對外星生命最熱切的搜尋地點是外太陽系中幾顆寒冷的衛星，已知它們各自冰冷的外殼下都蘊藏著液態水海洋。土星的衛星泰坦，在冰凍的表面下隱藏著一層厚厚的鹹水，表面點綴著液態烴湖。土星的姊妹衛星恩克拉多斯已經透過從其南極附近裂縫中噴出的間歇泉狀羽流揭示了其地下海洋。羽流也從一顆離太陽更近的衛星中噴出：木星的歐羅巴，它擁有一個巨大的水深，按體積計算，它使地球所有海洋的總和都相形見絀。這些水生外星場所中的每一個都可能是“第二次創世紀”的發生地，即與數十億年前地球上發生的那種生命出現。
天體生物學家現在正在進行多項行星際任務，以瞭解這些含海洋的衛星是否真的擁有不僅僅是水的東西——即，適宜居住性，或生命產生和蓬勃發展所需的細微地球化學條件。 例如，美國宇航局配備儀器的歐羅巴快帆號探測器可能會在 2030 年開始其對木星神秘衛星的軌道探測。另一項任務，一個名為蜻蜓的核動力飛行無人機，計劃最早於 2036 年在泰坦上著陸。然而，儘管這些任務令人印象深刻，但它們只是未來努力的序幕，這些努力可能更直接地尋找外星生命本身。但是在那些與我們自己的世界截然不同的奇異無陽光的地方，天體生物學家將如何識別生命？
通常情況下，科學家在這些搜尋中尋找的“生物特徵”是行星上生命過去或現在存在的微妙化學示蹤劑，而不是像從岩石中伸出的化石形態或揮手問候的綠色小矮人那樣明顯的東西。例如，美國宇航局毅力號火星探測車上的儀器可以探測其著陸點：耶澤羅隕石坑（一個可能包含過去生命證據的乾涸湖床）內及其周圍的有機化合物和鹽類。在 2020 年秋季，一些天文學家透過望遠鏡研究金星，可能已經梳理出那裡磷化氫氣體的存在，這可能是漂浮在行星大氣層溫帶區域的假定微生物的副產品。
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問題在於，許多簡單的生物特徵既可以由生物產生，也可以透過非生物地球化學過程產生。地球上大部分磷化氫來自微生物，但金星上的磷化氫（如果它確實存在的話）可能與火山噴發有關，而不是與雲層中的外星生態系統有關。這種歧義可能會導致誤報，即科學家認為他們看到了生命，但實際上並不存在生命的情況。與此同時，如果生物體的生物化學和生理學與地球生物截然不同，那麼科學家可能會遇到誤報，即他們沒有識別出生命，儘管他們有證據表明生命的存在。特別是在思考外太陽系海洋衛星等明顯外星世界上的生命前景時，研究人員必須仔細地在兩種相互關聯的危險之間航行——天體生物學的斯庫拉和卡律布狄斯。
然而，現在，最近發表在《數學生物學通報》上的一項研究提供了一種新穎的方法。論文作者表示，透過將注意力從特定的化學示蹤劑（如磷化氫）轉移到生物過程如何重組整個生態系統中的物質這一更廣泛的問題上，天體生物學家可以闡明新型的、不太模糊的生物特徵。這些線索將適用於發現各種可能的生命形式——即使這些生命採用了極其非地球的生物化學。
衡量一場變革
這項研究依賴於化學計量學，它測量細胞和生態系統化學中出現的元素比例。研究人員從觀察細胞群中的化學比例變化具有驚人的規律性開始。這種規律性的經典例子是雷德菲爾德比率——地球海洋中浮游植物大量繁殖表現出驚人一致性的氮磷平均比例為 16:1。其他型別的細胞，例如某些型別的細菌，也表現出其自身特徵性的一致比例。如果細胞內化學比例的規律性是生物系統的普遍屬性，無論是在這裡還是在宇宙中的任何其他地方，那麼仔細的化學計量學可能是最終發現外星生命的關鍵。
