探索外星生命 (1) 那些曾在、能在太空中存活的生物

地球上生命的起源目前還沒有定論,其中一種說法認為地球上的生命來自於外太空。人類曾經將不同的生物送上外太空觀察其反應。生物的種類真的是五花八門,人類看似過於極端、不適合生存的環境,反而可能是某些物種的樂園。曾有生物在太空繁衍後代,也有生物曾暴露在太空環境中還存活了下來。

撰文|許世穎

圖片出處:Bob Goldstein & Vicky Madden, UNC Chapel Hill [1]

人類是宇宙間唯一的高智生命嗎?能孕育生命的地球在宇宙中是否唯一?人們總是不甘寂寞,向這遼闊的宇宙探索其他生命的可能。

研究宇宙間生命的科學稱為「天文生物學(Astrobiology)」,包含了生命的起源、演化、探索外星生命等。眼下地球似乎是是唯一孕育生命的所在,為了探索宇宙間是否有其他的生命跡象,或許可以先從地球生命的起源了解。

 

●   地球生命是從外太空來?

地球上生命的起源主要有幾種不同的說法,其中一類稱作「胚種論(Panspermia)」,意思是在宇宙間本來就存在如微生物的簡單生命,這些微生物在宇宙間漫無目的的飄遊,一但抵達適合居住的星球以後,就會開始發展,成為該星球的生物祖先。
 
為了測試生命究竟有沒有辦法在宇宙的環境中長時間生存,科學家也曾將不同生物發射至太空中觀察。人類第一次將生物送上太空是在1947年,當時美國想測試生物在高空的輻射下的反應,因此把果蠅裝在火箭裡射上109公里的高空(註)並返回地球,最後這些果蠅成功存活下來。
 
註:太空與大氣層的的分界線稱為「卡門線(Kármán line)」。卡門線並沒有一致的定義,國際航空聯合會的定義為100公里,而美國空軍和美國航太總署(NASA)則用海拔80公里。
 
美國想要在人類上太空以前,測試靈長類進入太空的反應,因此在1948年把果蠅換成獼猴進行實驗。這隻名為「Albert」的獼猴飛行高度只達到63公里左右,而且不幸在過程中死於窒息。隔年(1949年)美國換了隻獼猴,再次進行了實驗,而這次的「Albert II」成功到達134公里處高空,但回到地球時由於降落機制出錯,不幸死於撞擊,不過Albert II還是被認定為第一隻到達太空的靈長類動物。除了獼猴和果蠅以外,人類還陸陸續續送了老鼠、狗、兔子、黑猩猩、天竺鼠、貓、青蛙、魚、蜘蛛、蟑螂......等等上太空。每一次任務都有不同的目的和成果。
 
最誇張的是2007年的BIOPAN-6衛星任務,太空船名稱為Foton-M3。這項任務中有兩項里程碑,首先是將一整群蟑螂送上太空,其中一隻名為「Nadezhda(俄文,意即『希望』)」的母蟑螂竟然在太空中生了後代。就出生地來看,這些在小蟑螂或許是真正意義上的「外星生命」...
 
另一項里程碑,則是首次有生物「暴露在宇宙環境中存活」!宇宙中的生存環境極為惡劣,不但寒冷、真空,甚至還有高能的宇宙射線。人類將生物送上太空時,基本上都有一定的防護(當然也有例外造成悲劇,見延伸閱讀:《太空競賽!(2):太空犬萊卡》)。Foton-M3將一群「水熊蟲(water-bear,圖1)」送上太空,整整十天的航程暴露在太空環境、沒有任何外加防護,最後竟然有68%的水熊蟲存活了下來!

圖1:水熊蟲(water-bear)|出處: Schokraie E, Warnken U, Hotz-Wagenblatt A, Grohme MA, Hengherr S, et al. (2012) [2]、Bob Goldstein & Vicky Madden, UNC Chapel Hill [1]

當然,這項任務的結果其實只證實了生命暴露在宇宙中存活的可能性,並不代表地球的生命起源真的就來自外太空。即便「胚種論」是正確的,最多也只能解釋地球生命的來源,並沒有辦法解釋宇宙中生命的起源。

 

●   嗜極生物:惡劣的生存環境?這根本是樂園!

其實生命的種類當真是五花八門、各有所長,有些環境對人類而言非常不友善,但對一些生物來說卻跟遊樂園一樣。舉例來說,美國黃石國家公園的熱泉溫度高達85℃!大概沒有什麼人類泡在裡面會覺得舒服,但有些細菌卻甘之如飴,這些細菌使溫泉出現了美麗的顏色變化(圖2)。

圖2:美國黃石公園的大稜鏡溫泉,水溫高達85℃。當中岸邊淺色的部分的就是喜好高溫的細菌所造成|出處: Jim Peaco, National Park Service [3]

另一個更驚人的例子:雖然幾乎所有生物都需要氧氣才能存活,但在地球上竟然有細菌必須要空氣中氧氣含量極低的地方(如:深海)才能存活!地球上大氣中的氧氣含量一般為20%左右,有些「專性厭氧菌」竟然喜歡在大氣含氧量0.5%的地方生存!

這些「能或只能在極端環境」生存的生物被稱為「嗜極生物(Extremophile)」,由於宇宙中的環境相當極端,因此嗜極生物也是天文生物學家研究的方向之一。前文提到曾暴露太空環境後仍能生存下來的水熊蟲也是嗜極生物。水熊蟲只有不到1毫米大,在惡劣的環境中會暫停新陳代謝,進入「隱生(cryptobiosis)」的狀態。在這樣的狀態下,水熊蟲可以忍受低溫(接近絕對零度)、高溫(約150℃)、真空、高壓或大量的輻射。應對不同的情況,水熊蟲會有不同的隱生機制。當環境變回常態時,水熊蟲會再次恢復活動(圖3)。

圖3:水熊蟲活躍狀態(A)與隱生狀態(B)|出處: Ricardo Cardoso Neves, Lykke K. B. Hvidepil, Thomas L. Sørensen-Hygum, Robyn M. Stuart & Nadja Møbjerg [4]

2019年的創世紀號是以色列的登月計劃,上面還攜帶了上千隻脫水,進入隱生狀態的水熊蟲。後來太空船不幸墜毀在月球的土地上,水熊蟲們就這樣砸在月球的土地上。有些人認為這些水熊蟲在砸下去的時候就全部死亡了,也有人覺得牠們可能成功抵達月球表面、維持隱生狀態,哪天帶回來加水就可以恢復活力。無論結果如何,這個事件一定程度地污染了月球表面,因此也引來一些批評 [5] 。

關於地球生命起源,除了來自外太空的說法以外,另一大類則認為地球的環境能自然發展出生命。這樣一來, 既然地球是人類目前已知唯一能孕育生命的星球,要探索外星生命,就得尋找那些與地球相仿的天體了......(待續)。

 

參考資料:

  1. flickr/Goldstein lab - tardigrades
  2. Wikipedia/Tardigrade
  3. Wikicommons/File:Grand prismatic spring.jpg
  4. Wikicommon/File:41598 2019 56965 Fig1 HTML.webp
  5. Jonathan O'Callaghan, “Hardy water bears survive bullet impacts—up to a point”, Science, 18 May 2021, doi: 10.1126/science.abj5282
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