探索外星生命 (2) — 無中生有的生命、適合生命的區域

2022 年 08 月 02 日2022 年 08 月 08 日 CASE PRESS 外星生命, 適居帶, 非生物成因論

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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）。

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：

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