生命痕迹还是火山喷发？

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编译：王茸

校对：王婧彧 杨伯顺

审阅：李宜骅

美编：徐玖坤

后台：胡永葳

这幅艺术家想象图展示了一颗有活火山的系外行星。我们从遥远的距离看不到火山，只能看到它们对这颗行星大气层的影响，而这却可能会在生物标识辨识方面引发争议。

图片来源: NASA’s Goddard Space Flight Center/Chris Smith (KRBwyle)

天文学家们正在努力了解系外行星上的生物标识，以及它们是如何揭示生命存在的。但是，我们遇到的每一颗行星都是一个独特的谜题。说到行星大气，碳是这个谜题中的重要一环，因为它对气候和生物化学有着强大的影响。如果科学家们能够弄清一颗行星的碳如何而来和从何而来，以及它在大气中的表现，那么他们就在解开谜题方面取得了进展。

但是，系外行星大气中的碳也会节外生枝，它可能会发出混合信号，扰乱判断。

碳，在这里指碳的所有主要种类，比如如二氧化碳、一氧化碳和甲烷（CO2、CO 和 CH4）。一项新的研究探讨了与地球相似的系外行星大气中这些化学物质的多样性。这些系外行星同样围绕着与太阳类似的恒星运行。

这项研究的题目是 "类地无生命行星大气中二氧化碳、一氧化碳和甲烷的相对丰度"。该研究已提交给《天体物理学报》（The Astrophysical Journal），可在网站arxiv.org上查阅。作者是渡边康人（Yasuto Watanabe）和尾崎和美（Kazumi Ozaki）。渡边就职于东京大学地球与行星科学系（Department of Earth and Planetary Science at the University of Tokyo），尾崎就职于东京工业大学地球与行星科学系（Department of Earth and Planetary Sciences at the Tokyo Institute of Technology）。

这项研究特别关注一氧化碳。作者说明："我们重点研究了富含 CO 的大气形成条件，因为这有利于生命的起源“。

碳的重要性毋庸置疑。地球上的生命以碳为基础，因此我们认为在别的行星上也是类似的。这幅插图展示太空中的碳分子。

图片来源：IAC；螺旋星云原图（NASA、NOAO、ESA、哈勃螺旋星云小组、M. Meixner、STScI 和 T.A. Rector、NRAO）

在地球目前的大气层中，一氧化碳无法积聚，因为化学反应会破坏它。但在 30 亿年前的远古过去，当海洋中聚集了简单生命时，地球大气中就可能积聚了一氧化碳。这是因为当时大气中的氧气很少，太阳也比较暗。

因此，当我们寻找生物标识时，含有一氧化碳的大气层可能预示着简单生命的存在。这是因为它可以成为生命所需的碳和氧的重要来源。但事实并非如此简单。这项研究旨在理解系外行星大气层的一些细节，以便我们能够确定哪些碳分子混合物（包括一氧化碳）可能是生物标识。

因此，正如研究指出的，详细了解行星大气中支配二氧化碳、一氧化碳和甲烷相对丰度的因素，对寻找太阳系外宜居行星具有深远影响。

这项研究的一个关键概念叫做一氧化碳失控。在像早期地球这样含氧极低的大气中，一氧化碳是通过紫外线辐射的光解离作用产生的。在等式的另一端，一氧化碳则被水的光解离后产生的化学反应破坏。当条件合适时，产生的一氧化碳比破坏的多，这可能导致一氧化碳失控。

了解一氧化碳失控对于生命的出现至关重要，因为生命所需的前生物化学物质（尤其是肽类）在富含一氧化碳的大气中比在富含二氧化碳的大气中更容易产生，来自火星的证据就证明了这一点。

两位研究人员利用大气化学模型来研究一氧化碳失控背后的细节，以及它能以什么样的方式帮助我们辨别可能孕育生命的系外行星。

行星是海洋、陆地和大气之间复杂的反馈机制组成的系统。恒星也扮演着重要的角色，部分原因是它们的紫外光推动了光解离。每个系统都略有不同，有时，或者至少曾有一次，它们导致了生命产生。如果研究人员是对的，一氧化碳失控是一种生物标识，那么他们就有发现了。

在他们模拟的大气组成中，一氧化碳失控发挥了重要作用。研究人员解释说："大气中的化学成分明显分为一氧化碳失控前后两组“。

研究人员在大气化学中发现了一个对生命非常重要的可观察到的缺口。"大气化学成分可以在 pCH4/pCO2 （甲烷分气压与二氧化碳分气压之比）与 pCO/pCO2 （一氧化碳分气压与二氧化碳分气压之比）的相空间中被清晰分类，其中出现了一个明显的间隙结构"。

那么，行星科学家能否将这种差距作为一种生物特征来寻找呢？事情并没有那么简单，还有一样东西会误导判断结果，那就是火山。

从国际空间站俯瞰埃特纳火山的壮观景象。在可能孕育出生命的系外行星上，火山也可能无处不在，但它们的存在会使大气中的生物特征难以辨别。

图像来源: NASA

岩浆可以通过排出比甲烷更多的一氧化碳来改变大气。因此，它可以导致一氧化碳失控，而不需要紫外线能量来驱动一氧化碳的产生和积累。科学家对前生物地球条件的研究结果表明，一氧化碳的光化学不稳定性（即一氧化碳失控）往往是由较高的二氧化碳分压水平和还原性气体排量的增加引发的。

这两位研究者并没有为我们提供一种检测生物标识的可靠方法。但他们所做的为未来研究铺平了道路，让科学家在生物标识方面更有把握。他们认为一氧化碳失控间隙结构将是围绕类太阳恒星运行的类地行星的普遍特征。

总结一下：为了更好地限制一氧化碳失控所需的条件，大气和固体地球过程的耦合建模至关重要。地球固化过程是发生在地壳、地幔和地核中的过程，所以火山是基本的研究对象。

这样的研究总会引出更多需要研究的问题。但对于我们这些不是科学家的人来说，这项研究至少说明了行星、化学和生命背后非同寻常的复杂性，也说明了我们所看到的一些关于宜居系外行星的简单标题背后存在的复杂性。

这些结果有助于我们对中心恒星光谱类型、大气成分、气候、构造活动和生命起源之间错综复杂关系的理解，也有助于我们对太阳系外宜居世界的持续探索

https://www.universetoday.com/163383/is-it-life-or-is-it-volcanoe

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