什么样的星球是“宜居”星球？

作为地球的“姊妹行星”的火星，因大气层与地球相似，且明确发现了水痕迹而备受关注。自1960年以来，人类不断向火星发射探测器，经过大量的探测和分析，科学家们发现火星在大约40亿年前曾是太阳系中最适合生命生存的星球。那么，火星是否能够重新成为宜居星球，成为人类的第二家园？除火星外，位于火星和木星轨道之间的谷神星同样引发了科学家们的期待，科学家在这颗由岩石和固态水组成的星球上发现了碳基有机化合物，而这正是生命起源的关键物质。与此同时，就在不久前，英国牛津大学宣布确认了一颗位于类太阳恒星宜居带附近的超级地球。这颗被命名为HD 20794 d的“超级类地行星”，其信号首次被捕捉于2022年。科学家认为，这颗超级地球存在液态水的可能性较大。

地球生命的起源及地外生命是否存在等问题一直令人类着迷，无论是科学家、哲学家，还是普通人。了解地球生命的诞生过程，将使人类长久以来对自身起源的探索得到解答，也将大大提高我们对极为复杂的自然过程的认知。不管是对研究生命的生物学家，还是对探讨人类世界观形成方式的知识论者来说，想要认识生命及其基本属性都不是一件简单的事。天体物理学家试图探索太阳系中的其他天体是否有或曾经有生命存在，如果存在的话，那么太阳系之外是否存在“其他地球”，或其他“宜居”星球呢？

以下内容选自《太阳、地球、生命的起源：改变地球早期生命史的14个大事件》，较原文有删节修改。已获得出版社授权刊发。

《太阳、地球、生命的起源：改变地球早期生命史的14个大事件》，[法]米里埃尔·加尔戈[法]埃尔韦·马丁 [法]普里菲卡西翁·洛佩-加西亚等著，冷伟梁鹏林巍等译，后浪丨四川科学技术出版社2025年2月版。

作者 | [法]米里埃尔·加尔戈等

宇宙的千亿星系中有一个很特别的星系，在那个星系的千亿恒星中有一颗恒星名字叫太阳。太阳的行星中有一颗小小的蓝色星球，它所处的位置既不太冷也不太热，这里是无数生命的家园。这颗充满生机的行星——地球，对我们来说是独一无二的，因为它是我们人类的星球。但是经过实际观测，天文学家已经可以确定，大多数类太阳恒星周围都有行星系。那么，系外行星可能宜居吗？

什么样的星球才是宜居的？

从4.57Ga（10亿年）地球在太阳系中诞生到540Ma（百万年）的寒武纪大爆发，这段历史见证了我们星球的形成，它在地球物理和地球化学的作用下不断地被塑造，最终，生命在这里诞生、演化，甚至改变着地貌形态。不过，当我们缺乏证据时，不得不放弃历史分析而求助于理论假说。

我们无法从任何遗迹中了解这种演化的必然性。不过，我们确定偶然性起了决定作用。所以，有没有其他可能孕育生命的行星呢？抑或是，地球是宇宙中唯一有生命的星球吗？

据估计，宇宙的年龄约为13.7Ga，这也是银河系第一代恒星的年龄。换言之，从这个时间尺度上看，银河系在宇宙大爆炸之后不久就形成了。但是，这并不意味着银河系中所有恒星的年龄与宇宙的年龄一样大。我们的太阳只有大概45亿岁，诞生于已经90亿岁的银河系。接着，在太阳形成不到2.0Ga，这个蓝色星球上就出现了生命。太阳的寿命是10.0Ga，表明自银河系诞生以来，数十亿颗“太阳”已经形成、演化，最后以行星状星云的形式被蒸发掉；也表明有数亿颗“太阳”同现在的太阳一样，正处于演化之中。这就意味着，假如这些“太阳”周围也存在“宜居”的星球，即它们当时也满足了生命起源的部分条件，那么，现在这些行星（很多此类行星甚至比地球老得多）上也可能有生命居住。

