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土衛六生命

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太陽系之外的生命
土衛六多光譜視圖

土星最大的衛星土衛六上是否有生命，目前是一個懸而未決的問題，也是有待科學評估和研究的課題。土衛六比地球寒冷得多，但在太陽系所有地方中，土衛六是除地球外唯一所知表面有液體河流、湖泊和海洋的星球，它稠密的大氣層具有化學活性並富含碳化合物，其表面分佈着大小不一的液態甲烷和乙烷，而冰殼下可能有一層液態水。一些科學家推測，這些液體混合物可能為不同於地球的活細胞提供了生命前化學物質。

2010年6月，科學家經分析「卡西尼-惠更斯號」任務數據，報告了地表附近大氣中異常的現象，這可能與存在產甲烷生物的情況相一致，但也可能是由非生物化學或氣象作用所造成[1]。卡西尼-惠更斯任務沒有配備直接尋找微生物或提供複雜有機化合物完整清單所需的設備。

化學

土衛六之所以被視為生命前化學或潛在外星生命的環境，很大程度上緣於其大氣層受外層光化反應驅動而呈現出的多樣性有機化學成分，卡西尼號的質譜儀在土衛六高層大氣中檢測到以下化學物質：

 研究   麥基, 1050 公里  庫伊, 1050 公里  庫伊, 1077 公里  韋特等, 1000–1045 公里          
濃度(厘米−3) (3.18±0.71) x 109 (4.84±0.01) x 109 (2.27±0.01) x 109 (3.19, 7.66) x 109
不同種類比例
氮 (96.3±0.44)% (97.8±0.2)% (97.4±0.5)% (95.5, 97.5)%
氮14氮15 (1.08±0.06)%
甲烷 (2.17±0.44)% (1.78±0.01)% (2.20±0.01)% (1.32, 2.42)%
甲烷13 (2.52±0.46) x 10−4
氫 (3.38±0.23) x 10−3 (3.72±0.01) x 10−3 (3.90±0.01) x 10−3
乙炔 (3.42±0.14) x 10−4 (1.68±0.01) x 10−4 (1.57±0.01) x 10−4 (1.02, 3.20) x 10−4
乙烯 (3.91±0.23) x 10−4 (5.04±0.04) x 10−4 (4.62±0.04) x 10−4 (0.72, 1.02) x 10−3
乙烷 (4.57±0.74) x 10−5 (4.05±0.19) x 10−5 (2.68±0.19) x 10−5 (0.78, 1.50) x 10−5
氰化氫 (2.44±0.10) x 10−4
氬40 (1.26±0.05) x 10−5 (1.25±0.02) x 10−5 (1.10±0.03) x 10−5
丙炔 (9.20±0.46) x 10−6 (9.02±0.22) x 10−6 (6.31±0.24) x 10−6 (0.55, 1.31) x 10−5
丙烯 (2.33±0.18) x 10−6 (0.69, 3.59) x 10−4
丙烷 (2.87±0.26) x 10−6 <1.84 x 10−6 <2.16e-6(3.90±0.01) x 10−6
丁二炔 (5.55±0.25) x 10−6 (4.92±0.10) x 10−6 (2.46±0.10) x 10−6 (1.90, 6.55) x 10−6
氰 (2.14±0.12) x 10−6 (1.70±0.07) x 10−6 (1.45±0.09) x 10−6 (1.74, 6.07) x 10−6
氰基乙炔 (1.54±0.09) x 10−6 (1.43±0.06) x 10−6 <8.27 x 10−7
丙烯腈 (4.39±0.51) x 10−7 <4.00 x 10−7 <5.71 x 10−7
丙腈 (2.87±0.49) x 10−7
苯 (2.50±0.12) x 10−6 (2.42±0.05) x 10−6 (3.90±0.01) x 10−7 (5.5, 7.5) x 10−3
甲苯 (2.51±0.95) x 10−8 <8.73 x 10−8 (3.90±0.01) x 10−7 (0.83, 5.60) x 10−6

由於質譜儀只能鑑定化合物的原子質量而非它的結構，因此需要進行另外的研究來識別所檢測到的確切化合物。文獻中化合物已確認的地方，其化學式已被上述名稱取代。麥基（2009）中的數字涉及高壓背景校正。數據和相關模型顯示的其他化合物包括氨、聚炔、胺類、氮丙環、氘代氫、累積二烯烴、1,3-丁二烯和所有更複雜的低濃度化學物，以及二氧化碳和有限的水蒸氣[2][3][4]。

