不同時(shí)間的生物特征和大氣氣體可能是探測系外行星生命的兩種可能方式。尋找其他行星上可能存在的任何生命都是極具挑戰(zhàn)性的。即使在太陽系里，我們可以把探測器和軌道探測器送到火星等感興趣的星球上，也很難評估是否有微生物存在或曾經(jīng)存在過。在研究系外行星的時(shí)候，我們只能看到穿過行星大氣層的星光，希望它能顯示出生命產(chǎn)生的氣體的吸收或發(fā)射線。
不同時(shí)間的生物特征和大氣氣體可能是探測系外行星生命的兩種可能方式。尋找其他行星上可能存在的任何生命都是極具挑戰(zhàn)性的。即使在太陽系里，我們可以把探測器和軌道探測器送到火星等感興趣的星球上，也很難評估是否有微生物存在或曾經(jīng)存在過。在研究系外行星的時(shí)候，我們只能看到穿過行星大氣層的星光，希望它能顯示出生命產(chǎn)生的氣體的吸收或發(fā)射線。
對可居住的外行星印象概念圖，季節(jié)性的變化和這種行星大氣中不平衡氣體的存在可能表明那里存在生命。圖片：NASA Ames/SETI Institute/JPL-Caltech
博科園-科學(xué)科普：對系外行星大氣的詳細(xì)分析仍然主要是在未來的望遠(yuǎn)鏡領(lǐng)域。如詹姆斯韋伯太空望遠(yuǎn)鏡(JWST)，但理解尋找什么是在其他行星上尋找生命的重要一步。氧是由光合作用產(chǎn)生，通常被認(rèn)為是其他星球上潛在的生物特征，盡管氧也可能由非生物來源產(chǎn)生。同樣甲烷是由生命產(chǎn)生，是一種潛在的生物標(biāo)志物，但也可以通過其他方式產(chǎn)生?，F(xiàn)在兩篇最近的論文討論了通過研究生命如何影響行星大氣來尋找生物特征的新方法。
加州大學(xué)河濱分校(University of California, Riverside)的斯蒂芬妮·奧爾森(Stephanie Olson)及其同事發(fā)表了一篇論文，探討了由生命引起的大氣季節(jié)性變化是如何被用作生物特征的。第二篇論文由華盛頓大學(xué)的Joshua Krissansen-Totton、Olson和David Catling共同撰寫，研究了大氣氣體產(chǎn)生的潛在生物特征，這些氣體只能在生命存在的情況下共存。
一顆系外行星發(fā)出的隨時(shí)間而變化的信號，比如隨季節(jié)的變化，可能有助于排除單一快照觀測中出現(xiàn)的假陽性或陰性結(jié)果。通過了解大氣氣體在地球上一年中是如何變化的，將幫助科學(xué)家了解在其他行星上尋找什么信號。與其簡單地認(rèn)識到一顆行星承載著生命，我們或許還能說一說它的生物圈在空間和時(shí)間上是如何變化的。地球大氣中的季節(jié)性是由于生物圈和不同太陽輻射在其軌道的不同點(diǎn)到達(dá)地球之間相互作用而產(chǎn)生。
在尋找可能適合居住行星大氣中存在氧氣的過程中，臭氧是氧氣的替代物。圖片：Lynette Cook
季節(jié)變化改變了兩種不同反應(yīng)之間的平衡：光合作用和有氧呼吸。光合作用發(fā)生時(shí)，二氧化碳和水發(fā)生反應(yīng)，變成有機(jī)物和氧氣，而有氧呼吸引起相反的反應(yīng)，產(chǎn)生二氧化碳和水。最大量氧氣產(chǎn)生于夏季溫暖的月份。研究人員檢測了地球上二氧化碳的季節(jié)性變化，這一信號可以在其他行星上檢測到，假設(shè)其他地方的生命也是以碳為基礎(chǔ)的。由于二氧化碳通過風(fēng)化作用在氣候調(diào)節(jié)中所起的作用，它是宜居世界上一個(gè)重要的大氣成分。
