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      土衛二的冰下海洋理論上可孕育生命

      北京時間1月8日消息,據國外媒體報道,當NASA的旅行者1號探測器來到土星的衛星土衛二時,他們看到的是一個年輕、表面光潔、冰層覆蓋的星球。土衛二表面的有些部分比較古老,而且還有環形坑,但是在其他部分可以很明顯地看出地表有新近的活動。有明確的證據表明,土衛二的地質活動曾經較為活躍。而且土衛二也靠近土星E環,因此科學家們認為,土星E環中的物質可能來自于土衛二,進一步表明土衛二上存在地質活動。

      自此之后,我們已經對這顆冰雪覆蓋的星球有了更多的了解。幾乎可以肯定的是,在土衛二冰冷的地表下面,有一個溫暖的含鹽冰下海洋,使其成為尋找生命的一個主要目的地??ㄎ髂?惠更斯號探測器在土衛二的冰下海洋的羽流中檢測到了分子氫——微生物的一種潛在食物來源。這一發現,讓人們開始討論,土衛二上是否可能有生命存在。

      現在,一篇新的論文嘗試使用建模去弄明白土衛二上的化學物質。論文背后的研究團隊表示,土衛二上的地冰下海洋可能含有多種化學物質,或可孕育微生物群落。

      隨著在太陽系內其他星球上尋找生命的工作持續推進,土衛二也越來越具有潛力。土衛二是土星的第六大衛星,直徑約500公里。在冰封的地表下面,土衛二似乎隱藏著一個全球海洋。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物質。根據新的研究,這些化學物質或許可以通過數種途徑維持生命。

      圖為旅行者2號拍攝的土衛二表面照片。土衛二表面冰層覆蓋,部分冰層比較古老且帶有環形坑,而其他部分看上去更為年輕明亮,表明土衛二上存在地質活動。

      圖為旅行者2號拍攝的土衛二表面照片

      土衛二表面冰層覆蓋,部分冰層比較古老且帶有環形坑,而其他部分看上去更為年輕明亮,表明土衛二上存在地質活動。

      這篇論文題為“氧化過程使土衛二的代謝途徑多樣化”。論文的第一作者為德克薩斯大學圣安東尼奧分校的物理與天文學系博士學生克里斯汀·雷。雷也是西南研究所空間科學與工程部門的研究員。研究主要受到卡西尼在土衛二羽流中發現分子氫這件事的啟發。

      論文第一作者克里斯汀·雷說:“卡西尼號在羽流中發現的分子氫說明,土衛二的海洋中有可用的自由能。在地球上,好氧生物會消耗葡萄糖和氧氣等有機物質中的能量來產生二氧化碳和水。厭氧微生物可以代謝氫產生甲烷。所有生命,歸根結底,都可以簡化為,與氧化劑和還原劑化合物之間的不平衡狀態有關的化學反應。”

      雷提到的不平衡狀態可產生對生命至關重要的能量梯度。能量梯度允許生物體與所處環境進行能量交換。圍繞這些梯度的化學過程對生物的許多方面都非常重要,例如光合作用和呼吸。一個處于平衡狀態的系統不存在能量梯度,從而難以維持生命。

      當卡西尼號在土衛二的羽流中發現分子氫時,人們很容易聯想到地球上的深海熱泉。在這些熱泉口,氫為整個生態系統提供能源。人們進而馬上開始猜想,土衛二上是否也有類似的情況。

      不過,這篇新論文研究地更加深入。論文作者希望弄清楚,土衛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:“我們想知道,在土衛二的冰下海洋中,是否還有其他類型的代謝途徑可以提供能量來源。因為其他類型的代謝途徑會依賴一組我們在土衛二羽流中尚未發現的氧化劑。所以,我們嘗試用化學建模,來確定土衛二的海洋和巖芯中的環境是否支持這些化學過程。”

      渲染圖顯示了土衛二地殼的內部橫截面,展示了熱液活動如何使得地下海水噴出土衛二的表面。

      渲染圖顯示了土衛二地殼的內部橫截面,展示了熱液活動如何使得地下海水噴出土衛二的表面。

      對于土衛二和生命而言,能源的可用性至關重要。論文作者寫道,“可用于代謝反應的化合物必須以不平衡的濃度存在,這樣生物才能從環境中攝取能量,以促使系統達到平衡狀態。”

      卡西尼號讓我們知道,分子氫的存在,說明至少有一種代謝途徑。土衛二上已經有生成甲烷所必須的化學物。分子氫被二氧化碳氧化后,可生產甲烷。這種化學反應在地球上很常見,包括在我們的腸道里。

      由于土衛二附近沒有空間探測器,研究人員無法獲得他們所需的數據類型。所以,研究團隊選擇使用建模的方式來尋找答案。他們希望知道,土衛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,可能這些化學物質不在卡西尼號的檢測范圍內。

