地球上是先有宜居性還是先有生命?

一位天文學家認為我們不一定能將兩者區分開來

沿著英國海岸線的這些石灰岩懸崖是由碳酸鈣組成的,碳酸鈣形成於白堊紀時期浮游藻類的骨骼殘骸沉入海底時。

在其他行星上尋找生命的任務即將迎來一次革新。儘管這項任務通常侷限於圍繞所謂的宜居帶執行的行星,這些行星由於靠近它們的主恆星而使溫度正好適合液態水的存在,但許多天文學家開始跳出“金髮姑娘”框框進行思考。一些人想知道,以前被忽視的機制(包括生命本身)是否可以將宜居帶擴大到超出其目前的定義。不列顛哥倫比亞省維多利亞大學的行星科學家科林·戈德布拉特甚至認為,生命改變行星氣候的能力帶來了一個新的悖論:一個行星的宜居性可能取決於生命是否已經在那裡安家落戶,這種情況會使宜居性和生命陷入一個令人困惑的先有雞還是先有蛋的難題。

戈德布拉特一直在研究地球式大氣層之外的區域,以觀察不同濃度的氮氣和二氧化碳如何調整行星的宜居性。例如,較高濃度的二氧化碳可以使一顆相對遠離其主恆星的行星保持溫暖,而較低的濃度可以使一顆靠近的行星保持寒冷。氮氣更加複雜,因為較高的濃度既會散射陽光(有助於冷卻行星)又會使溫室氣體更有效地吸收光(使其保持溫暖)。在2015年秋季於舊金山舉行的美國地球物理聯盟會議上,戈德布拉特認為這些氣體可以幫助行星保持宜居性。他最近在一篇發表在預印本伺服器arXiv上的論文中總結了他的演講。

美國宇航局噴氣推進實驗室(JPL)環繞碳觀測站2的首席研究科學家大衛·克里斯普說:“絕對要記住,宜居性不僅僅取決於你在太陽系中的位置,它是你所居住的行星的屬性。”例如,地球擁有一個內建的溫度控制系統:碳-矽酸鹽迴圈。大約25億年前,太陽非常微弱,海洋本應凍結,但它們沒有。一個簡單的解釋是,地球很可能擁有一個富含溫室氣體的大氣層。然後,隨著太陽亮度的增加,地球透過從空氣中清除二氧化碳來抵消氣候變暖:更高的溫度增加了降雨量,這從大氣中吸走了溫室氣體並將其帶入海洋,在那裡,板塊構造最終將其俯衝到地球的地幔中。如今,世界上大部分二氧化碳都安全地儲存在地殼之下。如果發生相反的情況,太陽的亮度減弱,地球可能會透過向空氣中泵入更多的二氧化碳來抵消氣候變冷。較低的溫度會減緩降水並增加火山爆發,從而將溫室氣體從地球的地幔中噴出並返回大氣層。


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這種平衡行為已經穩定了地球的氣候數十億年,讓二氧化碳的含量上下波動超過1000%,以保持行星的溫度穩定,從而擴大其宜居帶的範圍。這不僅僅是地球化學的原因;碳-矽酸鹽迴圈也取決於生物學。當海洋生物將其轉化為用來建造貝殼的碳酸鈣時,二氧化碳會從海洋中去除。這些生物死亡後,它們會沉入深海,在那裡它們的貝殼被俯衝到地幔中。為了說明這種現象,戈德布拉特指出了多佛的白色懸崖。沿著英國海岸線的這些石灰岩懸崖是由碳酸鈣組成的,碳酸鈣形成於白堊紀時期浮游藻類的骨骼殘骸沉入海底時。看來,二氧化碳和氮氣(它們同樣在地球的地幔和大氣之間來回流動)的含量都可能受行星生物圈的影響。生命創造了有助於維持自身生存的條件。

克里斯普說:“生物圈的存在實際上增加了給定太陽系中宜居帶的跨度。” “環境的宜居性在一定程度上受到它是否被某種生命形式居住的影響。”儘管這一點得到普遍認可,但戈德布拉特更進一步指出,我們無法將一個宜居的行星與生命本身的存在區分開來。戈德布拉特說:“我在這篇論文中想要強調的是一個哲學觀點,而不是一個技術計算點。” “如果不考慮行星上是否已經存在生命,你就不能試圖解決一個行星是否適合生命存在的問題。” 雖然大多數天文學家都在尋找適合在其他恆星周圍孕育生命的星球,但戈德布拉特並不認為一個行星可以被稱為“宜居”。它要麼是有人居住的,要麼就不是。戈德布拉特說,如果我們在所謂的宜居帶中發現一個沒有生命的類地行星,而我們只是把一個生命的卵放在那個行星上,也不能保證生命會紮根。“我們不知道一個在那個[距離]沒有生命的行星實際上會是什麼樣子,”他說。“它看起來會完全不像地球。”

儘管這種悖論可能使尋找生命的任務看起來很渺茫,但戈德布拉特仍然希望我們會在銀河系中找到生命。他只是認為天文學家不應該將自己侷限於恆星周圍宜居帶的如此嚴格的定義。生命可能存在於這些界限內,也可能以科學家尚未想象的方式存在於這些界限之外。為了說明他的觀點,他給我講了一個關於卡爾·薩根的故事。當卡西尼號首次抵達土星時,該航天器將影像傳回地球,薩根和其他科學家可以在JPL的一個房間裡觀看這些影像首次出現。大多數科學家都試圖立即解釋這些結果,但薩根保持沉默。他知道理論推演已經結束。是時候讓資料自己說話了。“當我們進入太陽系時,我們發現了一些我們從未預料到的事情,”戈德布拉特說。“當我們去觀察行星大氣層時,我們會發現一些我們意想不到的事情。我們需要準備好拓寬我們的視野。”

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