表面溫度

由於與太陽的距離更遠，土衛六比地球冷得多，表面溫度約為94K(攝氏−179度或華氏−290度）。在這種溫度下，水冰（如果存在）不會融化、蒸發或升華，而是保持固態。由於極端寒冷以及大氣層中缺乏二氧化碳，喬納森·盧寧等科學家們認為土衛六與其說是地外生命棲息地，不如說是檢驗地球上生命出現前所假設環境的實驗地[5]。儘管土衛六表面通常的溫度與液態水不相容，但盧寧和其他人的計算表明，流星撞擊可能會偶爾產生出「撞擊綠洲」—液態水可能會在隕石坑中持續數百年或更長時間，這將使水基有機化學成為可能[6][7][8]。

然而，魯寧並不排除液態甲烷和乙烷環境中的生命，並寫道發現這種生命形式（即使非常原始）將意味着宇宙中生命的普遍存在[9]。

以前關於溫度的假設

土衛六-紅外線視圖
(2015年11月13日)。

20世紀70年代，天文學家發現土衛六發出的紅外輻射水平出乎意料地高[10]。對此，一種可能的解釋是，由於溫室效應，土衛六地表比預期的要熱。一些對地表溫度的估計甚至接近地球較冷地區的溫度。然而，對紅外輻射還有另一種可能的解釋：土衛六表面非常冷，但上層大氣由於乙烷、乙烯和乙炔等分子吸收紫外線而被加熱[10]。

1979年9月，第一艘飛越觀測土星及其衛星的太空探測器-「先驅者11號」發回的數據顯示，按照地球標準，土衛六表面極度寒冷，遠低於宜居性行星通常應有的溫度[11]。

未來的氣溫

土衛六在未來可能會變得更溫暖[12]，從現在起5到60億年後，隨着太陽變成紅巨星，表面溫度可能會上升到約200 K(−70°C），足以使表面存在穩定的水-氨混合海洋。隨着太陽紫外線輸出的減少，土衛六上層大氣中的霧霾將被耗盡，從而減輕表面的抗溫室效應，並使大氣甲烷產生的溫室效應發揮更大的作用，這些條件加在一起可創造出一種適合外星生命形式的環境，並將持續數億年[12]。這是地球上簡單生命足夠進化的時間，儘管土衛六上氨的存在可能導致同樣的化學反應會變得更慢[12]。

表面液態水的缺乏

2009年，美國宇航局天體生物學家安德魯·波霍里勒（Andrew Pohorille）將土衛六表面缺乏液態水作為反對生命存在的理由。波霍里勒認為，水非常重要，不僅是「我們所知的唯一生命」所使用的溶劑，而且它的化學性質「特別適合於促進有機物的自我組織」。他質疑在土衛六表面尋找生命的前景是否足以證明所付出的代價是合理的[13]。

可能的地下液態水

實驗室模擬結果表明，土衛六上存在足夠的有機物質，足以開始類似於地球生命起源的化學演化。雖然這種類比的假設前提是液態水存在的時間比目前觀察到的要長，但一些推測表明，撞擊產生的液態水可以保存在凍結的隔離層下[14]。也有人提出，地表下深處可能存在液氨海洋[15][16]，一種模型表明，在水冰殼下有深達200公里的氨水溶液，這種條件「按地球標準看雖然極端，但生命確實能夠存活」[17]。內層和上層之間的熱傳遞對於維持任何地下海洋生命都至關重要 [15]。探測土衛六上的微生物生命將取決於它的生物效應，例如，可以檢查大氣層中甲烷和氮的生物成因[17]。

2012年，從美國宇航局卡西尼號航天器獲得的數據進一步證明了土衛六冰殼下可能含有一層液態水[18]。

複雜分子的形成

土衛六是太陽系中已知唯一一顆擁有大氣層的天然衛星，由多種微量氣體組成，充分演化的稠密大氣層，其化學性質活躍，富含有機化合物，這導致人們猜測那裏是否可能產生了生命的化學前體[19][20][21]。大氣層中還含有氫氣，氫氣在大氣和地表環境中循環，與地球產甲烷菌類似的生物可與某些有機化合物（如乙炔）結合而獲取能量[19][20][21]。

