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土卫二的冰下海洋理论上可孕育生命

发布时间:2021-01-08 09:53 来源:新浪科技

  据国外媒体报道,当NASA的旅行者1号探测器来到土星的卫星土卫二时,他们看到的是一个年轻、表面光洁、冰层覆盖的星球。土卫二表面的有些部分比较古老,而且还有环形坑,但是在其他部分可以很明显地看出地表有新近的活动。有明确的证据表明,土卫二的地质活动曾经较为活跃。而且土卫二也靠近土星E环,因此科学家们认为,土星E环中的物质可能来自于土卫二,进一步表明土卫二上存在地质活动。

  自此之后,我们已经对这颗冰雪覆盖的星球有了更多的了解。几乎可以肯定的是,在土卫二冰冷的地表下面,有一个温暖的含盐冰下海洋,使其成为寻找生命的一个主要目的地。卡西尼-惠更斯号探测器在土卫二的冰下海洋的羽流中检测到了分子氢——微生物的一种潜在食物来源。这一发现,让人们开始讨论,土卫二上是否可能有生命存在。

  现在,一篇新的论文尝试使用建模去弄明白土卫二上的化学物质。论文背后的研究团队表示,土卫二上的地冰下海洋可能含有多种化学物质,或可孕育微生物群落。

  随着在太阳系内其他星球上寻找生命的工作持续推进,土卫二也越来越具有潜力。土卫二是土星的第六大卫星,直径约500公里。在冰封的地表下面,土卫二似乎隐藏着一个全球海洋。这片海洋可能是温暖的盐海,并包含一些令人感兴趣的化学物质。根据新的研究,这些化学物质或许可以通过数种途径维持生命。

图为旅行者2号拍摄的土卫二表面照片。土卫二表面冰层覆盖,部分冰层比较古老且带有环形坑,而其他部分看上去更为年轻明亮,表明土卫二上存在地质活动。图为旅行者2号拍摄的土卫二表面照片。土卫二表面冰层覆盖,部分冰层比较古老且带有环形坑,而其他部分看上去更为年轻明亮,表明土卫二上存在地质活动。

  这篇论文题为“氧化过程使土卫二的代谢途径多样化”。论文的第一作者为德克萨斯大学圣安东尼奥分校的物理与天文学系博士学生克里斯汀·雷。雷也是西南研究所空间科学与工程部门的研究员。研究主要受到卡西尼在土卫二羽流中发现分子氢这件事的启发。

  论文第一作者克里斯汀·雷说:“卡西尼号在羽流中发现的分子氢说明,土卫二的海洋中有可用的自由能。在地球上,好氧生物会消耗葡萄糖和氧气等有机物质中的能量来产生二氧化碳和水。厌氧微生物可以代谢氢产生甲烷。所有生命,归根结底,都可以简化为,与氧化剂和还原剂化合物之间的不平衡状态有关的化学反应。”

  雷提到的不平衡状态可产生对生命至关重要的能量梯度。能量梯度允许生物体与所处环境进行能量交换。围绕这些梯度的化学过程对生物的许多方面都非常重要,例如光合作用和呼吸。一个处于平衡状态的系统不存在能量梯度,从而难以维持生命。

  当卡西尼号在土卫二的羽流中发现分子氢时,人们很容易联想到地球上的深海热泉。在这些热泉口,氢为整个生态系统提供能源。人们进而马上开始猜想,土卫二上是否也有类似的情况。

  不过,这篇新论文研究地更加深入。论文作者希望弄清楚,土卫二上的海洋是否还有其他有利于生命生存的代谢途径。

  雷说:“我们想知道,在土卫二的冰下海洋中,是否还有其他类型的代谢途径可以提供能量来源。因为其他类型的代谢途径会依赖一组我们在土卫二羽流中尚未发现的氧化剂。所以,我们尝试用化学建模,来确定土卫二的海洋和岩芯中的环境是否支持这些化学过程。”

渲染图显示了土卫二地壳的内部横截面,展示了热液活动如何使得地下海水喷出土卫二的表面。渲染图显示了土卫二地壳的内部横截面,展示了热液活动如何使得地下海水喷出土卫二的表面。

  对于土卫二和生命而言,能源的可用性至关重要。论文作者写道,“可用于代谢反应的化合物必须以不平衡的浓度存在,这样生物才能从环境中摄取能量,以促使系统达到平衡状态。”

  卡西尼号让我们知道,分子氢的存在,说明至少有一种代谢途径。土卫二上已经有生成甲烷所必须的化学物。分子氢被二氧化碳氧化后,可生产甲烷。这种化学反应在地球上很常见,包括在我们的肠道里。

  由于土卫二附近没有空间探测器,研究人员无法获得他们所需的数据类型。所以,研究团队选择使用建模的方式来寻找答案。他们希望知道,土卫二上是否有除二氧化碳以外的氧化剂存在,可以为生命提供其他的代谢途径,可能这些化学物质不在卡西尼号的检测范围内。

