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宇宙天体生物学 探寻外星生命的秘密

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发表于 2016-1-1 01:39:37 | 显示全部楼层 |阅读模式
生命,死亡,人造卫星,天文学和生物学在人类首次开始思考其他世界和太阳存在的可能性后,便开始暧昧地“纠缠”在了一起。但是二者真正融合成为现代的天体生物学实际上开始于1957年的10月4日。那天,一个名为“人造卫星1号(Sputnik 1)”的23英寸铝球从哈萨克共和国荒漠草原腾空而起进入了地球低轨道。随后几个星期,它不断地通过无线电波发出轻微的蜂呜,预示着一个全新而极不确定的世界正在到来。三个月后铝球重返大气层。人类也就此进入了地球在过往40亿年中前所未见的发展轨迹。

人造卫星升空之时,32岁的美国人,澳大利亚墨尔本大学的客座教授Joshua Lederberg正在埋头工作。Lederberg是一位天才,出生于1925年,父母是新泽西的移民,他思维敏捷,行为大方,记忆力超强。高中时成绩突出,15岁便被哥伦比亚大学录取。在那里他获得了动物学学位。随后转入耶鲁大学从事医学研究。21岁时在耶鲁大学协助研究新兴的微生物遗传学,在细菌转基因方面的工作让他与人分享了1958年的诺贝尔奖。


与这个行星上的其他地方一样,澳大利亚也被苏联的这次发射吓住了;这是一种技术实力的展示,它在表明对超级大国而言,跨越大洋投射核弹头是一件轻而易举的事。但是和其他人的想法不同,Lederberg的思维在另一个方向。他意识到的是,某种隐形的的壁垒已被打破,它原本可以将致命的东西阻挡在外,而与此同时,也出现了一个绝好的科学机遇。

假如人类想要太空旅行,那么可以想像的是,我们会把地球上的有机体散布到其他行星,与此同时外星的病原体也会被带回地球。正如Lederberg所意识到的,我们要么会毁掉太阳系中地球之外的本土生命形式,要么就会害了我们自己。而这两者人类都无法接受。因此当他回到美国后,便立即开始学习所有有关天文学和火箭技术的知识,同时准备给美国科学院写信,想要就这种迫在眉睫的危险向他的同事提出警告。

我们会毁掉太阳系中地球之外的本土生命形式。

1958年春,人们开始注意到了Lederberg关于“宇宙灾难”的警告。这个警告可能会吓到学者和政策的制定者,但它同时还标志着一门新学科的诞生——一门超越通常行星界限的新科学的诞生。用他自己的话来说,“我是唯一一个认真地考虑了外星探索的生物学家。”这并没有影响到他的声誉,在随后几年中,在刚成立不久的NASA,Lederberg成功地将生物学调查加入了议程中,同时一个新的名词诞生了:“地外生物学(exobiology)”——一门专注于研究地球之外生命的学科。

地外生物学极大地影响了太空探索进行的方式。一系列针对飞船以及其带回物品的消毒和隔离规则被制订了出来。NASA建造了净化室,所有仪器在封装发射前都要被清洁或烘烤消毒。科学家们忙碌地想要计算出给外星造成生物污染的风险在多大程度上可以被接受。制定出来的一个标准是:每项任务扰乱外星生态圈的概率必须低于万分之一。这个有些随意的规定,也许只是反应了我们对外星被搞乱的容忍度而已。

因此当阿波罗11号凯旋归来后并没有进行游行庆祝,相反的是宇航员被迅速关进了一辆被改装过的气流拖车,并认真地隔离了三个星期。有一张著名的照片,照片上尼克松总统正对着阿姆斯特朗、阿尔德林和柯林斯开心地笑,而这三人都被“安全”地关在拖车气密窗后面。也许他们会很乐意这么做吧。而到了阿波罗14号之后,由于月球表面已被确认无菌,这样的隔离措施才被省略。

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然而Lederberg没有就此停止他的研究工作。他和年轻的卡尔萨根在20世纪60年代成为了朋友,并且互相协助开创太阳系探索和地外生命搜索这些的新兴的研究领域。1965年,NASA的水手4号为了依靠火星引力加速而近距离掠过了火星,它发回了首张近距离特写火星照片,照片中火星表面布满了陨坑,呈现出一派荒凉景色。这是一个干旱的荒漠行星:没有植被,没有文明,几乎没有大气。从此,人们对太阳系中存在生命的乐观态度被迫转变,生物学探索将会面临的挑战也变得更为清晰——假如有生命存在的线索,那么它们有可能需要用显微镜来寻找。受这个信息的启发,Lederberg、萨根和其他研究者加速在微生物和化学方面进行了概念性与实验的先行性研究,这项研究在1976年引人注目的海盗号火星任务中达到了光辉的顶点。这两个双胞胎着陆器搭载着高灵敏度的自动化湿式实验装置,专门用于培养和检测可能暗藏于火星红色土壤中的微生物,这可能是这片严酷的环境中生命最后的庇护所之一。