土衛六大氣層中的痕量有機氣體-異氫氰酸（左）和氰基乙炔（右）。

米勒-尤里實驗和隨後的幾項實驗表明，在類似於土衛六的大氣中，加入紫外線輻射，可生成複雜的分子和聚合物，如托林。反應開始於氮和甲烷的離解，形成氰化氫和乙炔，進一步的反應已被廣泛研究[22]。

2010年10月，亞利桑那大學的莎拉·赫斯特（Sarah Hearst）報告，在將能量施加到類似土衛六大氣的氣體組合中時，在產生出的許多化合物中，發現了組成去氧核糖核酸(DNA)和核糖核酸(RNA)的五種核鹼基，赫斯特還發現了構成蛋白質的氨基酸。她說，這是首次在這種沒有液態水參與的實驗中發現的核鹼基和氨基酸[23]。

2013年4月，美國宇航局報告說，根據模擬土衛六大氣層的研究，土衛六上可能會出現複雜的有機化合物[24]。2013年6月，在土衛六上層大氣層中檢測到多環芳香烴（PAHs）[25]。

研究表明，在土衛六的環境中，聚亞胺可很容易地起到積木的作用[26]。土衛六大氣中產生大量的氰化氫，氰化氫很容易聚合成能在土衛六表麵條件下捕獲光能的形式。到目前為止，土衛六上的氰化物發生了什麼還不得而知，雖然它在產生的上層大氣中含量豐富，但在表面被耗盡，這表明有某種反應消耗了它[27]。

假說

烴類溶劑

參見：假定型生物化學
2006年卡西尼號雷達圖像顯示的土衛六上碳氫化合物湖

儘管地球上的所有生物（包括產甲烷菌）都使用液態水作為溶劑，但可以想像土衛六上的生命可能會使用液態碳氫化合物，如甲烷或乙烷[28]。水是比碳氫化合物強的溶劑[29]，但水的化學反應性也更強，能通過水解分解大有機分子[28]。以碳氫化合物為溶媒的生命形式則不會使生物分子面臨此種破壞的風險[28]。

土衛六表面顯示有液態乙烷或甲烷的湖泊、河流和海洋，一些科學模型表明這些河流和海洋可能支持假設的非水基生命[19][20][21]。據推測，生命可能存在於土衛六表面液態甲烷和乙烷河流及湖泊中，就像地球上生活在水中的生物一樣[30]。這種假想的生物會以氫代替氧，與乙炔而非葡萄糖反應，產生出甲烷而不是二氧化碳[30]。相較之下，地球上的一些產甲烷菌則是通過氫與二氧化碳反應以獲取能量，從而產生出甲烷和水。

2005年，天體生物學家克里斯·麥凱（Chris McKay）和希瑟·史密斯（Heather Smith）預測，如果產甲烷生命消耗足夠數量的大氣氫，它將對土衛六對流層的混合比產生可測量的影響。預計的影響包括乙炔含量遠低於預期，以及氫本身濃度的降低[30]。

2010年6月，約翰·霍普金斯大學的達雷爾·斯特羅貝爾（Darrell Strobel）報告了與這些預測相一致的證據，他分析了高空和低空大氣層中氫濃度的測量結果。斯特羅貝爾發現，上層大氣層中的氫濃度遠大於地表附近，以至於擴散作用導致氫以每秒約1025個分子的速率向下流動。在地表附近，向下流動的氫顯然消失了[29][30][31]。而同月發表的另一篇論文顯示，土衛六表面的乙炔含量非常低[29]。

克里斯·麥凱同意斯特羅貝爾的觀點，正如麥凱在2005年文章中所暗示的那樣，生命的存在是對所發現的氫和乙炔的一種解釋，但同時也警告說，目前更可能還有其他的解釋：即這種結果可能是由於人為錯誤、氣象作用，或某些存在的催化礦物使氫和乙炔發生了化學反應[1][32]。他指出，這種在攝氏−178度（95 K）下有效的催化物，目前尚不為人所知，其本身將是一種驚人的發現，雖然不如發現地外生命形式那麼令人震驚[1]。

