泰坦是土星最大的衛(wèi)星土衛(wèi)六，是有機(jī)分子的溫床，孕育著復(fù)雜碳?xì)浠衔锏幕旌衔?，這些碳?xì)浠衔锉徽J(rèn)為在40億年前的原始地球上也有存在。然而，泰坦表面在零下179攝氏度處于深度凍結(jié)狀態(tài)，科學(xué)家所知道的生命不可能存在于泰坦寒冷的表面。在泰坦地下深處則是另一回事，美國(guó)宇航局卡西尼號(hào)宇宙飛船在飛行過(guò)程中進(jìn)行的重力測(cè)量顯示，泰坦冰蓋下有一片海洋、

在泰坦這片海洋中，可能存在適合生命生存的條件。由美國(guó)國(guó)家航空航天局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家，領(lǐng)導(dǎo)一個(gè)由美國(guó)國(guó)家航空航天局資助的研究小組，正在尋求更好地了解泰坦海洋中生命存在的可能性，以及它與泰坦大氣和表面有機(jī)分子之間可能存在的關(guān)系。泰坦豐富多樣的有機(jī)分子是太陽(yáng)紫外線照射的產(chǎn)物，紫外線與泰坦大氣中的主要?dú)怏w(氫、甲烷和氮)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。

由此產(chǎn)生的復(fù)雜碳?xì)浠衔锟赡苁巧M成部分，或?yàn)樯峁┗瘜W(xué)營(yíng)養(yǎng)，而在其海洋泰坦內(nèi)部，蘊(yùn)藏著這種生命的潛在棲息地。由噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的Rosaly Lopes領(lǐng)導(dǎo)，NAI團(tuán)隊(duì)的四個(gè)主要目標(biāo)是確定泰坦這些有機(jī)分子如何在大氣、表面和海洋之間運(yùn)輸，然后在海洋中發(fā)生什么過(guò)程使其適宜居住，然后海洋生物產(chǎn)生什么生物特征，最后這些生物特征如何運(yùn)輸回表面，在那里它們可以被檢測(cè)到。

泰坦衛(wèi)星項(xiàng)目探索計(jì)劃

到2023年4月為止，該項(xiàng)目已經(jīng)由印度國(guó)家自然科學(xué)研究院資助了5年。該項(xiàng)目圍繞有機(jī)分子和生物特征穿過(guò)大氣和海洋周?chē)鶎拥穆窂竭M(jìn)行組織。該團(tuán)隊(duì)目前有30名科學(xué)家分布在多個(gè)機(jī)構(gòu)，在每個(gè)目標(biāo)下，有幾個(gè)研究，每個(gè)研究有一個(gè)首席科學(xué)家。每一項(xiàng)研究都是按照時(shí)間表進(jìn)行，因此，對(duì)第一個(gè)目標(biāo)的研究（有機(jī)分子的運(yùn)輸）所產(chǎn)生的結(jié)果可以用于后續(xù)目標(biāo)研究?？茖W(xué)是沿著有機(jī)分子的路徑，從形成的大氣層頂部向下穿過(guò)地殼進(jìn)入海洋，如果那里發(fā)生了生物學(xué)現(xiàn)象，那么這些有機(jī)分子是如何回到地表并變得可見(jiàn)的。

目標(biāo)1：運(yùn)輸

該研究項(xiàng)目的初步科學(xué)成果來(lái)自康納·尼克松和在NASA戈達(dá)德團(tuán)隊(duì)，利用智利阿塔卡馬大型毫米/亞毫米陣列(ALMA)研究泰坦大氣的化學(xué)成分。準(zhǔn)確地知道在大氣中發(fā)現(xiàn)的分子種類(lèi)，使研究人員能夠建立一個(gè)全面的大氣光化學(xué)模型，為了解什么有機(jī)物能夠到達(dá)表面并可能進(jìn)入海洋奠定基礎(chǔ)?？茖W(xué)家對(duì)土衛(wèi)六大氣層的了解大多來(lái)自卡西尼號(hào)飛船，特別是CIRS紅外光譜儀。然而有些分子物種在紅外光譜中太微弱而不能被CIRS探測(cè)到，但是它們對(duì)ALMA來(lái)說(shuō)要亮得多。

