北京時間 1 月 8 日消息，據(jù)國外媒體報道，當(dāng) NASA 的旅行者 1 號探測器來到土星的衛(wèi)星土衛(wèi)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(wèi)二表面的有些部分比較古老，而且還有環(huán)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(jù)表明，土衛(wèi)二的地質(zhì)活動曾經(jīng)較為活躍。而且土衛(wèi)二也靠近土星 E 環(huán)，因此科學(xué)家們認(rèn)為，土星 E 環(huán)中的物質(zhì)可能來自于土衛(wèi)二，進(jìn)一步表明土衛(wèi)二上存在地質(zhì)活動。
自此之后，我們已經(jīng)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(wèi)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。卡西尼 - 惠更斯號探測器在土衛(wèi)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(fā)現(xiàn)，讓人們開始討論，土衛(wèi)二上是否可能有生命存在。
現(xiàn)在，一篇新的論文嘗試使用建模去弄明白土衛(wèi)二上的化學(xué)物質(zhì)。論文背后的研究團(tuán)隊表示，土衛(wèi)二上的地冰下海洋可能含有多種化學(xué)物質(zhì)，或可孕育微生物群落。
隨著在太陽系內(nèi)其他星球上尋找生命的工作持續(xù)推進(jìn)，土衛(wèi)二也越來越具有潛力。土衛(wèi)二是土星的第六大衛(wèi)星，直徑約 500 公里。在冰封的地表下面，土衛(wèi)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(xué)物質(zhì)。根據(jù)新的研究，這些化學(xué)物質(zhì)或許可以通過數(shù)種途徑維持生命。
▲ 圖為旅行者 2 號拍攝的土衛(wèi)二表面照片。土衛(wèi)二表面冰層覆蓋，部分冰層比較古老且?guī)в协h(huán)形坑，而其他部分看上去更為年輕明亮，表明土衛(wèi)二上存在地質(zhì)活動。
這篇論文題為 “氧化過程使土衛(wèi)二的代謝途徑多樣化”。論文的第一作者為德克薩斯大學(xué)圣安東尼奧分校的物理與天文學(xué)系博士學(xué)生克里斯汀 · 雷。雷也是西南研究所空間科學(xué)與工程部門的研究員。研究主要受到卡西尼在土衛(wèi)二羽流中發(fā)現(xiàn)分子氫這件事的啟發(fā)。
論文第一作者克里斯汀 · 雷說：“卡西尼號在羽流中發(fā)現(xiàn)的分子氫說明，土衛(wèi)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(jī)物質(zhì)中的能量來產(chǎn)生二氧化碳和水。厭氧微生物可以代謝氫產(chǎn)生甲烷。所有生命，歸根結(jié)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(tài)有關(guān)的化學(xué)反應(yīng)?！?/p>
雷提到的不平衡狀態(tài)可產(chǎn)生對生命至關(guān)重要的能量梯度。能量梯度允許生物體與所處環(huán)境進(jìn)行能量交換。圍繞這些梯度的化學(xué)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(tài)的系統(tǒng)不存在能量梯度，從而難以維持生命。
當(dāng)卡西尼號在土衛(wèi)二的羽流中發(fā)現(xiàn)分子氫時，人們很容易聯(lián)想到地球上的深海熱泉。在這些熱泉口，氫為整個生態(tài)系統(tǒng)提供能源。人們進(jìn)而馬上開始猜想，土衛(wèi)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(wèi)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(wèi)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(wèi)二羽流中尚未發(fā)現(xiàn)的氧化劑。所以，我們嘗試用化學(xué)建模，來確定土衛(wèi)二的海洋和巖芯中的環(huán)境是否支持這些化學(xué)過程?！?/p>
▲ 渲染圖顯示了土衛(wèi)二地殼的內(nèi)部橫截面，展示了熱液活動如何使得地下海水噴出土衛(wèi)二的表面。
對于土衛(wèi)二和生命而言，能源的可用性至關(guān)重要。論文作者寫道，“可用于代謝反應(yīng)的化合物必須以不平衡的濃度存在，這樣生物才能從環(huán)境中攝取能量，以促使系統(tǒng)達(dá)到平衡狀態(tài)?！?/p>
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(wèi)二上已經(jīng)有生成甲烷所必須的化學(xué)物。分子氫被二氧化碳氧化后，可生產(chǎn)甲烷。這種化學(xué)反應(yīng)在地球上很常見，包括在我們的腸道里。
由于土衛(wèi)二附近沒有空間探測器，研究人員無法獲得他們所需的數(shù)據(jù)類型。所以，研究團(tuán)隊選擇使用建模的方式來尋找答案。他們希望知道，土衛(wèi)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(xué)物質(zhì)不在卡西尼號的檢測范圍內(nèi)。