      卡西尼號拍攝的土衛二,在太陽的照耀下,可以看到邊緣南極地區噴射出的細煙羽。

      卡西尼號拍攝的土衛二,在太陽的照耀下,可以看到邊緣南極地區噴射出的細煙羽。

      這項研究真正關注的其實是能量與生物之間的關系。為了探索土衛二上,能量與生物之間的關系,論文作者主要側重兩個關鍵概念:化學親和力和能量通量。

      作者稱,化學親和力是指不同化學物質形成化合物的能力,也是“……代謝反應中可用自由能的數量”。能量通量“……可以決定在穩定狀態下,有多少生物量可以獲得支持”。其中大部分歸結于氧化劑。本質上,氧化劑的產生決定了生命可用能量的多少。

      論文作者希望對土衛二上的氧化劑生產過程進行建模,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”。

      為探索這些問題,他們對三種不同情況進行建模,如下圖所示:

      基于恒化器細胞培養物維持能量的需求,表格顯示了代謝氧化還原反應可支持的細胞總數。基于恒化器細胞培養物維持能量的需求,表格顯示了代謝氧化還原反應可支持的細胞總數。

      那么,研究人員從中發現了什么呢?

      他們發現,根據他們的模型,土衛二上也許可以產生足夠的氧化劑,為生命創造其他代謝途徑。表面的冰層可能會被能量瓦解,并釋放出氧化劑。這可以通過兩種方式發生。

      論文寫道:“我們已經證明,土衛二上輻射分解產生的氧化劑,可以導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,再加上地質活躍的虎紋狀地區冰層向海洋的移動,一共可以釋放9.4×10的15次方摩爾的氧氣和3.3x10的16次方摩爾的過氧化氫。”

      2015年,卡西尼號的數據顯示,土衛二南極區域的“虎紋狀”地貌可能是溫熱點。

      2015年,卡西尼號的數據顯示,土衛二南極區域的“虎紋狀”地貌可能是溫熱點。

      研究人員還發現,鉀的放射性同位素的衰變也可能產生氧化劑。

      “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生4.2x10的16次方摩爾的氧氣和1.4x10的15次方摩爾的過氧化氫。”

      雷在新聞稿中寫道:“我們將自由能估算值與地球上的生態系統進行了比較,隨后我們確定,總體而言,我們針對有氧代謝和無氧代謝所得到的值都滿足甚至超過了最低要求。這些結果表明,氧化劑生成和氧化化學作用或可有助于在土衛二上維持潛在的生命和具有代謝多樣性的微生物群落。”

      鉀同位素衰變產生的分子氫、分子氧和過氧化氫數量曲線圖。

      鉀同位素衰變產生的分子氫、分子氧和過氧化氫數量曲線圖

      結果本身已經足夠令人興奮。但還有更多驚喜。

      新論文的合作者亨特·韋特說:“現在,我們已經確定了微生物的潛在食物來源,下一個問題將是‘海洋中的復雜有機物是什么?’新的論文可以幫助我們深入了解,這樣一顆小衛星將如何以完全超出我們預期的方式孕育生命。”

      和針對其他外星世界的大量建模與研究一樣,這些結果雖然引人遐想,但也多少有些令人失望。我們只能等待下一次前往土衛二的發射任務,來確認或排除這些猜測。我們需要另一臺空間探測器,如果可以的話,最好配備更先進的儀器,直接穿過土衛二表面噴射出的羽流,搜集樣本并開展更多測量工作。

      土衛二上的“噴泉”

      土衛二上的“噴泉”

      論文的另一位合作者克里斯托弗·格萊茵博士說:“未來的探測器可以飛過土衛二的羽流,進而檢驗論文中,對于土衛二海洋中氧化化合物豐度的預測。雖然我們必須小心謹慎,但我們不妨想象一下,也許土衛二上有別樣的生命形式,可以利用土衛二上的基礎能源維持生存。”

      目前,針對土衛二的發射任務仍處于概念階段。NASA的“土衛二生命探測器”項目擬向土衛二發送一個太陽能軌道器。該生命探測器將繞土星運行,但會反復飛經土衛二的蒸汽羽流,進行測量。這個項目于2017年最早提出,但未被選中。不過,這個想法仍有實現的可能。

      土衛二上的羽流渲染圖。

      土衛二上的羽流渲染圖

      最后,論文作者在總結中寫道:“我們已經證明,除了生成甲烷之外,我們三種情況中的每一種好氧和/或厭氧反應,都能夠滿足地球生命對自由能的最低需求,并為土衛二上的細胞生命提供能量。”

      “因此,土衛二地下海洋和海底的放射性氧化劑生產以及氧化還原化學,能夠支持甲烷生成反應以外的代謝途徑,從而為土衛二海洋中的多樣化微生物群落提供存在可能性。”

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