科學(xué)家們特別提到了幾種氰化物分子，CH3CN、C2H3CN和C2H5CN，它們是阿爾瑪能夠探測(cè)到的泰坦大氣中關(guān)鍵含氮分子。同時(shí)，卡西尼號(hào)和阿爾瑪號(hào)還發(fā)現(xiàn)了更多種類(lèi)的分子。后者探測(cè)到微量有機(jī)氣體的空間變化，這些氣體是由太陽(yáng)紫外線分解甲烷和分子氮而產(chǎn)生。隨著這些微量氣體在大氣中向地表漂移，可以與其他有機(jī)分子發(fā)生反應(yīng)，形成越來(lái)越復(fù)雜的有機(jī)物。因此，所觀察到的空間變化可能會(huì)影響表面有機(jī)物的豐度和類(lèi)型，以及哪些有機(jī)物接近進(jìn)入亞表面的通道。

卡西尼號(hào)觀測(cè)土衛(wèi)六半年，從北方冬季到北方夏季，到現(xiàn)在卡西尼號(hào)的任務(wù)早已經(jīng)結(jié)束，阿爾瑪將能夠觀察土星和土衛(wèi)六剩余年份的大氣變化，以及有機(jī)分子豐度是如何變化的。例如，美國(guó)國(guó)家地質(zhì)調(diào)查局團(tuán)隊(duì)對(duì)卡西尼號(hào)數(shù)據(jù)的分析發(fā)現(xiàn)，泰坦平流層中的丙烷和丙基等C3Hx碳?xì)浠衔锎嬖诩竟?jié)性變化。作為目標(biāo)1的一部分，剩下的研究包括了解分子在析出大氣層后是如何穿過(guò)表面運(yùn)輸，這是康奈爾大學(xué)亞歷克斯·海耶斯(Alex Hayes)領(lǐng)導(dǎo)的一項(xiàng)任務(wù)，下一步是了解有機(jī)物在表面是如何被修飾的，然后它們是如何從表面移動(dòng)到海洋。

后一個(gè)問(wèn)題產(chǎn)生了一種令人驚訝的可能性。到目前為止，該項(xiàng)目的主要成果之一是來(lái)自德克薩斯州西南研究所的Kelly Miller, Hunter Waite和NAI團(tuán)隊(duì)成員Christopher Glein的研究，該研究提出泰坦的氮大氣來(lái)自于在泰坦形成時(shí)被困在泰坦內(nèi)部的有機(jī)分子，隨后這些氣體的加熱釋放出氮，并滲透到地表。研究表明泰坦內(nèi)部已經(jīng)有有機(jī)物可以從下面進(jìn)入海洋，所以即使有機(jī)物不能從表面進(jìn)入海洋，海洋仍然可以包含生命的構(gòu)建塊。這些有機(jī)物實(shí)際上可能是通過(guò)低溫火山作用滲透上來(lái)，這也為泰坦表面的一些有機(jī)物創(chuàng)造了一個(gè)可能的起源。

目標(biāo)2：宜居性

如果泰坦存在有機(jī)物穿過(guò)冰層從表面進(jìn)入海洋的途徑，那么下一步就是要弄清楚海洋，或者在通往海洋旅程中冰層中的任何地方，是否有可能適合人類(lèi)居住，這就是研究高壓、耐寒生物體生物學(xué)家們發(fā)揮作用的地方。在這之前，科學(xué)家需要對(duì)海洋有更多的了解，盡管卡西尼號(hào)通過(guò)重力測(cè)量證實(shí)了海洋的存在，但不知道海洋的確切組成，如密度，熱剖面，以及冰蓋的整體結(jié)構(gòu)。

為了更好地了解土衛(wèi)六泰坦海洋及其潛在的可居住性，科學(xué)家從幾種可能存在的合理成分入手，然后逆向研究，建立理論模型。盡管直接探索土衛(wèi)六泰坦的深層或海洋可能是不可能的，但科學(xué)家們打算利用理論建模和實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)來(lái)模擬可能的條件，以便更好地理解冰殼和海洋之間的界面，以及巖石內(nèi)核的海洋和這些界面上氧化劑和還原劑的流動(dòng)，這些界面可能支持微生物。

目標(biāo)3：生命生存

為了使生命能夠在泰坦海洋中或附近生存，必須有一種化學(xué)能量的來(lái)源來(lái)代謝。在目標(biāo)1和目標(biāo)2中所做的研究基礎(chǔ)上，科學(xué)家將研究有機(jī)物質(zhì)到達(dá)海洋的情況以及海洋環(huán)境，然后將能夠構(gòu)建理論模型，計(jì)算海洋中有多少能量可用，以及在這些條件下可能存在的代謝，從而判斷生命在那里存活的可能性。假設(shè)泰坦海洋是可居住的，有化學(xué)能源和健康的有機(jī)物供應(yīng)，高壓和低溫環(huán)境可能會(huì)限制那里可能存在的各種生命形式。