▲ 卡西尼號拍攝的土衛(wèi)二，在太陽的照耀下，可以看到邊緣南極地區(qū)噴射出的細(xì)煙羽。
這項研究真正關(guān)注的其實是能量與生物之間的關(guān)系。為了探索土衛(wèi)二上，能量與生物之間的關(guān)系，論文作者主要側(cè)重兩個關(guān)鍵概念：化學(xué)親和力和能量通量。
作者稱，化學(xué)親和力是指不同化學(xué)物質(zhì)形成化合物的能力，也是 “…… 代謝反應(yīng)中可用自由能的數(shù)量”。能量通量 “…… 可以決定在穩(wěn)定狀態(tài)下，有多少生物量可以獲得支持”。其中大部分歸結(jié)于氧化劑。本質(zhì)上，氧化劑的產(chǎn)生決定了生命可用能量的多少。
論文作者希望對土衛(wèi)二上的氧化劑生產(chǎn)過程進(jìn)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(jìn)行建模，如下圖所示：
▲ 基于恒化器細(xì)胞培養(yǎng)物維持能量的需求，表格顯示了代謝氧化還原反應(yīng)可支持的細(xì)胞總數(shù)。
那么，研究人員從中發(fā)現(xiàn)了什么呢？
他們發(fā)現(xiàn)，根據(jù)他們的模型，土衛(wèi)二上也許可以產(chǎn)生足夠的氧化劑，為生命創(chuàng)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(fā)生。
論文寫道：“我們已經(jīng)證明，土衛(wèi)二上輻射分解產(chǎn)生的氧化劑，可以導(dǎo)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(zhì)活躍的虎紋狀地區(qū)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?！?/p>
▲ 2015 年，卡西尼號的數(shù)據(jù)顯示，土衛(wèi)二南極區(qū)域的 “虎紋狀”地貌可能是溫?zé)狳c。
研究人員還發(fā)現(xiàn)，鉀的放射性同位素的衰變也可能產(chǎn)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(chǎn)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?！?/p>
雷在新聞稿中寫道：“我們將自由能估算值與地球上的生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)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(jié)果表明，氧化劑生成和氧化化學(xué)作用或可有助于在土衛(wèi)二上維持潛在的生命和具有代謝多樣性的微生物群落?！?/p>
▲ 鉀同位素衰變產(chǎn)生的分子氫、分子氧和過氧化氫數(shù)量曲線圖。
結(jié)果本身已經(jīng)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(xiàn)在，我們已經(jīng)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(fù)雜有機(jī)物是什么？’新的論文可以幫助我們深入了解，這樣一顆小衛(wèi)星將如何以完全超出我們預(yù)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(jié)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(wèi)二的發(fā)射任務(wù)，來確認(rèn)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(jìn)的儀器，直接穿過土衛(wèi)二表面噴射出的羽流，搜集樣本并開展更多測量工作。
▲ 土衛(wèi)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(wèi)二的羽流，進(jìn)而檢驗論文中，對于土衛(wèi)二海洋中氧化化合物豐度的預(yù)測。雖然我們必須小心謹(jǐn)慎，但我們不妨想象一下，也許土衛(wèi)二上有別樣的生命形式，可以利用土衛(wèi)二上的基礎(chǔ)能源維持生存?！?/p>
目前，針對土衛(wèi)二的發(fā)射任務(wù)仍處于概念階段。NASA 的 “土衛(wèi)二生命探測器”項目擬向土衛(wèi)二發(fā)送一個太陽能軌道器。該生命探測器將繞土星運(yùn)行，但會反復(fù)飛經(jīng)土衛(wèi)二的蒸汽羽流，進(jìn)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(xiàn)的可能。
▲ 土衛(wèi)二上的羽流渲染圖。
最后，論文作者在總結(jié)中寫道：“我們已經(jīng)證明，除了生成甲烷之外，我們?nèi)N情況中的每一種好氧和 / 或厭氧反應(yīng)，都能夠滿足地球生命對自由能的最低需求，并為土衛(wèi)二上的細(xì)胞生命提供能量?！?/p>
“因此，土衛(wèi)二地下海洋和海底的放射性氧化劑生產(chǎn)以及氧化還原化學(xué)，能夠支持甲烷生成反應(yīng)以外的代謝途徑，從而為土衛(wèi)二海洋中的多樣化微生物群落提供存在可能性?！?/p>
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