在遥远星空中孜孜不倦搜寻系外生命的科学家，一直倚重生物标志物（biosignature）作为重要指标。尽管时至今日，外星生命始终飘渺无踪，但对生物标志物的批判，尤其是对其不确定性的质疑，似乎给外星生命搜寻带来了更多挑战，使得天体生物学的发展方向更加扑朔迷离。
编译 | 小叶
2020年9月，一支国际天文学家团队宣布的一项发现，在全球造成巨大轰动。
他们在《自然·天文学》（Nature Astronomy）期刊上发表论文[1]，报告在如地球般大小的金星大气中检测到高浓度（100ppb）的磷化氢气体吸收线，经过分析可能的成因之后，得出结论：金星上存在前所未知的光化学反应，或者大气层中的磷化氢可能是某种生物留下的印记。
后一推测很快就以“金星上存在生命”这样的标题登上了全球媒体头条。如《纽约时报》报道，“科学家们知道，除了通过生物过程，磷化氢不可能产生，因此他们断言，生物体是这种化学物质来源的唯一解释”。
但这并不是事实。
关于金星大气中存在生命的说法，即使在多年后的今天，仍然充满巨大争议。科学界甚至对金星上是否存在磷化氢都无法达成一致，更不用说这是存在外星生命的有力证据了。
如何搜寻外星生命迹象？
图片来源：pixabay
当初，“金星上存在生命”的消息在世界各地传播开后，很快就引来了学界专家的质疑。
首先，金星的自然环境可谓名副其实的“炼狱”：白天岩质地表温度能够达到480摄氏度，大气中弥漫着二氧化碳，还有浓硫酸构成的云层，时不时就来一场硫酸雨，在这样的环境中，生命如何能长久存活下来？[2]
其次，虽然地球大气中的磷化氢含量很低，主要都来自人类活动、厌氧微生物的释放以及有机物还原、分解等光化学反应，但在太阳系中，土星、木星大气湍流中都存在非生物方式生成的磷化氢：行星内部高温高压条件下形成之后不断转移入大气中，2021年发表在《美国国家科学院院刊》（PNAS）上的一篇论文[3]，通过分析多个射电望远镜数据，提出金星地幔内的磷化物通过处于活跃期的爆炸性火山活动进入大气，和大气中的硫酸发生反应生成磷化氢，阐释了磷化氢存在的可能非生物来源。
最后，还有专家批评团队在数据拟合方面的处理颇有问题。团队使用的是来自阿塔卡玛毫米/亚毫米波阵列望远镜（ALMA）的检测数据，但ALMA的数据噪声较大，研究人员使用大量变量建模来消除噪声。其他专家指出这种颇为激进的数据修复方式很可能产生假阳结果[4]。
在论文发表2个月之后，该团队也在论文页面通过编辑发表声明，承认数据处理方法有误，数据校准确实对研究结论产生影响[1]。
另外，美国国家航空航天局（NASA）戈达德太空飞行中心行星天文学家杰罗尼莫·维拉纽瓦（Geronimo Villanueva）团队更是对该研究的基础数据提出质疑。他们在提交给《自然·天文学》的评论中指出，原论文作者提到的磷化氢吸收谱线实际上可能是构成金星云层的二氧化硫气体[5]。因此，原论文团队发现的到底是不是磷化氢，至今仍有争议，还需要进一步的观测和分析，更不要说这一气体是否是我们“友邻”上存在外星生物的强力证据了。
那么，为什么科学家对行星大气成分如此关注？
首先我们需要了解一下科学家如何搜寻地外甚至系外生命。对于太阳系内的行星而言，我们还可以通过望远镜进行遥感观测，或发射探测器、登陆器展开一番“实地考察”，搜寻生命的证据。但是对于光年之外的遥远系外行星，目前主要甚至可以说唯一的手段，基本上就是借助陆地上或太空中的各种大型天文望远镜进行遥感观测，先找到有大气层的系外行星，然后分析出其大气组成。
具体来说，当星系中的行星绕行到其宿主恒星前方时，恒星发射出的光线会穿透行星大气，天文学家可以通过此时光颜色的变化来探知行星大气组成。因为恒星光由许多不同的颜色组成（如下图1所示），而行星大气中的分子能够吸收恒星光的特定颜色光谱，那么连续的恒星光谱就会变得断断续续（如下图2所示）。而像诸如詹姆斯·韦布空间望远镜（JWST）这样的大型望远镜，就能够观测到光谱的缺失，从而帮助天文学家反推出行星大气组成。
图1：恒星光连续全光谱
图2：恒星光被类似地球的行星大气中的不同分子吸收掉不同颜色后，出现了断断续续的光谱
在确定了大气组成之后，科学家进一步追根溯源，判断这些气体的来源究竟是生物活动，还是非生物活动，最终确定所观测的行星上是否可能存在生命迹象。即便是最原始、最简单的生命活动，也足以鼓舞人心。
到了最后阶段，生物标志物便成为了判断生命迹象是否存在的一个基本但又很宽泛的指标。地球是目前科学家唯一已知拥有生命的行星，因此也成为搜寻系外生命的唯一基准，找到任何与过去、现在的生物产物相关的物质成分，都可以算作生物标志物。例如氧气，地球上大量稳定的氧气便是生物光合作用持续产生的结果；还有甲烷，地球上的甲烷多为生物活动产生，以及人类工业活动产物[6, 7]。