《太阳、地球、生命的起源：改变地球早期生命史的14个大事件》内页插图。

然而，至少目前看来，即使在整个太阳系，我们似乎仍是“孤独的存在”，我们只有地球这一个孤零零的样本。根据这一样本，我们知道了碳链是现存所有生命体中的分子的基本骨架。这并不算是一个限制条件，因为碳是在恒星中生成的，同氧、氮一样，它也是宇宙中含量最多的元素之一（其含量高出硅元素的10倍）。我们也了解到，液态水可以说是生命出现和演化必不可少的条件。同样，水也是宇宙中常见的分子（如覆盖在星际尘埃颗粒表层的冰）。但即使在今天，我们也难以定量星际介质中以气体形式存在的水的丰度（该问题是2009年春欧航局发射的“赫歇尔”号探测卫星的主要任务之一）。

因此，虽然我们只了解一种生命形式，但根据宇宙的组成（原子、分子和聚合物），我们没有理由把氨溶液中的硅链（硅基生命）等奇异的化学物质当作宇宙中其他星球存在另一种生命形式的证据。其次，水以液态形式存在是一个基本前提，但这需要特定的温度和压力范围。地外生命探索之旅将从这些成分入手：它使我们可以定义“宜居”的星球应该是怎么样的（这并不代表已有生命居住）。我们需要注意，维持地球生命所需的温度和压力范围其实是极为广泛的。假设我们增加一个额外约束条件：存在稳定的能量库（不管是以什么形式，尤其是光及光合作用不存在的情况下，某些生物可以利用矿物质的化学能），可以为生命体的代谢提供能量。

太阳系中的其他生命

太阳系拥有数以千计的天体（行星、卫星、小行星、彗星等），它们的物理化学性质高度多样化。近几十年来的深空探测项目使得人类可以近距离观测这些天体，人们也意识到研究地外生命这一科学问题的复杂性。首先，从行星离太阳的距离来看，太阳系有3颗岩质行星是“宜居”的，也就是说，理论上这些行星的表面可以存在液态水：地球、金星和火星。但现实是，只有地球表面存在液态水且孕育了生命。生命出现的关键因素出现了：大气圈及温室效应的存在。大气圈中的水通过三态循环（冰/液态水/水蒸气）完成能量的交换和从其母恒星上获得的光能的交换。

我们已知道，如今金星的表面温度大约是500℃，液态水不可能存在，显然也不利于生命的生存。由于金星距离太阳较近，且金星大气中95%以上为二氧化碳，这使得金星大气圈非常稠密，很可能曾发生失控温室效应（即由于金星距离太阳太近，它失去了调控其表面温度的能力）。

火星的问题是引力过小，因此气体逃逸效率很高。尤其是水分子，当水汽进入大气并被太阳紫外辐射光解之后，氢的逃逸将使火星脱水。因此，如今火星大气圈较薄且主要为二氧化碳，大气压很低，不能产生足够的温室效应。但是轨道太空探测器如ESA的火星快车探测器的最新探测结果显示，火星表面存在沉积层和沟壑，意味着这颗“红色星球”表面的液态水环境可能曾持续了10亿年之久。如此长的液态水环境足以使生命出现并演化。如果这样的话，火星上的生命能否熬过太阳系形成700Ma后发生的猛烈的晚期重轰击呢？抑或是大撞击导致表面液态水环境的消失？

对搜寻生命迹象的研究者来说，有一点很幸运，火星表面并没有像地球表面一样遭受到构造活动的不断改造。因此，我们仍有望找到古火星生命的残迹。这就是为什么自1975年的海盗号到如今的勇气号、机遇号、凤凰号火星探测器，人类一直积极地在火星地表搜寻生命迹象。值得一提的是凤凰号火星探测器，它在火星北极冰盖附近发现了掩盖在表层尘土下的水冰，验证了火星奥德赛号轨道探测器的观测结果。尽管我们现在没有发现火星人，但如果过去火星上曾经出现过生命，那么生命仍有可能存在于火星地下还存在液态水的某些角落。此外，火星上的地质活动一直很活跃：火星最后一次火山喷发发生在2Ma。因此，现今我们仍不能完全排除火星上存在可为生命提供能量的氧化还原环境的可能性。

伽利略号（Galileo）探测器于1992年12月7日拍摄的月球影像。《太阳、地球、生命的起源：改变地球早期生命史的14个大事件》内页插图。

与火星和金星相比，地球是唯一一个板块构造运动持续进行的类地行星。因此，板块运动可能是生命出现和演化的重要因素之一。地球的板块运动使得氧化性物质和还原性物质共存（比如沿大洋中脊的海底热液喷口），从而在地球内部与表面两者之间形成了一道能稳定提供化学能的分界面。除太阳能之外，生命也可以利用这种化学能。

