探索外星生命 (2) — 無中生有的生命、適合生命的區域

地球上的生命起源除了可能是來自外太空以外,也可能是在地球上自然出現。古希臘就有相關的論點,不過其內涵與現代的理論不同。普遍相信,地球之所以能孕育生命,最重要的原因是液態水的存在,在這個基礎上出現了「適居帶」的概念。

撰文|許世穎

圖片出處 Kepler mission/Ames Research Center/NASA [1]

地球生命起源尚無定論,前文介紹了代表「生命從外太空來」的「胚種論」(延伸閱讀:《探索外星生命 (1) — 那些曾在、能在太空中存活的生物》)。與此相對的,則是「生命能在地球上無中生有」。

 

●   早期的「生命無中生有」:生物直接變出來

這個想法最早甚至可以追溯到古希臘時期的「自然發生論(Spontaneous generation)」,意思是說生物普遍能從無生命物質中自然產生。在這個思想中,灰塵會發展成跳蚤、腐肉自己會生成蛆。

圖1:測試「自然發生論」的實驗內容。三個放了腐肉的玻璃罐,開放的出現了蛆(左)密封的則沒有(中),用網布罩住的則有蛆逗留在網布外(右)。顯現腐肉不會自己生出蛆,而是受到外界的影響。圖片來源: CNX OpenStax [2]

「自然發生論」比起科學理論,更像是一種哲學思想,而這個思想的集大成者就是著名的哲學家亞里士多德。雖說以現代科學眼光來看,這個說法顯得荒謬,但在那個對微生物等所知甚少的年代,確實能夠解釋一些現象。一直流行到17世紀,這個論點才逐漸被一系列的實驗所淘汰。

 

●   現代的「生命無中生有」:從簡單生命一步步變複雜

到了現代,則有另一種「從無生命發展出生命」的理論,稱為「非生物成因論(Abiogenesis)」,內涵為:地球上的環境,可以自然發展出簡單的生命體,而這些簡單的生命體再一步一步發展成複雜的生物。

1953年史丹利.米勒( Stanley Miller)和哈羅德.尤里( Harold Urey)進行了生命起源的最經典的實驗之一:「米勒—尤里實驗(Miller-Urey experiment)」。研究團隊想要測試:在閃電的觸發下,早期的地球大氣能否發展出生命。為了模擬早期地球大氣環境,研究團隊在無菌的玻璃容器中放入水氣、甲烷、氨、氫氣與一氧化碳等氣體;也放入海水模擬海洋;最後再加入電極模擬閃電(圖2)。在密閉的空間中,玻璃容器中生成了胺基酸,以及可以合成DNA或RNA的有機化合物。[3]

圖2:1953年著名的米勒—尤里實驗設計圖。左上角燒瓶裡面的氣體成分模擬早期大氣,燒瓶中外加電極模擬閃電,右下角的海水則模擬早期海洋。圖片出處:Caiguanhao [4]

這個實驗結果並不代表地球早期環境就一定能自己孕育出生命。首先,實驗最後只是合成出較為複雜的有機化合物,並沒有真的生成生命的代表:DNA或RNA。再者,實驗中的大氣環境性質與真實的狀況不一定相同,甚至有可能大相徑庭。最後,也不是所有的化學成分都要完全靠地球環境自行產生,宇宙間其實存在許多的複雜有機分子,這些分子也有機會成為早期地球環境生命的原料。

 

●   適居帶

如果地球環境能自然孕育出生命,那麼要探索外星生命,自然得去尋找與地球環近相似的行星。普遍相信,地球之所以能成為孕育生命的星球,是因為液態水得以存在。如果一顆行星距離恆星太近就會過熱,太遠則又過冷,只有在恰恰好的距離範圍內,水才有比較大的機會維持液態,這個範圍被稱為「適居帶(habitable zone)」。不同的恆星所產生的適居帶的範圍並不相同,恆星愈熱,適居帶就愈遠離中央的恆星(圖3)。

圖3:不同溫度的恆星,適居帶範圍也不同,由上至下為高溫至低溫。紅色區域溫度過高,藍色則過低,而綠色才是最恰當的適居帶範圍。圖片來源:Kepler mission/Ames Research Center/NASA [1]

除了與恆星的距離、恆星的性質以外,行星自己的性質也會影響液態水的穩定,如:星球表面反射率、溫室氣體含量、大氣環流等。因此適居帶的計算結果,與使用的評估方法、使用參數有很大的關聯。就算是對同一顆恆星的適居帶,也會有很多不同的評估結果。

以太陽系為例,從1964年至今有超過十篇論文提出適居帶的範圍,每一篇提出來的數字都不盡相同。所有方法合在一起的之後,距離太陽0.38至10個天文單位(天文單位=太陽至地球的距離)之間都可以是適居帶,而水、金、火、木、土五顆行星通通都在適居帶裡!就目前觀測資料來看,只有地球存有大量的液態水,這代表那些評估徹底錯誤嗎?那倒不是,而是在這個範圍當中,只要滿足某些條件,液態水還是能穩定存在,只不過這些行星不一定不滿足這些條件。

 

●   星系產生的的適居帶

行星繞著恆星,而恆星則在整個星系中繞轉。如果我們把尺度拉到星系來看的話,每一顆恆星也都受到整個星系的影響。星系對的生命生成的影響有幾個方向:由於星系中不同位置的化學成分會有不同的特徵,離星系中心太遠的地方,重元素(如:鐵)就會比較少少。用這些材料所做出來的行星也會跟著較為缺乏這些重元素。重元素的比例要恰當,才能形成像地球這樣的岩石行星,否則就有可能會像木星一樣都是氣體,液態水也無法存在。
 
星系中不同位置的天體密度也不同,總體說來跟都市的概念很像。恆星等天體在靠近星系中心的蛋黃區比較密集,靠近外緣的地方則比較稀疏。如果天體之間距離太近的話,那麼互相干擾的機會也會跟著增大。宇宙中不乏強大能量噴發的事件(如超新星爆炸),這些事件都有可能摧毀好不容易出現的生命跡象。
 
總體說來,距離星系中心太近、太遠都不好,存在一個最恰當的距離範圍(如圖4),這被稱作為「星系適居帶(Galactic habitable zone,簡稱GHZ)」,與前文由恆星影響所產生的「星周盤適居帶(Circumstellar habitable zone,簡稱CHZ)」互相類比。

圖4:銀河系,綠色區域為大致的適居帶範圍,黃色箭頭標示出太陽的位置。圖片來源: NASA/Caltech [5]

適居帶是我們探索外星生命的重要指標,不過太陽系中的行星照定義也就8顆。除了地球以外,其他行星不要說高智生物了,就連生命的跡象都還沒有尋獲。要探索外星生命,勢必得走出太陽系,朝向其他的恆星探索...(待續)

 

參考資料:

  1. Lissauer, J. J. (Invalid Date). habitable zone. Encyclopedia Britannica.
  2. Wikipedia Commons / File:OSC Microbio 03 01 Rediexpt.jpg
  3. Wikipedia Commons / File:Miller-Urey experiment-en.svg
  4. Rogers, K. (Invalid Date). abiogenesis. Encyclopedia Britannica.
  5. Wikipedia Commons / File:Milky Way galactic habitable zone.gif

 

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