尽管仪器很先进,但从很多方面讲,海盗号火星任务相当于宣告了Lederberg式宇宙生物学的结束。着陆器对微生物或其他类型有机体的搜寻毫无收获。生物学的测试结果让人迷惑而失望,火星表面上层土壤中令人讨厌的化学成份导致的结果是——那里全是类似于火箭燃料化合物的有毒氧化物。海盗号的结果清楚地表明,在地球之外寻找生命所面临的挑战比想象中的要大得多。


360截图20160101013438265.jpg

每项任务扰乱外星生态圈的概率必须低于万分之一。

一方面是对外部的响应,一方面也是自身发展的需要,地外生物学的专业研究随后逐渐地进入了一个更为广阔的领域。它综合了各个学科,从地球微生物学、生命的起源,到星际化学与行星物理,甚至包括了简单的宇宙学。这样的转变不容易。在这个领域,可用的数据相当少。但Lederberg最初想法中的大部分动力源泉依然保留着;这是一些意义深远的问题,因此也激起了人们的兴趣。在美国,NASA执着地进行着一系列规模空前的跨学科研究,从进化生物学到天体化学,积极地在寻求科学上的突破,否则它就已经在传统的融资计划中破产了。


20世纪70年代末与80年代,极端环境下地球生命体的发现重新激发了科学家的想象力。人们在海洋深处数千米的地方,发现了火山排气孔中以有毒超高温臭气为食的微生物以及稍大一些的生物。研究还发现某些细菌似乎还很乐意生活在干燥、有电离辐射和冰冻的环境中。Carl Woese和其他科学家定义了古细菌的大域,并开辟了一系列关于生命起源的新思路,而Thomas Gold则谈到了行星地下环境中生命存在的意义。这让我们意识到我们过去忽视掉了太多的地球生命,这也就意味着我们更容易忽视其他行星上的生命。


直到20世纪90年代,地外生物学才勉强有了能够回答科学家疑问的研究范围,而研究的成果让它有了一个新的名字:“天体生物学(astrobiology)”,它是天文学和生物学的全面融合。它开始将生命作为一个真正的宇宙现象来理解——一个泛学科的探索开始成形,就像1995年首颗环绕着与太阳类似恒星运行的宜居行星被发现一样。

回想起来,是在一连串偶然性的重大事件帮助下,天体生物学才发展到现在的高度。从起初的细菌和人造卫星1号,到最后的系外行星的发现。假设这些发现出现的时间点有所不同,那我们就可能已经在不知不觉中铸成大错,将太阳系污染得到处是细菌,远远超出自然传播的范畴。这样的话,我们就阻碍了,也可能浪费了研究其他世界中可能存在的本土生命的机会。


天体生物学可以说是过去数百年间最幸运,同时也是最不幸的科学领域。


与此相反,我们装腔作势而内心偏执,Lederberg的机敏思想成为了冷战鸡尾酒上的装饰。超级大国间的太空竞赛成了一场生物遏制的禁区,但同时也为我们更密切而仔细地观察其他世界争取了时间。假如我们在早期的火星和金星探索中没有保持冷静,我们可能就错过了生命的丰富性所含有的更深层次涵义。生命不是天上掉的馅饼,它在宇宙这个舞台上出现的频率隐含在一项重要的统计学结果中,但是要获取这些知识,无论何时都是极大的科学挑战。基于这些原因,天体生物学可以说是过去数百年间最幸运,同时也是最不幸的科学领域。


这项冒险性的事业在合作中仍然可能存在着一些不和谐的关系;生物学家和天文学家在科学的优先权方面不总是看法一致。但这不是问题,因为从很多方面来看,当初Lederberg想要保护和维持的东西,在今天比以往还要迫切,我们不仅是要寻找和发现宇宙中生命的丰富性,我们也在探寻在宇宙的大环境中,我们自己的世界该如何定位。在这个被我们无意且不必要地改变了的环境中,只有更加充分地了解自己,才能够规划出一个能够稳定持久的方向。


在此还有一点暗示,在宇宙中,存在着伟大而尚未到来的同盟。我们今天所知的火星曾经有过一段更温暖的时期。我们也已经知道,我们的太阳系中并不包含所有银河系行星种类,那些行星可能比地球还要大一点。即便用我们现在的原始数据来分析,这些世界也呈现出非凡的多样性。有些古怪的行星稠密而多石,或者富含气层。而有一些可能有着截然不同的地质化学特性,在那里岩床的主要成分可能是碳,而不是硅。在不久的将来,我们可能会在行星的家族中找到自己的位置,而且很可能也会在地外生物学的家族中找到自己的位置。那将是知识的终极融合,当地球生命找到自己在宇宙舞台上的位置时,才是天体生物学的真正出头之日。


作者Caleb Scharf是天体物理学家,纽约哥伦比亚大学天体生物学主任。他的新书《哥白尼体系:我们在行星和概率宇宙中的意义(The Copernicus Complex: Our Cosmic Significance in a Universe of Planets and Probabilities)》将于2014年8月份上市。

参考

1.Joshua Lederberg的论文,《科学简介(Profiles in Science)》,国家医学图书馆
2.Lederberg, J. Moondust.《科学(Science)》, 127, 1473 (1958)。

插图:GRACIA LAM
原载:Nautil.us
编译:老孙



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