不过，板块运动的主要作用是调控地球的气候。在地质时间尺度上，板块运动构筑起座座崇山峻岭并导致了大陆的出现，陆面的风化作用将大气中的二氧化碳转化为碳酸盐沉积物，之后沉积岩通过海陆边缘的俯冲带进入地幔。与此相反，板块运动中的火山作用将地球内部的二氧化碳带入大气。换句话说，板块运动在长时间尺度上调节着地球大气的二氧化碳调节系统（碳循环），从而使其温室效应相对稳定。这一特征使地球维持了其表面温度和液态水环境。一个星球是否宜居，很可能与星球的板块运动密切相关。

如果金星和火星都不行，那么太阳系其他地方有可能存在液态水吗？许多环绕巨行星的冰冻卫星的表面显然不可能，但这些卫星的内部可能存在海洋。关于冰下海洋的最有力证据是卡西尼—惠更斯号（Cassini-Huygens）探测器（ESA/NASA）最近在土卫二（恩克拉多斯，土星较小的卫星之一，直径不到500km）上发现的间歇泉。这些间歇泉的存在有双重含义：一方面，它表明土卫二冰层表面之下存在液态水；另一方面，它证明土卫二在土星的引力对其形成的潮汐作用下能够提供足够多的能量来维持其内部的液态水环境。此外，土卫二间歇泉中还发现了气态二氧化碳和有机分子，这意味着某种未知生命体内正在进行着某种化学反应，这种反应可以作为其代谢活动的潜在能量。

基于这项发现，研究者认为在没有阳光的情况下，土卫二深部也有可能具有为生命代谢活动提供能量的来源。另外，惠更斯号探测器在土卫六（泰坦，土星的另一个卫星，也是太阳系唯一有大气圈的卫星）上没有发现水的痕迹，却发现了甲烷海洋。

木星的冰冻卫星—木卫二（欧罗巴，Europe），其大小与月球差不多，也是太阳系中可能存在生命的星球。木卫二表面覆盖的冰层上充满了沟壑，这是冰块缓慢运动的结果。木卫二内部结构模拟结果表明，木卫二内部存在着海洋。尽管我们很难知道生命是如何在这种环境中诞生的，但木卫二已成为几个旨在搜寻地外生命的深空探测项目的目标。

宇宙中的其他生命？

目前，我们不知道太阳系其他地方是否也存在生命。但有一点毫无疑问，银河系拥有数十亿颗行星（系外行星），无论它们是否围绕着太阳型恒星运行，该恒星质量比太阳或大或小从而使行星温度比地球或热或冷，在天文学意义上，每一颗恒星都拥有一个“宜居带”，即星球表面可能存在液态水的区域：行星距离恒星太远，水将被冻结成冰（如果存在水）；距离恒星太近，水将被蒸发成水蒸气。我们可以通过简单的计算来确定宜居带的位置和范围，从而发现是否存在宜居系外行星，而不考虑其质量等特征。2009年4月，研究者根据此标准发现了两颗新的系外行星（截至2009年4月，已发现的系外行星有400颗）。这两颗系外行星属于同一行星系（目前这个行星系有4颗行星），它们的质量分别为地球质量的5倍和7倍。它们都围绕着恒星格利泽581（Gliese581）运行。这颗恒星与太阳大不相同，因为它的质量只有太阳质量的3/10，为一颗红矮星，不过其年龄与太阳的相当。

这一结果表明，只根据行星液态水存在的可能性这一单一标准，我们就能够识别与地球截然不同的“宜居”行星，下文我们会详细讨论这将给生物学带来的重大影响。然而，情况并非如此简单。地质学家和地球化学家指出，地球表面液态水的存在不只与地球到太阳的距离有关，还有其他影响因素。比如，即使是在上述定义的“宜居带”之外的星球上，温室效应造成的热力强迫作用也可能使星球表面温度保持在冰点以上。此外，板块运动的存在也会影响温室效应，从而影响行星的宜居性。换句话说，上文引入的“宜居带”概念（天文学意义上的宜居带）是基于行星所需的最低能量之上进行定义的。这就是我们对宜居带范围之外的天体也感兴趣的原因。不管是系内行星（如行星的卫星们，详见上文土卫二和木卫二）还是系外行星，我们都需要加强对其内部结构和内部动力学的研究（目前在这类行星数量有限的情况下是可能实现的）。

