重返泰坦

劉聲遠(yuǎn)

蜻蜓無(wú)人機(jī)探測(cè)泰坦（想象圖）。

它的天空是灰蒙蒙的橘紅色，它的遠(yuǎn)方是一顆有環(huán)的巨行星。站在它的海岸上，你會(huì)看見(jiàn)哪怕一絲漣漪都沒(méi)有的墨黑色海洋。

這里是克拉肯海。它位于泰坦（土衛(wèi)六）的北極地區(qū)，面積達(dá)40萬(wàn)平方千米。作為土星最大的一顆衛(wèi)星（土衛(wèi)），泰坦距離太陽(yáng)如此遙遠(yuǎn)，表面溫度如此之低，以至于它的表面不可能存在液態(tài)水，當(dāng)然也不存在支持地球生命那樣的化學(xué)機(jī)制。然而，隨著科學(xué)家對(duì)泰坦的奇異化學(xué)特性了解得越多，這個(gè)冰封世界反而越發(fā)成為在太陽(yáng)系中尋找外星生命的最佳去處。美國(guó)行星學(xué)家薩拉指出，雖然有不少地方可能存在以水為根基的生命，但迄今已知可尋找別樣生命（即不同于地球生命）的地方只有泰坦，而要想知道泰坦是否真的存在生命，就必須去那里看看。

雖然只是去“看看”，但實(shí)際上需要執(zhí)行一次意氣風(fēng)發(fā)的大膽任務(wù)。這項(xiàng)眼下正在醞釀中的任務(wù)，就是發(fā)射一架裝載感應(yīng)器的無(wú)人機(jī)近距離探測(cè)泰坦，甚至?xí)r不時(shí)著陸泰坦，尋找生命跡象。

荷蘭天文學(xué)家惠更斯在1655年首先發(fā)現(xiàn)泰坦，但科學(xué)家對(duì)泰坦的大部分了解都來(lái)自美國(guó)宇航局不久前的卡西尼任務(wù)。2005年，執(zhí)行該任務(wù)的惠更斯探測(cè)器穿透泰坦云層，在泰坦表面登陸。登陸后它只工作了幾小時(shí)，在失去與地球的聯(lián)系之前，它向地球發(fā)回了350張模糊不清的圖像和為數(shù)不多的數(shù)據(jù)。接下來(lái)10年里，卡西尼號(hào)飛船游弋在土星系統(tǒng)中，每次經(jīng)過(guò)泰坦都發(fā)回非凡的圖像。

盡管泰坦遠(yuǎn)離地球大約14億千米，它看上去卻與地球頗為相似。泰坦也有稠密大氣層，只不過(guò)其中的含氧量很低。泰坦也有山脈，一些山峰高聳入云3300米。泰坦也有云層，季節(jié)性暴雨流進(jìn)湖泊、海洋。像克拉肯海這樣的泰坦大洋，就算從軌道中也看得見(jiàn)。事實(shí)上，泰坦是太陽(yáng)系中除了地球外唯一已知在表面存在液體的地方。

由于泰坦表面溫度從未高于-180℃，所以任何液態(tài)水都被凍結(jié)。泰坦上流動(dòng)的是暗黑、油狀的液態(tài)甲烷和乙烷，而這些物質(zhì)在地球上通常是氣體。含氮量很高的泰坦天空，產(chǎn)生多種含碳的有機(jī)化合物。在許多方面，泰坦都是地球在宇宙中的另一個(gè)版本。兩者的相同特征不少，但化學(xué)過(guò)程迥異。

液態(tài)水對(duì)地球生命來(lái)說(shuō)非常重要，因?yàn)樗鳛橐环N溶劑為化學(xué)反應(yīng)提供了理想的介質(zhì)，讓分子在細(xì)胞內(nèi)部和細(xì)胞之間的移動(dòng)變得很容易。泰坦沒(méi)有液態(tài)水，至少在其表面沒(méi)有?？赡艽嬖诘奶┨沟叵潞Ｑ?，或許會(huì)通過(guò)偶爾的冰火山爆發(fā)噴出一些水。不時(shí)發(fā)生的小行星撞擊，可能會(huì)讓泰坦的一部分冰凍地表融化。即便這樣，任何液態(tài)水在凍結(jié)前都不可能長(zhǎng)時(shí)間與有機(jī)分子相互作用。

