想象一下，您踏入了一臺時間機器，它不僅可以穿越數十億年，還可以穿越無數光年的空間，所有這些都是為了在宇宙中尋找生命。您會在哪裡找到最多的生命，它又會是什麼樣子？答案——或者至少是科學家們最好的猜測——可能會讓您感到驚訝。
您可能會認為，那裡的大多數生命都像我們今天在地球上看到的那樣：草地、樹木和嬉戲的動物都圍繞著黃色恆星在藍色、富氧天空下的水世界中執行。但您錯了。天文學家正在對銀河系中的行星進行星系普查，他們現在懷疑宇宙中大部分適宜居住的區域都存在於圍繞紅矮星執行的世界中，紅矮星比像太陽這樣的恆星更小，但數量更多。部分原因是它們的數量巨大，使得天文學家在某些方面更容易研究這些恆星。例如，考慮一下名為 TRAPPIST-1 的紅矮星，它距離我們不到 40 光年。2017 年，天文學家發現它至少有七顆溫帶地球大小的行星圍繞其執行。大量新的天文臺——其中最主要的是美國國家航空航天局最近發射的價值數十億美元的詹姆斯·韋伯太空望遠鏡——將很快開始研究 TRAPPIST-1 和其他附近紅矮星行星，以尋找適宜居住性和生命的跡象。
與此同時，當然，沒有人真正知道，如果您乘坐行星跳躍時間機器訪問其中一個奇異世界，您會看到什麼，但如果它們與地球有任何相似之處，您很可能會發現一顆由微生物而非魅力四射的巨型動物群主導的行星。2018 年 1 月發表的一項引人入勝的研究探討了這個奇怪的事實對於尋找外星生命的天文學家可能意味著什麼。該研究由華盛頓大學的大氣化學家 David Catling 共同撰寫，深入研究了我們星球的歷史，以設計一種新穎的方法，在不遠的將來在遙遠的世界中尋找單細胞生命。
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在地球上，大多數生命都是微生物，仔細閱讀地球的化石和地球化學記錄表明，情況一直如此。植物和動物等生物——以及植物產生的氧氣和動物呼吸的氧氣——都是相對的新來者，大約在過去五億年中才出現。我們的星球似乎在其剩餘四十億年曆史的前二十億年中，一直是一個由排放甲烷的微生物統治的“粘液世界”，對於這些微生物來說，氧氣不是賦予生命的 газообразным веществом，而是一種致命的毒藥。光合藍藻（因其翠綠的色調而得名，這來自葉綠素）的出現定義了接下來的二十億年，並將“產甲烷菌”微生物驅逐到氧氣無法到達的黑暗場所——地下洞穴、深泥和其他窒息的環境中，它們至今仍然存在於這些環境中。藍藻逐漸使我們的星球變綠，緩慢地將大氣層充滿氧氣，併為今天我們熟悉的世界奠定了基礎。
如果在地球歷史上的隨機時間點將您的時間機器降落在地球上，那麼大約十分之九的情況下，您只會發現單細胞生命或藻類，並且會在缺氧的露天空氣中面臨窒息的風險。
這給希望使用韋伯望遠鏡而不是時間機器來尋找其他載有生命的星球的科學家們帶來了難題。行星大氣層中的分子可以吸收穿過的星光，在天文學家可以探測到的光線上留下條形碼狀的特徵。豐富的氧氣是在數光年之外的行星大氣層中尋找的最明顯的條形碼之一，因為它是最難在沒有生物學的情況下製造的東西之一。在天體生物學家的術語中，這種高度活潑的氣體是一種有效的“生物特徵”，因為在高濃度下，它往往與周圍環境“不平衡”。也就是說，氧氣傾向於作為鐵鏽和其他礦物氧化物的成分從空氣中沉降出來，而不是作為氣體停留，因此當它大量存在時，必須有某種東西——地球上的光合生命——不斷地補充它。但是，以我們的星球為指導，天體生物學家不得不承認，氧氣可能是他們最不可能看到的東西——遺傳證據表明，藍藻開創的複雜產氧光合途徑是一項非凡的進化創新，在地球生物圈數十億年的歷史中只出現過一次。因此，人們可能會預期，科學家們透過望遠鏡觀察到的任何有生命的“類地”世界都可能是缺氧的，或缺乏氧氣。他們應該尋找哪些其他生物特徵來代替氧氣呢？
目前，找到答案的最佳方法是跳回時間機器。當然，不是真正的時間機器，而是一個虛擬的旅行者，一個計算機模型，它可以探索地球缺氧過去的（或外星行星的現在）其他無法觸及的深處，探索可能發生在那裡的地球大氣層和海洋中氣體的化學性質。使用來自古老岩石和其他模型的資料，撥入您對例如大約三十億年前的地球環境條件的最佳猜測，讓計算機處理數字，看看是否會出現任何明顯的失衡——潛在的生物特徵。這正是 Catling 與他的同事 Joshua Krissansen-Totton 和 Stephanie Olson 一起所做的事情。
