地球宜居之谜：科学家发现“水之外”的关键条件

地球之所以成为孕育生命的行星，可能源于其在诞生之初恰到好处地达成了一种微妙的化学平衡，使关键的生命元素既没有被封存在行星核心深处，也没有逃逸到太空中。一项由瑞士苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich）研究团队主导的最新研究指出，单有液态水远远不够，行星在形成金属内核的早期阶段，必须满足极为狭窄的含氧条件，才能同时保留对生命至关重要的磷和氮。

在遥远星空中，一颗行星看上去也许温度适宜、表面可能存在海洋，但如果缺乏合适的化学“配方”，生命依然难以出现。研究人员强调，磷和氮在生命体系中扮演“守门人”角色：磷是遗传信息载体分子和细胞能量分子的重要组成成分，而氮则是蛋白质的核心元素，关系到细胞结构与功能的构建与维持。更关键的是，这两种元素能否在行星表层长期可用，很大程度上在行星仍处于炽热熔融阶段、核心尚在形成之时就已被“预先决定”。

该研究由ETH苏黎世“生命起源与普适性中心”的博士后研究员克雷格·沃尔顿（Craig Walton）与教授玛丽亚·舍恩贝克勒（Maria Schönbächler）共同领导。他们发现，要让磷和氮在行星表面附近得以保存，关键在于行星金属核心形成过程中的含氧量必须控制在极为精确的范围内。沃尔顿指出，如果在这一阶段氧太少，磷会倾向与铁等重金属结合，下沉到核心中，从而几乎从表层环境中“消失”；如果氧过多，虽然磷可以留在地幔，但氮更容易逃逸到大气层中，最终流失到太空。也就是说，保护一种元素的条件，很可能会让另一种稀缺，二者难以兼得。

为了量化这一化学平衡窗口，研究团队利用大量计算机模型模拟了不同氧含量下元素在金属与岩石之间的分配行为。结果显示，只有在极其狭窄的一段中间氧化状态下，磷和氮才能同时以适合生命演化的丰度留存在地幔中。研究者将这一条件形象地称为“化学版的金发姑娘区”——既不能太“缺氧”，也不能太“富氧”，必须恰到好处。沃尔顿表示，模型结果清楚地表明地球正好落在这一狭窄窗口内：如果当初的氧含量略高或略低，地球上可供生命使用的磷或氮都可能不足，生命的出现将变得极不可能。

研究同时显示，在不同形成条件下的其他类地行星，很可能没有如此“走运”。以火星为例，模拟结果表明其形成时的氧水平落在该化学“宜居区”之外。因此，火星地幔中虽然可能比地球保留了更多的磷，但同时氮明显匮乏，这种组合意味着它对我们所理解的生命形式并不友好。从这一视角看，火星之所以难以维持稳定而丰富的生物圈，并不仅仅是因为气候和水的缺乏，其深层化学条件在一开始就对生命不利。

这一发现正悄然改变科学界寻找外星生命的策略。过去，人们在评估一颗系外行星是否可能存在生命时，往往把“是否有液态水”作为首要标准，只要行星位于恒星的“宜居带”内、温度允许水保持液态，就被视为潜在的生命摇篮。然而沃尔顿与舍恩贝克勒指出，这样的标准远远不够，因为如果在核心形成阶段，含氧条件不合适，许多行星在化学层面上从一开始就已经不具备孕育生命的可能，即使它们表面有海洋、温度适宜也无济于事。

值得注意的是，这些化学前提条件并非完全无法观测。天文学家可以借助大型望远镜，通过观测其他恒星和行星系统的光谱，间接推断行星形成时的氧含量和整体化学组成。行星的“原料配方”在很大程度上由其母恒星决定，因为行星主要由与恒星相同的物质构成。因此，如果一个行星系统中的恒星在化学元素分布上与太阳差异很大，那么该系统中行星拥有适宜磷与氮平衡的机会就大大降低，也就不是寻找生命的理想目标。

沃尔顿表示，这项研究让搜寻外星生命的范围变得更加具体而集中。与其在宇宙中“撒网式”寻找所有处于传统宜居带的行星，不如优先锁定那些母恒星在化学组成上与太阳相似的恒星系。在这些系统中，行星在诞生时获得类似地球的氧条件、进而保留足量磷和氮的概率更高，存在生命的可能性也更大。

相关论文以《核心形成过程决定地球及类地行星的化学宜居性》（暂译）为题，于2026年2月9日发表在《自然·天文学》上。研究团队认为，随着观测技术不断进步，人类有望在未来几十年内不但在系外行星上探测到水和大气，还能进一步判断这些世界在化学层面是否具备类似地球的生命“底色”。