然而，科學(xué)家認(rèn)為一個(gè)合適的例子是乙炔桿菌，它可以依靠乙炔作為唯一的代謝能量和碳源生存?？茖W(xué)家的研究目標(biāo)是把乙炔桿菌作為模型生物，它可能存在于土衛(wèi)六的深層地下。將進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)，將乙炔桿菌等微生物置于上述理論模型所描述的模擬環(huán)境中，觀察微生物是否能在其中茁壯成長(zhǎng)，了解它們?nèi)绾芜m應(yīng)以生存，以及這些適應(yīng)可能產(chǎn)生何種新型生物分子。

這些生物分子可能會(huì)留下生物特征——生命的分子痕跡。然而，盡管土衛(wèi)六泰坦海洋中可能存在生命是很好的，但科學(xué)家還需要能夠通過(guò)生物特征探測(cè)到生命。因此，了解生命可能留下的生物標(biāo)志物是目標(biāo)3的第二部分，并將建立一個(gè)潛在生物特征數(shù)據(jù)庫(kù)，包括碳、氮和氧的同位素，以及細(xì)胞膜中的脂質(zhì)等生物結(jié)構(gòu)。

目標(biāo)4：檢測(cè)

當(dāng)然，如果這些生物特征仍然存在于土衛(wèi)六泰坦海洋中，就不可能從軌道或表面探測(cè)到。因此，最終目標(biāo)是尋找一種方法，通過(guò)這種方法，這些生物特征可以被運(yùn)送到海洋表面——這與目標(biāo)1探索有機(jī)物從海洋表面到達(dá)海洋的方式相反。主要運(yùn)輸方式可能是向上上升的對(duì)流冰(即較暖的泥狀冰)，或者可能是低溫火山作用。大氣中的甲烷會(huì)被紫外線破壞，所以必須有一些補(bǔ)充，而且可能還在排放毒氣。雖然還沒(méi)有在泰坦上發(fā)現(xiàn)活躍的低溫火山活動(dòng)，但已經(jīng)確定泰坦表面的幾個(gè)特征可能是低溫火山。

科學(xué)家們已經(jīng)在研究低溫火山作用運(yùn)輸物質(zhì)的理論方法，期待著當(dāng)目標(biāo)3的結(jié)果可用時(shí)。到地表的運(yùn)輸過(guò)程中也能創(chuàng)造適宜居住的環(huán)境。深層冰層，不僅指的是海洋，還指沿著有機(jī)物質(zhì)進(jìn)出冰層路徑上可能存在的儲(chǔ)藏庫(kù)。特別是在地表以下7到30公里的地方，在堅(jiān)硬、易碎的冰和更有韌性、更軟的冰之間的邊界上，溫度和壓力可能與南極洲地下2到3公里處的溫度和壓力有些類(lèi)似，在冰蓋冰粒之間可能存在微小的空間，在那里，乙炔桿菌等微生物可以茁壯成長(zhǎng)。比冰蓋更接近地表也意味著從這些地下生命口袋中得到的生物標(biāo)記物更容易到達(dá)地表。

當(dāng)生物特征在冰殼中上升時(shí)，遇到不同環(huán)境（液態(tài)水、淤泥狀冰和固態(tài)冰）將如何在化學(xué)上發(fā)生改變，從而影響在表面上所能探測(cè)到的東西。最后，一旦到達(dá)地表，未來(lái)的泰坦探測(cè)任務(wù)將如何探測(cè)到這些生物標(biāo)志物？科學(xué)家研究的最終目標(biāo)是描繪出土衛(wèi)六泰坦上潛在的生物圈，這樣科學(xué)家們就知道當(dāng)再次土衛(wèi)六泰坦時(shí)，應(yīng)該尋找什么，設(shè)計(jì)什么儀器來(lái)探測(cè)。這是科學(xué)家們的大目標(biāo)，試圖評(píng)估土衛(wèi)六泰坦是一個(gè)潛在的宜居系統(tǒng)，將創(chuàng)建一個(gè)潛在生物標(biāo)志物的列表，并試圖指出在火星表面的哪個(gè)地方，可能是尋找生命的好地方。

博科園｜研究/來(lái)自：美國(guó)宇航局天體生物學(xué)研究所

參考期刊《天體生物學(xué)》

博科園｜科學(xué)、科技、科研、科普