第二種生命

然而，生命可能以其他液體為根基。人體大部分都是水，但人體最有趣的部分——硬質(zhì)部分是由有機(jī)化學(xué)過(guò)程決定的。雖然卡西尼號(hào)飛船在2017年故意撞向土星以避免污染土衛(wèi)，但最新發(fā)現(xiàn)表明泰坦有很多被污染的風(fēng)險(xiǎn)，只不過(guò)不是被地球發(fā)射的飛行器污染。

2017年7月，由美國(guó)宇航局科學(xué)家帕爾默領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)團(tuán)隊(duì)報(bào)告了對(duì)智利阿爾瑪望遠(yuǎn)鏡群采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析的結(jié)果。這些望遠(yuǎn)鏡最終將望向太陽(yáng)系以外和遙遠(yuǎn)星系，但為了校準(zhǔn)而首先對(duì)準(zhǔn)泰坦。在此過(guò)程中，在此過(guò)程中，他們捕捉到了一種叫乙烯基氰的化合物的清晰標(biāo)記。

在地球上，我們?nèi)斯ず铣闪艘环N乙烯基氰化合物叫丙烯腈，這種東西被用來(lái)制造纖維、橡膠和塑料，被廣泛應(yīng)用于從服裝、汽車(chē)到包裝的各種用途。但在泰坦冰冷的碳?xì)浠衔锖蠢铮蚁┗杌衔锟尚纬傻韧诘厍蛏锛?xì)胞膜的結(jié)構(gòu)。2015年進(jìn)行的一項(xiàng)電腦模擬結(jié)果表明，在類(lèi)似泰坦液體那樣的極低溫溶劑里，乙烯基氰化合物可能形成結(jié)實(shí)的可拉伸結(jié)構(gòu)，其方式與地球上的脂質(zhì)膜在室溫水中的情況一樣。還沒(méi)有人通過(guò)在實(shí)驗(yàn)室中用乙烯基氰化合物制造膜來(lái)證實(shí)這一猜想。但考慮到泰坦表面乙烯基氰化合物的可能數(shù)量，科學(xué)家認(rèn)為這一猜想成真的可能性很大。帕爾默團(tuán)隊(duì)估計(jì)，足夠多的乙烯基氰化合物可能隨降雨進(jìn)入泰坦最大的海洋之一——麗姬亞海，從而在每立方厘米液體中形成多達(dá)300萬(wàn)只細(xì)胞膜。

歐空局計(jì)劃2020年發(fā)射的泰坦水體探測(cè)氣球（想象圖）。

這讓帕爾默團(tuán)隊(duì)對(duì)泰坦生命的憧憬多了一分堅(jiān)定，但最大問(wèn)題是，這些分子究竟能不能形成細(xì)胞膜。他們也不清楚：在泰坦環(huán)境中，DNA或蛋白質(zhì)的對(duì)等物是什么？回答這個(gè)問(wèn)題很重要，因?yàn)殡m然細(xì)咆膜為生命提供保護(hù)，但在那些神秘時(shí)刻，尤其是生命首次出現(xiàn)的時(shí)刻，只有細(xì)胞膜的話是不夠的。在地球上，活細(xì)胞還需要DNA之類(lèi)的核酸來(lái)把遺傳信息傳遞給下一代，還需要蛋白質(zhì)進(jìn)行自我復(fù)制，而這兩種組分本身都需要由復(fù)雜大分子來(lái)構(gòu)建。

對(duì)天體生物學(xué)家來(lái)說(shuō)的一個(gè)好消息是，就在帕爾默團(tuán)隊(duì)宣布自己的發(fā)現(xiàn)之前兩天，由英國(guó)科學(xué)家德賽領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)報(bào)告說(shuō)，他們發(fā)現(xiàn)了泰坦大氣層所含成分能形成所有大分子的首個(gè)證據(jù)。這一發(fā)現(xiàn)來(lái)自于卡西尼號(hào)在自己最后幾次飛越泰坦大氣上層期間采集的數(shù)據(jù)。卡西尼號(hào)辨識(shí)了之前很少被看到的一些物質(zhì)——碳鏈陰離子。恒星形成于星際空間中的塵埃云?；趯?duì)這種塵埃云的觀測(cè)，德賽團(tuán)隊(duì)知道碳鏈陰離子為更大、更復(fù)雜分子的形成充當(dāng)催化劑。德賽認(rèn)為，從這個(gè)意義上講，碳鏈陰離子的存在或許表明泰坦上可能會(huì)怎樣產(chǎn)生復(fù)雜有機(jī)物。