卡西尼号拍摄的土卫二,在太阳的照耀下,可以看到边缘南极地区喷射出的细烟羽。卡西尼号拍摄的土卫二,在太阳的照耀下,可以看到边缘南极地区喷射出的细烟羽。

  这项研究真正关注的其实是能量与生物之间的关系。为了探索土卫二上,能量与生物之间的关系,论文作者主要侧重两个关键概念:化学亲和力和能量通量。

  作者称,化学亲和力是指不同化学物质形成化合物的能力,也是“……代谢反应中可用自由能的数量”。能量通量“……可以决定在稳定状态下,有多少生物量可以获得支持”。其中大部分归结于氧化剂。本质上,氧化剂的产生决定了生命可用能量的多少。

  论文作者希望对土卫二上的氧化剂生产过程进行建模,原因有二:“1)限制海洋中重要的代谢氧化剂的浓度和通量,以及2)确定这些额外的代谢途径是否可以为生命提供足够的能量”。

  为探索这些问题,他们对三种不同情况进行建模,如下图所示:

基于恒化器细胞培养物维持能量的需求,表格显示了代谢氧化还原反应可支持的细胞总数。基于恒化器细胞培养物维持能量的需求,表格显示了代谢氧化还原反应可支持的细胞总数。

  那么,研究人员从中发现了什么呢?

  他们发现,根据他们的模型,土卫二上也许可以产生足够的氧化剂,为生命创造其他代谢途径。表面的冰层可能会被能量瓦解,并释放出氧化剂。这可以通过两种方式发生。

  论文写道:“我们已经证明,土卫二上辐射分解产生的氧化剂,可以导致海洋中氧化还原失衡,从而为潜在生命提供能量。地表冰层的辐射分解,再加上地质活跃的虎纹状地区冰层向海洋的移动,一共可以释放9.4×10的15次方摩尔的氧气和3.3x10的16次方摩尔的过氧化氢。”

2015年,卡西尼号的数据显示,土卫二南极区域的“虎纹状”地貌可能是温热点。2015年,卡西尼号的数据显示,土卫二南极区域的“虎纹状”地貌可能是温热点。

  研究人员还发现,钾的放射性同位素的衰变也可能产生氧化剂。

  “海洋中,钾同位素原子衰变所释放的电子和伽马射线可直接在海洋中再产生4.2x10的16次方摩尔的氧气和1.4x10的15次方摩尔的过氧化氢。”

  雷在新闻稿中写道:“我们将自由能估算值与地球上的生态系统进行了比较,随后我们确定,总体而言,我们针对有氧代谢和无氧代谢所得到的值都满足甚至超过了最低要求。这些结果表明,氧化剂生成和氧化化学作用或可有助于在土卫二上维持潜在的生命和具有代谢多样性的微生物群落。”

钾同位素衰变产生的分子氢、分子氧和过氧化氢数量曲线图。钾同位素衰变产生的分子氢、分子氧和过氧化氢数量曲线图。

  结果本身已经足够令人兴奋。但还有更多惊喜。

  新论文的合作者亨特·韦特说:“现在,我们已经确定了微生物的潜在食物来源,下一个问题将是‘海洋中的复杂有机物是什么?’新的论文可以帮助我们深入了解,这样一颗小卫星将如何以完全超出我们预期的方式孕育生命。”

  和针对其他外星世界的大量建模与研究一样,这些结果虽然引人遐想,但也多少有些令人失望。我们只能等待下一次前往土卫二的发射任务,来确认或排除这些猜测。我们需要另一台空间探测器,如果可以的话,最好配备更先进的仪器,直接穿过土卫二表面喷射出的羽流,搜集样本并开展更多测量工作。

土卫二上的“喷泉”土卫二上的“喷泉”

  论文的另一位合作者克里斯托弗·格莱茵博士说:“未来的探测器可以飞过土卫二的羽流,进而检验论文中,对于土卫二海洋中氧化化合物丰度的预测。虽然我们必须小心谨慎,但我们不妨想象一下,也许土卫二上有别样的生命形式,可以利用土卫二上的基础能源维持生存。”

  目前,针对土卫二的发射任务仍处于概念阶段。NASA的“土卫二生命探测器”项目拟向土卫二发送一个太阳能轨道器。该生命探测器将绕土星运行,但会反复飞经土卫二的蒸汽羽流,进行测量。这个项目于2017年最早提出,但未被选中。不过,这个想法仍有实现的可能。

土卫二上的羽流渲染图。土卫二上的羽流渲染图。

  最后,论文作者在总结中写道:“我们已经证明,除了生成甲烷之外,我们三种情况中的每一种好氧和/或厌氧反应,都能够满足地球生命对自由能的最低需求,并为土卫二上的细胞生命提供能量。”

  “因此,土卫二地下海洋和海底的放射性氧化剂生产以及氧化还原化学,能够支持甲烷生成反应以外的代谢途径,从而为土卫二海洋中的多样化微生物群落提供存在可能性。”

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