问题也可以用来疑问地球上的生命。很多生命必不可少的化学反应实际上也很慢。它们依赖酶，酶可以抓住这些分子然后把它们放到正确的位置，从而加快了反应的速度。对于有些反应，酶能够把速度加快一万亿倍。会有超级酶润滑泰坦上面生命的车轮吗？Owen认为可以想象有些酶可以在非常低的温度下作用，把反应的速度加快到使生命成为可能。它们工作的比地球上的酶效率高的多。但是，根据佛罗里达大学的太空生物学家Steven Benner的看法，我们还不知道这种酶本身的产生过程是不是有什么限制。 有些地球细菌可以在泰坦大气中产生的那种复杂有机混合物中繁盛 Benner认为寒冷实际上也会对生命有利。“很明显，反应变慢了，但是有害的反应也变慢了。在地球上，生物系统受到限制，部分是因为不希望进行的反应进行的太快了”。 推测生命中的超级酶已经存在和工作，这倒也不坏。但是生命是怎么起源的呢？一个可能性是生命起源于泰坦还年轻和温暖的时候，也许那时泰坦的表面还有液态水，后来才逐渐适应于寒冷的温度。而Benner认为生命只有在地表冷却后才能开始，因为破坏性的反应和建设性的反应同样的都变慢了。对于活的生物体自我修复是可能的，但是对原始的生命，这却不可能。所以，低温并不是坏事。 更加不清楚的是生命怎样克服泰坦表面环境的另一个大障碍：缺水。所有地球上的生物都需要水作为溶剂使有机分子可以在其中移动和反应。在外星世界也是这样吗？很多太空生物学家认为无法想象有不需要水的怪异生物，因为我们没有任何这方面的证据。 但是其他一些人认为缺少证据正是为什么我们需要推测无水生物的原因（新科学家，2003年11月29日，第8页）。Owen说，“我们不得不承认我们周围能看到得生物实际上是同种物质的不同表现——同样的20种氨基酸，同样的遗传密码。所以我们的生命概念非常狭窄。在其他星球上寻找类似地球上的生命可能是不明智的。” 如果没有水，泰坦人用什么解渴呢？Benner认为乙烷可能可以作为生命需要的溶剂。没有人知道这种生物化学的细节。Owen推测这可能非常奇特。 在考虑泰坦表面上生物的可能性这点上Owen和Benner并不孤单。设在加州Moffett Field 的NASA艾姆斯研究中心的行星科学家Chris McKay领导的小组曾经在1997年声称在一块火星陨石里面发现了化石痕迹。他猜测这些生物可能食用碳氢化合物降雨。乙炔和乙烯等化学物质在泰坦的高层大气中由太阳发出的紫外线分解甲烷产生。微生物可能消化这种从天而降的食物，并且在这个过程中产生更多的甲烷。实际上，已经发现有地球细菌能够在泰坦大气产生的复杂有机物中繁盛。 生命的信号 尽管它们不是独角兽和喷火龙，但是产甲烷微生物仍将是令人激动的发现。它们将能解释泰坦大气的一个奇怪现象：首先是甲烷的存在。甲烷能够被紫外线破坏，所以大气中的甲烷在5千万年内会全部消失。一定有什么东西把甲烷泵到了大气中——可能是细菌。同样，也可能是地下的甲烷储备或者一种或者多种普通的化学过程。但是如果卡西尼发现了甲烷中碳同位素的不平衡，这将是一个说明甲烷来自于活的有机体的线索。 卡西尼那能穿透云雾的雷达将最终告诉我们泰坦表面是否有碳氢化合物池塘,证明有湖泊. 地球上的生物化学过程倾向于区别对待碳的两种同位素——碳-12和碳-13。即使是非常不同的生物几乎也都是这样。如果泰坦大气中的甲烷是细菌排放的副产物，它将会有一个较高的碳-12对碳-13的比率。卡西尼上一个叫做复合红外光谱仪的仪器将检测包括不同同位素分子辐射的红外线波长的细微差别。Owen说，“如果我们发现泰坦上的甲烷中碳-12对碳-13的比率比地球上的和陨星中的更高，这就将是一个线索，说明那里正在发生一些奇特的事情”。 卡西尼的探测器调查的另一件事情是大气中的氮气。海洋中的微生物可能通过分解甲烷排出氮气的方式生存，可能是这种方式产生了大气中的氮气。如果是这样，氮的同位素氮-14和氮-15的比率也将发生变化。 但是即使是卡西尼的的确发现了氮和碳同位素的变化，这也仅仅是生命存在的迹象。Owen说，“同位素的比例仅仅是迹象而不是确凿的证据。有些非生物学的过程也会影响同位素的比例”。我们能发现不那么含糊的生命的信号吗？Owen 认为这会是很困难的。我们将不得不寻找一些自然条件下不会产生的东西。首先我们必须知道泰坦上所有正在进行的化学反应，然后才可能发现有些奇怪的东西只有用生命才能解释。 