2010年6月的調查結果引起了媒體的極大關注，英國《每日電訊報》的一篇報道在其中提到了「原始外星人」存在的線索[33]。

細胞膜

2015年2月，對一種能夠在液態甲烷中發揮作用的假想細胞膜進行了建模[34]，並提出這些膜的化學基礎是在土衛六上已檢測到[35]的丙烯腈，被稱為「偶氮體」（「氮質體」），由希臘語中的「氮」（azoto）和「體」（soma）組成，缺乏地球上磷脂中的磷和氧，但含有氮。儘管化學結構和外部環境非常不同，但其性質卻驚人地相似，包括薄膜的自我成型、柔韌性、穩定性及其他屬性。根據計算機模擬，在所發現的土衛六天氣條件下，偶氮體無法形成或發揮作用[36]。

2017年完成的卡西尼號數據分析證實，土衛六大氣中含有大量丙烯腈[37][38]。

相對宜居性

為評估在各類行星和衛星上發現任何種類生命的可能性，德克·舒爾茨·馬庫赫（Dirk Schulze Makuch）和其他科學家開發了一項行星宜居性指數，該指數綜合考慮了地表和大氣特徵、能源可用性、溶劑和有機化合物等因素[39]。根據2011年末可用數據得出的該指數值顯示，土衛六是所有已知世界中除地球外具有最高宜居等級的星球[39]。

土衛六測試案例

雖然卡西尼-惠更斯號任務沒有裝備搜索生命印跡或複雜有機物證據的設備，但它顯示了土衛六上的環境在某些方面類似於原始地球理論[40]。科學家們認為，早期地球的大氣成分與土衛六現在的成分相似，只是土衛六上缺少了水蒸氣[41]。許多假說正嘗試在化學演變到生物進化之間架起一座橋樑。

2007年，美國國家科學研究委員會下屬的一個科學家委員會在一份有關生命極限條件的報告中，將土衛六作為化學反應性與生命之間關係的一則測試案例。該委員會主席約翰·巴羅斯認為，「如果生命是化學反應的內在屬性，那麼土衛六上就應該存在生命。事實上，如果土衛六上不存在生命，我們不得不說，生命並非含碳分子在穩定條件下反應的固有特性……」[42]。

科學家大衛·格林斯彭（David Grinspoon）在2005年提出土衛六上的假想生物可能利用氫和乙炔作為能量源[43]，在討論土衛六生命時提到了蓋亞假說。他認為，正如地球環境和生物一起進化一樣，同樣的事情也可能發生在其他有生命的星球上。在格林斯彭看來，那些「地質和氣象上有活力的世界，在生物性方面也更可能有活力」[44]。

胚種論或獨立起源

現已提出了對土衛六上生命存在假設的另一種解釋：如果在土衛六上發現了生命，它可能就起源於地球，其作用稱為胚種論。從理論上講，小行星和彗星對地球表面的巨大撞擊已導致數億塊富含微生物的岩石碎片脫離地球引力。計算表明，其中的一些會遇到太陽系中包括土衛六在內的許多天體[45][46]。另一方面，喬納森·魯寧（Jonathan Lunine）認為，土衛六低溫碳氫化合物湖中的任何生物都必須在化學上與地球生物有很大的不同，以至於一種生物不可能成為另一種生物的祖先[47]。在魯寧看來，土衛六湖泊中存在的生物體代表太陽系內第二種獨立的生命起源，這意味着生命極有可會能出現在整個宇宙的宜居星球上[48]。

計劃和擬議中的探索任務

參見：土衛六 § 擬議或概念中的任務

亞利桑那大學天文學家克里斯·因皮（Chris Impey）說，擬議中的泰坦海洋探測器任務是一艘會濺落在土衛六湖中的發現級着陸器，「將有可能探測生命」[49]。

計劃中的蜻蜓號旋翼機任務旨在降落在堅實地面上並多次遷移[50]。蜻蜓號將成為第四次新疆界計劃任務，它將研究土衛六上生命起源前化學的演化程度[51]。所攜帶的設備將分析土衛六表面的化學成分，並對低層大氣進行取樣，以獲取可能的生命印跡，包括氫的濃度[51]。

另請查看

參考文獻

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