生物标志物的不确定性
然而，找到生物标志物就能确定存在生命迹象了吗？
事情并不简单，从宇宙尺度上看，哪怕是近在“咫尺”的金星，它上面的情况都难以判断，那距离我们数光年远的系外行星就更难确定了。
如果科学家在系外行星上检测到某种假定的生物标志物气体，他们接下来会使用贝叶斯推理这种统计学方方法，基于三大概率来计算生命存在的几率，其中两种与生物学相关，都具有明显的不确定性：第一种概率是全面考虑从行星获得的所有已知信息，计算生命出现的概率；第二种则是“先验”概率，假定该行星上生命存在，那么基于我们现掌握的行星科学背景知识，计算出可检测到的生命信号的概率。
而第三种概率涉及无生命行星产生可检测到的生命信号的概率。近年来，越来越多研究人员意识到，这一点恰恰是他们所面临的严峻挑战。
图3：天体生物学家所使用的贝叶斯推理来计算系外行星存在生命的概率P(life|D,C)，需要用到三大概率作为参数来计算：
P(D|C, life)：全面考虑从行星获得的所有已知信息：数据（DATA）和行星科学背景知识（CONTEXT），计算生命出现的概率
P(life|C)：“先验”概率，假定该行星上生命存在，那么基于我们现掌握的行星科学背景知识，产生可检测到的生命信号的概率。
P(no life|C) ：无生命行星产生可检测到的生命信号的概率
来源：10.1089/ast.2017.1737[8]
去年，亚利桑那州立大学天体生物学家科尔·马西斯（Cole Mathis）和东京工业大学地球生命科学研究所的哈里森·史密斯（Harrison Smith）在《生物评论》（BioEssays）上发了篇论文[9]，其中探讨了识别系外行星生物标志物的最大难点，便是区分生物过程和非生物过程。因为许多其他研究提出的生物标志物也有可能出现在非生物系统中，从而导致生命迹象假阳结果的产生，所以能够确定生物活动所特有的明确生物标志物非常重要。
杜伦大学科学哲学家彼得·维克斯（Peter Vickers）提出的“意想不到的替代性解释”（Unconceived Alternatives）[10]理论，与第三种概率密切相关。简单来说，无论是系外行星的地质、化学环境，还是系外生命，其实都有着很多谜团尚待我们解开，那么即使检测到某种气体的存在，在判定是生物来源的生物标志物之前，科学家如何能确定已经排除了所有可能的非生物来源呢？
“大家一直都在探索新思路，有可能存在非生物来源，只是我们还没想到罢了。”维克斯说，“这就是天体生物学中意想不到的替代性解释，我们无法负责任地说完全不存在，这一概率介乎0与1，什么都可能发生。”[11]
NASA的韦布太空望远镜于2021年发射升空，运行期间传回了系外行星k2-18 b的大气组成数据。有些人将其解释为可能的生命现象，但争议同样存在。K2-18 b距离地球120光年，大小介于地球和海王星之间，算是“超级地球”，环绕一颗红矮星K2-18运行，位于宜居带内。2023年，韦布太空望远镜数据显示，行星大气中存在统计学上微弱的二甲基硫化物（DMS）痕迹[12]。在地球上，海洋生物会生成DMS，研究人员因此解释说这颗行星可能是“水世界”，拥有可宜居的海洋表面。
然而，其他科学家对同样的气体做了另一番解释：这一大气组成也可以证明这是一颗类似于海王星的气态行星，不宜居住。
维克斯的“意想不到的替代性解释”理论，已多次迫使天体生物学家修改关于什么物质是确定、合适的生物标志物，前文提到的氧气、磷化氢均有不确定性。在2010年代之前，氧气一直被认为是强大的生物标志性气体，但是包括NASA天体生物学研究所维多利亚·梅多斯（Victoria Meadows）在内的研究人员，开始发现岩石行星在没有生物圈的情况下也有方法积累氧气，例如通过二氧化硫可形成氧气，而金星和欧罗巴上的二氧化硫都很丰富。
只要无法排除所有的非生来源，找到单一所谓“生物标志性”气体并不能与生命迹象划上等号。
组合气体增强确定性
实际上，目前天体生物学家基本放弃了仅将单一气体作为生物标志物的想法。相反，他们专注于识别“组合气体”（ensembles），或者说在没有生命的情况下无法共存的一组气体，以提高生物标志物的确定性，增强其与生命迹象的关联。
如今，如果有什么能够称之为生物标志物的黄金标准，那便是氧气和甲烷的组合气体。在富氧大气中，甲烷会迅速降解。在地球上这两种气体能够共存，是因为生物圈在源源不断地提供氧气和甲烷。
迄今为止，科学家们还没找到“氧气-甲烷生物标志物”的非生物来源解释。但维克斯、史密斯和马西斯仍谨慎地持怀疑态度，认为这一对气体（或者其他任何混合气体）将永远无法给出完全令人信服的结论。“我们没有办法百分之百确定看到的就是生物活动的产物，而不是某种未知星球非生物化学过程的结果。”史密斯说道。
