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液态水|太阳系“五环之歌”

液态水|太阳系“五环之歌”
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这是美国国家航空航天局公布的“卡西尼”探测器近距离飞过土卫二时拍摄的画面
屈原皋
在城市里 ， 人们用“身居几环”来表述自己与城市中心的距离 ， 也暗示着住所周边环境的宜居性、交通的便利性 ， 以及房价的段位等 。 在太阳系中呢？如果以生命宜居的条件或外星人存在的概率为划分标准 ， “太阳系五环”该怎么划呢？环内外的主要星球又藏着怎样的生命玄机呢？
“城市”中心：“太阳”
如果把太阳系比作一座城市 ， 这座城市坐落在银河系“猎户旋臂”的一个小角落 。 太阳是城市的中心 ， 发出光和热 ， 并依靠自身魅力（引力）吸引着这座城市的每一位成员（天体） ， 按特定规则（轨道）有条不紊地运行 。
约46亿年前 ， 太阳系从一团尘埃和气体在引力的作用下逐渐坍缩 ， 并在整体的转动惯量下旋转形成扁平圆盘状结构 ， 大多数（99%以上）物质聚集在圆盘中心形成“原恒星” 。 当聚集和坍缩继续进行达到某个临界点时 ， 氢原子开始核聚变形成氦并且释放大量的能量 ， 太阳开始发出它的光和热 ， 这座城市的“中心CBD太阳广场”正式建成并对外运营 。 另外一部分剩余物质未能聚集在中心变成太阳的一部分 ， 而是逐渐聚集形成大量的碎片状“微行星” ， 微行星相互碰撞聚集变得越来越大 ， 最终变成行星 。
太靠近城市中心的一环、二环 ， 房价太高 ， “内卷”太狠 ， 并不宜居 ， 而六环之外太过偏远荒芜 ， 也不宜居 。 在太阳的温度、辐射、太阳风和引力的相互作用下 ， 不同元素在太阳系的分布逐渐分异 ， 重量级的元素留在“一环”到“四环”分别形成4个岩石质行星：水星、金星、地球、火星 。 位于“五环”的小行星带可以作为大致的分界线 ， 轻量级的元素（氢为主）聚集在“五环”之外依次形成气态巨行星：木星、土星、天王星、海王星 ， 更偏远处则是矮行星冥王星、彗星带、柯伊伯带、奥尔特云 。
“三环”宜居区
以地球上的生命形态推测 ， 生命的产生和生存需要具备以下几个要素：适宜的环境保证液态水的存在 ， 有机物的积累 ， 以及物质和能量的流通以保证生命代谢活动 。
目前 ， 地球是太阳系中唯一已知存在生命的星球 。 地球位于太阳系的“三环” ， 该地段距太阳不近也不远 ， 正好能维持水以液态的形式长期存在于星球表面 。 地球的质量足够大 ， 能够使内部圈层持续运动而长期维持全球偶极磁场的存在 ， 进而屏蔽太阳风和宇宙射线对地球表面水的分解 ， 有效防止地球上的水（氢）逃逸进入宇宙空间 。 因此 ， 经历46亿年的变迁 ， 地球表面仍然有71%的面积被水覆盖 ， 平均水深3000多米 。
生命的产生除了适宜的温度和液态水 ， 还需要有机物作为建造“生命大厦”的材料 ， 地球早期的有机物可能有两个主要来源：外来的和本地的 。 早期地球所在的内太阳系经历了大量的天体撞击 ， 这些早期撞击事件的证据由于地球表面沧海桑田般的各种地质活动而被抹去 ， 但月球表面密集的撞击坑却是这些撞击事件很好的记录 。
天体撞击可以让大量的水和有机物到达地球 ， 而天体撞击本身的高能冲击过程也可以把无机物合成有机物 。 大约在距今42亿~38亿年前的时间段 ， 地月系统遭遇过大量密集的天体撞击 ， 被称为“晚期重轰炸事件” 。 目前发现地球最早的生命证据出现在大约38亿年前 ， 这在时间上是巧合吗？