季節(jié)性的二氧化碳(CO2)信號將由陸地生態(tài)系統(tǒng)主導(dǎo)，而陸地生態(tài)系統(tǒng)與大氣直接接觸，這表明在海洋世界可能無法檢測到二氧化碳的變化。這是在地球上看到的，在地球上，以海洋為主導(dǎo)的南半球的二氧化碳變化信號比北半球弱。二氧化碳的季節(jié)性在其他行星上很難探測到，但它是生命存在的有力標(biāo)志，因?yàn)槌怯猩嬖?，否則在有海洋的行星上不太可能發(fā)生。還觀察了一顆系外行星的情況，這是一種類似于早期地球的情況。早期地球存在生命，但大氣中仍然只有很少的氧氣。
微弱的氧信號很難探測，但不同的臭氧特征(臭氧是由三個(gè)氧原子組成的分子)可能在系外行星的光譜中更明顯。這樣的信號更有可能被一個(gè)比現(xiàn)在地球的含氧量更少的行星探測到，因?yàn)槌粞醣妊醍a(chǎn)生的信號更強(qiáng)。對于一顆類似于今天地球的行星來說，季節(jié)性是很難探測到的，至少在氧氣的情況下是這樣，原因是今天的氧氣基線水平非常高，所以在我們的行星表面測量微小的季節(jié)性波動(dòng)是非常困難的，在遙遠(yuǎn)的行星上更是如此。
Krissansen-Totton、Olson和Catling也模擬了早期的地球大氣，但這次是在尋找不平衡的特征，這意味著如果沒有一些活躍的過程，比如生命，這些氣體就不可能存在于大氣中。地球今天有一個(gè)大的大氣不平衡，但他們計(jì)算出自從地球上有生命形成以來就存在一個(gè)不平衡，不平衡的演化是隨著大氣中生物氧的增加而發(fā)生。在太古宙(40 ~ 25億年前)，二氧化碳、氮、甲烷和液態(tài)水共存存在不平衡，這些水通常會(huì)反應(yīng)生成銨和碳酸氫鹽，迅速將甲烷從大氣中移除，而沒有生命的存在來補(bǔ)充甲烷。JWST應(yīng)該能夠在系外行星光譜中探測到二氧化碳和甲烷，尤其是在圍繞紅矮星運(yùn)轉(zhuǎn)的行星上。
如果檢測到這些物質(zhì)，但沒有發(fā)現(xiàn)一氧化碳，這可能是一種很強(qiáng)的生物特征。這是因?yàn)樵S多補(bǔ)充甲烷的非生物方案也會(huì)產(chǎn)生一氧化碳(CO)，而且地表生命消耗CO。這是一個(gè)非常容易新陳代謝的過程，如果周圍有CO和水，那么微生物就可以通過將這些物種結(jié)合起來產(chǎn)生二氧化碳和氫分子(H2)來生存。元古宙(2.5 ~ 5.4億年前)最大的非均衡來源是氮、水和氧的共存。氧氣和氮?dú)舛际怯缮a(chǎn)生的，如果沒有生命來補(bǔ)充氧氣，它們就會(huì)在海洋中轉(zhuǎn)化為硝酸。如果大氣中的氣體處于一種不尋常的不平衡狀態(tài)，那么識別使用不同代謝途徑的生命跡象也是可能的，但要發(fā)現(xiàn)這一點(diǎn)將是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。
檢測海洋中氧化鐵的微生物可能是一項(xiàng)挑戰(zhàn)，因?yàn)檫@種特殊的新陳代謝不會(huì)產(chǎn)生任何氣態(tài)廢物，在可能產(chǎn)生廢氣的代謝過程中，有一些很有希望的可能性。例如笑氣(N2O)是一種生物氣，我們不希望在無生命行星的大氣中看到平衡。類似地，各種硫代謝可以被檢測到，因?yàn)樗鼈兏淖兞诵行谴髿庵杏袡C(jī)分子的豐度，使其失去平衡。
發(fā)現(xiàn)早期地球與季節(jié)性或不平衡的跡象類似，可能表明生命不僅存在，而且以與我們自己星球上的生命相似的方式進(jìn)化。奧爾森的論文得到了美國宇航局天體生物學(xué)研究所的支持，而克里斯桑森-托頓研究也得到了美國宇航局天體生物學(xué)的支持，通過外太空生物學(xué)和進(jìn)化生物學(xué)計(jì)劃和虛擬行星實(shí)驗(yàn)室。
博科園-科學(xué)科普｜文：Amanda Doyle/Space
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