從大氣頂層中的化學(xué)反應(yīng)怎樣變?yōu)樘┨贡砻嬗蜖詈Ｑ笾锌赡艽嬖诘纳?？這一問(wèn)題的答案仍不明了。在最好的情況下，碳鏈陰離子有助于創(chuàng)制有機(jī)化合物大分子。這些分子飄落到泰坦表面，可能與前驅(qū)DNA和前驅(qū)蛋白質(zhì)（或者它們?cè)谔┨股系膶?duì)等物）組合。

究竟是否這樣不得而知?？茖W(xué)家甚至不了解在地球上化學(xué)反應(yīng)如何創(chuàng)造生命，更不用說(shuō)在碳?xì)浠衔锖Ｑ笾猩鼤?huì)怎樣產(chǎn)生。而要回答這個(gè)問(wèn)題，唯一方法是重返泰坦。美國(guó)女科學(xué)家圖托說(shuō)，可以說(shuō)泰坦一直在進(jìn)行著前驅(qū)生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果就擺在泰坦表面，等待我們?nèi)シ治觥?/p>

如果圖托團(tuán)隊(duì)的方案得到認(rèn)可，重返泰坦就指日可待。多年來(lái)，美國(guó)宇航局否決了多個(gè)重返泰坦的任務(wù)或提議，但在2017年12月，該局為圖托領(lǐng)導(dǎo)的蜻蜓任務(wù)撥款400萬(wàn)美元。圖托團(tuán)隊(duì)的構(gòu)想是，發(fā)射一架先進(jìn)的無(wú)人機(jī)探測(cè)泰坦表面，在重要地點(diǎn)登陸，目的是尋找生物前驅(qū)化學(xué)過(guò)程的跡象。

蜻蜓無(wú)人機(jī)墜落到泰坦表面（想象圖）。

圖托團(tuán)隊(duì)將使用這些資金來(lái)優(yōu)化蜻蜓四旋翼無(wú)人機(jī)的設(shè)計(jì)，還將優(yōu)化總體方案以圖說(shuō)服宇航局撥款8.5億美元，用于“新地平線”計(jì)劃（太陽(yáng)系探測(cè)計(jì)劃）的下一次任務(wù)。另一項(xiàng)競(jìng)爭(zhēng)任務(wù)，是把歐空局羅塞塔探測(cè)器幾年前造訪過(guò)的67P彗星的樣本帶回地球。

無(wú)人機(jī)在空中飛行，其探測(cè)速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于無(wú)人探測(cè)車(chē)（例如火星車(chē)），能采集更多、更好的數(shù)據(jù)。據(jù)估計(jì)，蜻蜓無(wú)人機(jī)在兩年任務(wù)期中的探測(cè)距離可超過(guò)1000千米。為此，無(wú)人機(jī)將利用泰坦獨(dú)特的大氣條件。泰坦表面氣壓比地球高大約1.5倍，引力只有地球的大約14%，比月球引力還低。此外，泰坦表面幾乎沒(méi)有風(fēng)?？ㄎ髂崽?hào)的觀測(cè)表明，就算麗姬亞海有波浪，波峰也不到1毫米。由此看，泰坦很可能是太陽(yáng)系中最適合飛行的地方。

沒(méi)錯(cuò)，你自己都可能輕而易舉在泰坦上飛起來(lái)。如果你夠強(qiáng)壯，扇動(dòng)雙臂的頻率也夠，那么你無(wú)須系上翅膀就可能飛行。但由于泰坦表面溫度很低，還很缺氧，所以你還需要穿上很保暖的宇航服，以及戴上吸氧器。

就算對(duì)于無(wú)人機(jī)來(lái)說(shuō)，漫游一個(gè)遙遠(yuǎn)的含冰世界也依然面臨諸多挑戰(zhàn)。泰坦與太陽(yáng)的距離是地球與太陽(yáng)之間距離的幾乎11倍，泰坦的濃密大氣層阻擋了很多陽(yáng)光，因此無(wú)人機(jī)不可能像火星車(chē)那樣依靠太陽(yáng)能運(yùn)作。與任何遠(yuǎn)離太陽(yáng)的飛行器一樣，蜻蜓無(wú)人機(jī)必須攜帶自己的電源：一臺(tái)放射性熱電發(fā)生器，它利用钚238原子的衰變放熱來(lái)發(fā)電。這一過(guò)程的發(fā)熱量超過(guò)無(wú)人機(jī)為電池充電所需的熱量，因此多出來(lái)的熱量可用于保持機(jī)載電器和科學(xué)儀器不會(huì)凍結(jié)。