然而，重要的是，這些元素比例會隨著細胞大小而變化，從而可以額外檢查另一個世界上任何奇怪的一致但可能是非生物的化學比例。例如，在細菌中，隨著細胞變大，蛋白質分子濃度降低，而核酸濃度增加。聖塔菲研究所的研究員克里斯·肯佩斯解釋說，與非生物粒子群不同，生物粒子將顯示“隨細胞大小系統變化的比例”。肯佩斯領導了這項新研究，該研究擴充套件了聖塔菲研究所的共同作者西蒙·萊文之前的研究。訣竅是設計一個通用理論，精確地說明各種大小的細胞如何影響元素丰度——這正是肯佩斯、萊文及其同事所做的。
他們關注這樣一個事實，即至少對於地球生命來說，當流體中的細胞大小增加時，它們的丰度會以數學模式化的方式減少——具體來說，以冪律形式減少，其速率可以用負指數表示。這表明，如果天體生物學家知道流體中細胞（或類細胞粒子）的大小分佈，他們就可以預測這些物質中的元素丰度。本質上，這可能是一個強有力的秘訣，可以確定一組未知的粒子，例如歐羅巴海水樣本中的粒子，是否含有任何生物。“如果我們觀察到一個系統，其中粒子的元素比率和大小之間存在系統關係，並且周圍的流體不包含這些比率，”肯佩斯解釋說，“我們就有一個強烈的訊號表明該生態系統可能包含生命。”
水質測試
這項研究對這種“生態生物特徵”的強調是數十年來緩慢醞釀的探索的最新進展，旨在將生命不僅與物理學和化學的基本侷限性聯絡起來，而且還與生命出現的特定環境聯絡起來。畢竟，假設溫暖的岩石行星陽光照射的表面上的生物與那些棲息在海洋衛星黑暗深處的生物具有完全相同的化學生物特徵，這將是有些天真的。“思想、方法一直在不斷發展，這非常重要，”美國宇航局首席科學家吉姆·格林解釋說，他沒有參與這項新研究。“現在我們正在進入一個時代，我們可以追求我們所知道的生命進化方式，並將其作為一般原則應用。”
那麼，將這種更全面的生物特徵方法應用於我們對歐羅巴、泰坦和恩克拉多斯等世界的研究需要什麼呢？格林解釋說，目前，這需要的不僅僅是太空機構的歐羅巴快帆軌道飛行器——也許後續的表面任務就足夠了。“透過快帆，我們希望進行更詳細的測量，飛越羽流，研究歐羅巴隨時間的演變，並捕獲高解析度影像，”他說。“這將把我們帶到下一步，即到達地面。這就是下一代想法和儀器需要進入的地方。”
尋找肯佩斯及其同事描述的生態生物特徵將需要測量原生流體中細胞大小分佈和化學成分的儀器。在地球上，科學家用來按大小對細胞進行分類的技術稱為流式細胞術，它在海洋環境中經常使用。但是，在外星衛星的地下海洋中進行細胞計數比僅僅向那裡傳送儀器要困難得多：由於那些缺乏陽光的深淵中可用的能量稀少，科學家們預計那裡的任何生命都將是單細胞的、非常小的且相對稀疏的。要首先捕獲此類生物體，將需要仔細過濾，然後需要精密的流式細胞儀來測量此大小範圍的粒子。
中央康涅狄格州立大學的生物化學家和天體生物學家莎拉·毛雷爾解釋說，我們目前的流式細胞儀無法勝任這項任務，她沒有參與這項研究。許多種類的細胞根本無法被拾取，並且“有些細胞型別需要進行廣泛的製備，否則它們無法透過細胞儀，”她說。為了在太空工作，用於過濾和分類細胞的儀器既需要在地球上進行改進，又需要為太空飛行而小型化。
根據這項研究的共同作者、美國宇航局資助的不可知生物特徵實驗室和該機構的戈達德太空飛行中心的希瑟·格雷厄姆的說法，在這兩個方面都已取得進展。她說，下一步將是在全球邊緣可居住的野外地點部署新工具，這些地點是地球上一些最極端和最貧瘠的生態系統的所在地。一旦天體生物學家開始常規地辨別與我們星球平靜水域中生物生態系統相關的獨特化學比率，他們就可以微調適用於太空飛行的裝置的規格——並且，也許最終，揭示第二次創世紀，它寫在地下海洋化學的數學中。