如果我们利用光谱技术研究这些天体的大气圈，潜在“宜居”系外行星带的范围可能会进一步扩大。在系外行星大气圈中，氧气、臭氧及甲烷或氨气等还原性气体的存在也可以作为星球上代谢存在的有力证据。目前，通过地面观测站对系外行星的光谱分析研究，研究者发现系外行星大气圈中可能存在水。不过，我们可能必须等到能够发射极其精密的卫星时才能确定，这是2025年的任务目标。为了获得系外行星的光谱信息，从而证实上文提到过的分子“代谢标志物”（“生物标志物”）的存在，ESA制定了“达尔文”计划（Darwin），NASA也筹划了“类地行星搜索者”（简称TPF）工程。

最后，对生物学家来说，“宜居星球”必须满足现代生命所需的物理化学条件。这些基本条件需要通过研究地球生命生存的极限条件来确定，这意味着存在液态水（但并不局限于地表水，也可以是地下海洋，如上文所述）、适宜的温度（介于0~110℃）及能量源。能量可以是光能，也可以是氧化还原反应产生的化学能，不过后者要求氧化性物质和还原性物质共存。除了上述条件，还有一个条件：行星的地质活动也比较活跃。

生命是宇宙的偶然还是必然？

地球上的生物学家可能需要思考地球生命的起源和演化问题，但对哲学家、化学家、地质学家、天文学家来说，一个基本问题至今仍未得到解答：地球生命在宇宙中是否独一无二？是偶然性的产物（1965年诺贝尔生理学或医学奖得主雅克·莫诺的观点）？抑或具有必然性，即当生命所需的物理化学条件都出现时的必然结果（1974年诺贝尔生理学或医学奖得主克里斯蒂安·德迪夫的观点）？

如果某一天我们在另一个行星系中也发现了生命，或许就可以找到生命起源问题的答案。然而，即使暂且不管雅克·莫诺的激进立场，我们似乎也无法完全赞同克里斯蒂安·德迪夫所倡导的那种“必然性”，因为这种观点也存在很多问题。读者可以自行判断。

如果有一天，我们能够证明生命的出现并非地球上才发生的独特现象，那么不可避免地出现了另一个问题：毫无疑问，宇宙中存在大量的宜居行星，生命在宇宙中依然罕见还是具有必然性和普遍性？如果是后者的话，生命出现甚至生存的这些基本条件是否可以被精确定义呢？单纯从物理化学条件（液态水及有机分子的存在）来看，我们或许可以对其进行定义，因为这些成分遍布宇宙的各个角落，且含量丰富。然而，只要地球生命的起源过程尚未可知，我们就很难给出明确的答案。

《史前星球》第一季（2022）剧照。

即便我们能够回答前面的问题，那么我们可能探测出来的地外生命又是如何进行演化的呢？我们已探测到各种各样可能含有液态水的行星，肯定有很多潜在宜居星球环绕着格利泽581这样的恒星运行。由于这类恒星较冷（相比太阳的5900K，该恒星表面温度仅为3500K）且在红外波段和紫外波段的辐射都大大强于太阳（存在活动剧烈的色球层），其周围行星上的生命所遵循的演化途径很可能与地球生命的大大不同。能量交换又将如何进行？它们的机制和效率如何？会有何种光合作用？演化的速度会有多快？生命会演化到什么样子？与太阳不同，0.3M☉（太阳质量）的恒星的寿命近乎永生！如今还有很多悬而未决的问题待解开。

如果将来我们确实发现了地外生命的可靠迹象，也许我们就能给出这些问题的答案。我们甚至可能通过这种非同寻常但间接的手段来了解地球生命的起源，也就是我们人类的起源。这岂不是一件很有意思的事。

本文经出版社授权刊发。原文作者：［法］米里埃尔·加尔戈［法］埃尔韦·马丁［法］普里菲卡西翁·洛佩-加西亚等；摘编：何也；编辑：商重明；校对：刘军。未经新京报书面授权不得转载，欢迎转发至朋友圈。