他們的“時間機器”本質上只是對困在一個大型透明盒子中的巨大體積空氣的數值近似，盒子的底部是開闊的海洋；計算機只是計算盒子中組成氣體在一段時間內應如何相互反應和混合。最終，相互作用的氣體用盡了盒子中所有可用的“自由能”，並達到平衡——一個在沒有更多外部能量的情況下不會發生進一步反應的點，有點像失去氣泡的蘇打水。將耗盡氣體的混合物與最初困在盒子中的更活躍的混合物進行比較，可以精確地揭示世界大氣最初何時以及如何失去平衡。從第一原理出發，這種方法可以複製今天地球上最明顯的大氣失衡的例子——氧氣和微量甲烷的存在（後者是曾經強大的產甲烷菌生物圈的溫和撥出物）。簡單的化學表明，這些氣體不應長期共存，但它們在地球上確實共存，這為任何警惕的外星天文學家提供了一個明確的跡象，表明在這個特殊的淡藍色圓點上存在著生命和呼吸。但對於古代缺氧的地球來說，該模型顯示出不同的東西。
Catling 說：“我們的研究為如何在類地行星上尋找缺氧生命的問題提供了答案。” “其他地方的大多數生命可能都很簡單——像微生物一樣——而且大多數行星可能還沒有發展到含氧大氣層的階段。相對豐富的二氧化碳和甲烷（不存在一氧化碳）的組合是這樣一個世界的生物特徵。”
Krissansen-Totton 更詳細地解釋說：“甲烷和二氧化碳同時存在是不尋常的，因為二氧化碳是碳的最高氧化態，而甲烷（由一個碳原子與四個氫原子連線而不是任何氧原子組成）是碳的最低氧化態，”他說。“在沒有生命的情況下，在同一大氣中同時產生這兩種極端氧化態是具有挑戰性的。”研究人員表示，大氣中甲烷含量超過 0.1% 的岩石、含海洋行星應被視為可能有人居住的行星。如果大氣甲烷含量達到 1% 或更高呢？在這種情況下，“可能”是不夠的——這樣的世界“很可能”是外星生命的家園。
賓夕法尼亞州立大學的大氣化學家 Jim Kasting 沒有參與這項研究，他說這項研究的結果“方向正確”，即使“甲烷可能是缺氧大氣中生物特徵的想法並不是全新的”。
Catling 和他的合著者說，新的地方在於他們對基於甲烷的生物特徵將如何顯現自身以及如何從非生命來源中辨別出來的有力處理。根據他們的模型，缺氧類地行星大氣中的甲烷通常會與仍然充滿空氣的二氧化碳發生反應，進一步與另一種普遍存在的氣體氮氣以及水蒸氣混合，最終以較重化合物的形式降雨。Catling 及其團隊的進一步計算得出結論，岩石行星上沒有任何非生物甲烷來源可以產生足夠的氣體來抵消這一過程——無論是行星內部的火山噴發、熱液噴口中的化學反應，甚至是小行星撞擊。只有行星上繁榮的排放甲烷的細菌種群才能解釋這種氣體。而且，最關鍵的是，即使非生物來源能夠產生足夠的甲烷，它們也幾乎不可避免地會產生大量的一氧化碳——一種對動物有毒但對許多微生物來說非常美味的氣體。因此，在岩石、含海洋的世界中，甲烷和二氧化碳同時存在，並且沒有一氧化碳伴隨，最好被解釋為缺氧生命的可靠跡象。
這對天文學家來說是個好訊息。事實證明，韋伯望遠鏡將很難直接辨別出在其任務期間探測到的任何潛在宜居行星中的氧氣。正如您的眼睛可以看到可見光，但看不到無線電波或 X 射線一樣，韋伯的視覺是針對紅外線進行調整的——光譜的一部分非常適合研究古代恆星和星系，但在那裡氧氣的條形碼狀吸收線相當微弱和稀疏。因此，一些研究人員擔心，尋找生命將不得不等待未來許多年或幾十年後其他更強大的望遠鏡。但是，儘管韋伯望遠鏡不容易看到氧氣，但它的紅外線眼睛可能擅長瞥見缺氧生命的跡象。據康奈爾大學的 Nikole Lewis 說，他曾在巴爾的摩太空望遠鏡科學研究所擔任韋伯望遠鏡的專案科學家，該望遠鏡可以同時檢測紅矮星周圍某些行星大氣中的甲烷、二氧化碳和一氧化碳。而且不僅僅是巨大的、臃腫的氣態行星，我們無論如何都不期望生命存在於這些行星上。“韋伯望遠鏡可以達到所需的精度來檢測 TRAPPIST-1 系統等行星大氣中的分子，”Lewis 說。
即便如此，Lewis 和其他人指出，韋伯望遠鏡可能仍然難以滿足 Catling 標準中最關鍵的部分——確定每種氣體的相對丰度，以確定遙遠行星上的甲烷是火山爆發還是微生物打嗝的結果。因此，Catling 並沒有屏住呼吸等待韋伯望遠鏡在某個紅矮星世界中找到缺氧生物圈。
Catling 說：“韋伯望遠鏡可能必須足夠幸運才能找到生命，但您永遠不知道，因此這對天體生物學來說可能是令人興奮的。” “我們想讓更多人意識到，尋找生命不僅僅是尋找氧氣。”