圖托團(tuán)隊(duì)已經(jīng)研發(fā)出蜻蜓無(wú)人機(jī)的雛形。它比最終版本小一些，而最終版本將與機(jī)遇號(hào)火星車(chē)大小相仿，差不多為1米高、幾米寬。圖托說(shuō)，制造蜻蜓無(wú)人機(jī)的技術(shù)都是現(xiàn)成的，目前需要解決的只是工程問(wèn)題。

但就算蜻蜓任務(wù)獲準(zhǔn)在2025年執(zhí)行（發(fā)射），按計(jì)劃5年后無(wú)人機(jī)抵達(dá)泰坦，也還有一個(gè)大問(wèn)題擺在那兒：無(wú)人機(jī)去泰坦要尋找的究竟是什么？是的，它要尋找泰坦生命潛在構(gòu)筑單元的不同架構(gòu)。然而，盡管最近對(duì)于泰坦有一系列激動(dòng)人心的發(fā)現(xiàn)，科學(xué)家卻依然遠(yuǎn)遠(yuǎn)不清楚泰坦生命的類(lèi)別。

放射性熱電發(fā)生器。

新標(biāo)準(zhǔn)

去泰坦，是否就是為了尋找與地球微生物相似、只是化學(xué)組成不同的微生物？很可能不會(huì)這么簡(jiǎn)單。科學(xué)家?guī)缀跄芸隙ǎ寒?dāng)蜻蜓無(wú)人機(jī)降落在泰坦表面時(shí)，不會(huì)有小動(dòng)物被嚇跑。但他們也擔(dān)憂：我們費(fèi)那么大勁去泰坦尋找生命，會(huì)不會(huì)到時(shí)候卻與泰坦生命擦肩而過(guò)？

圖托等科學(xué)家認(rèn)為，難點(diǎn)在于尋找模式。非生物過(guò)程傾向于產(chǎn)生豐度相對(duì)不同的許多種復(fù)雜分子，而生命傾向于選擇性消耗和產(chǎn)生種類(lèi)不算很多的分子。例如，地球上大多數(shù)動(dòng)物都只吸入氧，呼出二氧化碳。因此，為了尋找泰坦生命，重點(diǎn)可放在尋找化合物豐度模式上。雖然模式并不能證明生命，但模式的確是一個(gè)值得考慮的因素。尋找泰坦生命，就需要考慮盡可能多的因素。

科學(xué)家仍然不清楚自己要尋找的模式是哪些，但只要無(wú)人機(jī)在泰坦發(fā)現(xiàn)生命跡象，科學(xué)家就會(huì)把它們與地球生命指征進(jìn)行比對(duì)。如果兩者相似，就可能表明生命在兩個(gè)不同地方以同樣方式起源。那么，生命就可能起源于某處，然后傳播到太陽(yáng)系其他地方，例如地球和泰坦。

但是，如果泰坦模式與地球模式不同，那就會(huì)證明生命在兩個(gè)不同世界上各自有獨(dú)立起源。如果僅在太陽(yáng)系中生命就發(fā)生過(guò)至少兩次，那就意味著生命隨時(shí)隨地都可能出現(xiàn)。換句話說(shuō)，外星生命甚至外星人并不稀罕。

想到這一點(diǎn)，就很容易理解為什么泰坦會(huì)成為如此誘人的目的地。要想知道化學(xué)反應(yīng)怎樣在地球上導(dǎo)致生命，以及在什么條件下生命火花會(huì)濺到太陽(yáng)系其他地方，泰坦都是最好的實(shí)驗(yàn)室。另一方面，要想回答這些深?yuàn)W問(wèn)題，我們可能去到的地方為數(shù)不多，而泰坦是其中之一。

如果蜻蜓無(wú)人機(jī)的旅程最終揭示水和其他地球組分并非是生物學(xué)必需的成分，那么科學(xué)家就必須以全新視角來(lái)看待太陽(yáng)系之外無(wú)比恢宏的世界。那些被霧靄籠罩、曾被以為是不毛之地的系外（太陽(yáng)系之外的）行星，可能將散發(fā)奇異、絕妙的生命光輝。

（責(zé)任編輯 程輝）

地球與泰坦

泰坦是太陽(yáng)系中除地球外唯一在表面存在液體的地方。但地球和泰坦之間的差異也很大，這意味著如果泰坦存在生命，其性質(zhì)也與地球生命迥異。