卡西尼上的遥感设备还没有复杂到可以给出完整大气成分的程度，但是飞船上的一个旅客有这个能力。12月，卡西尼将释放惠更斯——一个菜锅形状的探测器，它设定在明年1月15日（参考图片）进入泰坦的大气层。惠更斯上面有一个质谱仪，将对泰坦大气作详细的化学分析。尽管如此，仍然难以了解我们要找的东西。如果泰坦上面真的有基于未知生物化学的外星生命，它们的迹象可能完全无法解释。 然而，有一个信号几乎是生命存在的确凿的证据。很多地球生物学中起作用的分子有两种形态，除了就像左右手一样互为镜像外它们完全相同。然而生命仅仅制造和使用其中一种形态。例如我们身体中的氨基酸除了一种以外全部是左手性的，糖分子全部是右手性的。当然可以在试管里合成左手性的糖，但是它们无法被消化。外星生物可能使用非常不同的分子，但是很可能每种分子都只会是一种手性。化学家们知道没有自然的、非生命的过程能够大量制造出一种手性的分子。所以发现特别的手性分子将会是生命存在的强有力的证据。 揭开面纱 卡西尼和惠更斯都没有能力从泰坦上挖起一块碳氢焦油然后分离复杂的分子测试它们的手性，这需要等待下一次任务，可能是20年或者30年以后的事情了。 在此之前，卡西尼需要发现是否真的有这些想象中的生命的栖息地。卡西尼那能穿透云雾的雷达将最终告诉我们泰坦表面是否有科学家们猜测的碳氢化合物池塘。通过绘制泰坦的地形图，卡西尼将使行星科学家们知道那里正在发生哪一种地质构造过程，他们将能分析出是否在冰壳下面真的有液态的海洋。 与此同时，我们仍然能梦想。火星仍然被普遍认为是太阳系中地球以外最有可能存在生命的候选者。尽管泰坦上不大可能存在微生物生命，但是无论能发现什么样的生物，相对地球生物而言，它们都将是无法想象的。 除了细菌外还会有别的生物吗？惠更斯探测器会发现把食乙炔的微生物当作食物的长触手怪物在巨大的乙烷海洋中冲浪吗？不是不可能，但是可能性非常低。即使热心的人也认为存在复杂的多细胞生物的可能性很低。McKay说，“地球上的复杂生命需要更多的由氧气提供的能量反应。泰坦上面不存在这个级别的能量反应”。尽管他指出这个观点是基于地球生命的。 从泰坦人的角度看，情况就很不同了。地球太炽热了、沐浴在强烈的太阳辐射中而且被有毒的水冲刷。没准在泰坦人版本的《新科学家》杂志上有人正在推测遥远的地球上生命存在的可能性。特别是如果当地的天文学家发现一个小小的金属流星正在接近他们的世界而且正在向内太阳系发出一束信号。 一群神秘的“月亮” 即使是泰坦也无法让土星其它冰冻的“月亮”们显得失色。我们已知超过30个“月亮”围绕着土星运转。这里光线暗淡但是充满了神秘。在它的土星之旅中，卡西尼把泰坦当作中转站，每次经过的时候都改变自己的轨道瞄向另外一个泰坦的姐妹。 其中一个将要被访问的是恩克拉多斯（Enceladus，土卫二），它的外表闪耀着明亮的白色，天文学家们相信它的表面几乎全部是纯水冰。不知何故这个“月亮”碰巧是在最近被霜冻了，或者辐射改变了冰的化学成分使它变暗了。最可能的猜测是喷泉或者恩西拉达斯上冰火山爆发。火山被某种内部的热源推动，可能是附近的狄俄涅（Dione，土卫四）的引力使它内部的固体成分扭曲变形产生的摩擦导致。如果冰火山有力到能把冰晶推出重力的束缚，它甚至有可能是土星黯淡模糊的E环的成因。 土星第三大卫星——伊亚佩特斯（Iapetus，土卫八）的神秘之处是它的“阴阳脸”。一面很明亮，另一面却是近乎黑色的深红色。可能是伊亚佩特斯捕获了菲比（Phoebe，土卫九）——距土星最远的卫星——被撞出的碎片，或者黑色物质来自内部。可能是伊亚佩特斯内部喷发出的甲烷被紫外线转变成的更复杂的碳氢化合物吗？ 一些土星的小卫星，直径从几千公里到几十公里，也表现出了一些非常奇怪的行为。杰纳斯（Janus，土卫十）和厄庇墨透斯（Epimetheus，土卫十一）经常交换轨道。其它的跟在它们更大的同伴后面，太阳系的其它地方看不到这种现象。还有一些牧羊卫星看管着冰粒，帮助土星维持它的环。有可能卡西尼将会发现新的有着无法预见的古怪特性的小卫星。 除了泰坦外，没有其他的土星卫星被认为可能存在生命。但是它们很少缺少出名的理由，甚至是很小的奇形怪状的许珀里翁（Hyperion，土卫七）在泰坦的引力的搅动下，自转也变得非常混乱。卡西尼将会告诉我们是否这里真的是一个没法制定历法的世界。
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