马西斯则指出了遥感观测的一个局限：“JWST并不是生命探测器，它是望远镜，只能告诉我们行星大气中有哪些气体。”
不过，约克大学的天体生物学家萨拉·鲁格海默（Sarah Rugheimer）对此表现得更为乐观，她正在积极研究氧气和甲烷等组合生物标志物的非生物替代性解释。尽管如此，她表示：“如果我们在系外行星上同时看到氧气、甲烷、水和二氧化碳，就值得开香槟庆祝一番了。”
NASA的韦布望远镜获得的K2-18 b大气成分分子光谱，包括二氧化碳、甲烷和二甲基硫化物，那么问题来了，这样的气体组合能作为组合生物标志物来确定该星球存在生命吗？来源：NASA
学界确立统一标准？
面对目前生物标志物的重大不确定性，对某一检测结果，学界不同专家的不同意见和解释很可能掀起各种舆论，也有可能损害公众对科学的信任。随着金星生命论事件在2021年走向高潮，NASA的管理者和科学家呼吁天体生物学界建立确定生物标志物的标准。
2022年，数百名天体生物学家组织一场线上研讨会，讨论了这个问题，制定生物标志物评估通用框架[13]。该框架由五个问题组成，旨在促进天体生物学领域内的不同学科与公众之间的交流：
你检测到了真实信号吗？
你充分确认了该信号吗？
你的检测结果是否有生物来源？
在这样的环境中生命有可能表达出这样的信号吗？
是否存在独立的证据支持生物（或者非生物）解释？
尽管如此，到目前为止学界仍然没有关于生物标志物的官方标准，甚至连定义都没有。
不过维克斯认为，尽管存在不确定性，研究应该继续前进。在像天体生物学这样的新兴领域，碰到死胡同不是什么稀奇事，回头重新开始也很正常。大胆提出各种生物标志物，反而能激励科学家们去积极验证，去寻找是否存在意想不到的非生物解释，以排除各种可能的假阳性结果。
金星生命事件在一片沸沸扬扬之后，学界专家已经冷静下来，正思索下一步研究方向。
美国巴德学院的天体化学家克拉拉·索萨-席尔瓦（Clara Sousa-Silva）是磷化氢专家，也曾参与金星大气检测研究。对她来说，是时候重新考量我们的友邻金星，生物标志物的巨大争议催动科学家开启新的研究项目，不仅仅是去发现、排除磷化氢的非生物来源，也有助于为未来系外行星生命迹象的精准探索提供更强有力的评估标准。
参考资料
[1] https://www.nature.com/articles/s41550-020-1174-4
[2]https://piyao.kepuchina.cn/h5/rumordetail?id=qpjX
[3]https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2021689118
[4] https://www.cas.cn/kj/202011/t20201119_4767449.shtml
[5] https://www.nature.com/articles/s41550-021-01422-z
[6]https://zh.wikipedia.org/wiki/%E7%94%9F%E5%91%BD%E5%8D%B0%E8%BF%B9
[7]https://www.zhihu.com/question/421069854/answer/1477780574
[8]https://www.liebertpub.com/doi/10.1089/ast.2017.1737
[9]https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/bies.202300050?af=R
[10]https://www.liebertpub.com/doi/10.1089/ast.2022.0084
[11] https://www.quantamagazine.org/doubts-grow-about-the-biosignature-approach-to-alien-hunting-20240319/
[12]https://www.nasa.gov/universe/exoplanets/webb-discovers-methane-carbon-dioxide-in-atmosphere-of-k2-18-b/
[13]https://nap.nationalacademies.org/read/26621/chapter/4#8
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2024-04-07
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