除了外来的有机物 ， 地球本地有些特殊环境也能把无机物合成为有机物 ， 其中以热液区为典型代表 。 在地球板块俯冲带或洋中脊地区 ， 地壳板块在挤压、拉伸、弯曲等过程中产生大量裂隙形成海底火山 ， 岩浆和海水作用发生“水岩反应” 。 在此过程中 ， 岩石中的二价铁把水中的氢还原为氢气 ， 进而把海水中的溶解无机碳还原为小分子有机碳（比如甲烷） 。 这些小分子有机碳可以吸附在矿物表面形成更大的分子甚至有机膜 ， 经过包裹、折叠、组装等过程形成囊泡状的“原始细胞” ， 最终经过漫长而复杂的演化形成最早的生命 。 这是地球生命起源的一种假说 ， 按照这种假说 ， 地球生命很可能最早起源于深海 。
现代地球的板块边缘、俯冲带和洋中脊海底也存在大量的热液区 ， 地壳深部的流体上涌形成“黑烟囱” 。 大量化能微生物以水岩反应产生的氢气、甲烷为美食 ， 构成食物链的基础 ， 与相对高等的生物 ， 比如虾、海葵、蟹、鱼类共同构成一个复杂的生态系统 ， 在这些看似暗无天日的深海悠然自得地生活 。
“冰雪公主”的温柔内心
放眼太阳系 ， “五环”的小行星带相当于城乡接合带 ， 在此之外的水多数以固态形式存在 ， 因此这一条模糊的界线又被称为“雪线” 。 “雪线”之外看似冰天雪地、偏远荒芜 ， 有没有好地段适合生命的生存与繁衍呢？
“五环”外的这一片广阔区域荒芜之地 ， 是气态巨行星的地界 。 以目前人类的认知 ， 巨行星主要由氢组成 ， 还没有发现具有生命存在的宜居环境 ， 而巨行星的卫星却是类似地球的岩石质星球 ， 这些卫星中有些表面被冰覆盖 ， 生命的秘密也许就藏在这些冰卫星的内部 。
目前人类发现木卫二、土卫二具有典型的、以表面冰壳和冰下液态水为主的海洋 ， 为什么在太阳系“雪线”之外如此低温的环境 ， 还存在大量有液态水的海洋？地球到太阳的距离是1个天文单位（1AU=1.496×108千米） ， 木星和土星到太阳的距离分别是5.2 AU和9.6 AU ， 那么同样的面积在木星和土星表面接收到太阳的能量分别是在地球表面的1/27和1/92 ， 如此低的能量输入应该不能维持其周围的冰卫星上液态水的长期存在 ， 因此木卫二、土卫二应该有别的能量来源维持水的液态 。
木星、土星有巨大的质量 ， 周围有好几十颗卫星 ， 卫星的轨道参数差异很大 。 这些巨大而复杂的引力相互作用 ， 产生潮汐力 ， 木卫二、土卫二就像面粉被不断地“揉搓” ， 内部积累大量的热量而保持活跃的地质活动与圈层互动 。 木星的另一个卫星木卫一表面没有被冰层覆盖 ， 因此可以观测到现在仍然发生着活跃的火山地质活动 ， 这是木星的卫星在引力潮的驱动下保持活力的典型证据之一 。
木卫二、土卫二的表面由于被冰层覆盖 ， 不能直接观测到海底的火山地质活动 。 然而根据目前的观测数据和理论模型 ， 这两个冰卫星的冰下海洋底部存在火山活动引起的热液区 。 热液区很可能独立演化出生命 ， 甚至存在类似地球海底热液区的复杂生态系统 。
根据地球生命演化和地质历史来看 ， 25亿年前地球发生了大氧化事件 ， 大气出现稀薄的氧气和臭氧层 ， 表层海水被氧化 ， 这之后真核多细胞生物开始出现；在距今6亿~5亿年前发生新元古氧化事件 ， 大气氧浓度进一步升高 ， 深层海水也被氧化 ， 复杂的生物开始快速演化（埃迪卡拉纪和寒武纪生命大爆发） 。 氧气浓度是真核多细胞复杂生物的一个限制因素 ， 氧化性的环境有利于复杂生命的产生和生存 。
木卫二、土卫二的海底热液可以给海水输送还原性的流体 ， 而表层的冰面在宇宙辐射和木星、土星磁层所捕获的高能粒子辐射下 ， 产生化学反应而分解出氧化-还原对 ， 还原性的氢逃逸到宇宙 ， 而氧化性的物质则随着冰层的运动从表层进入底层的海水中 。 较热的还原性流体从海底往上涌 ， 较冷的含氧化性物质的冰水从顶部冰盖下降 ， 氧化+还原性的物质在海水中某些位置交汇 ， 给生命的代谢提供良好的环境和能量供给 。
目前观测到木卫二表面有稀薄的氧气 ， 这也进一步显示冰盖下的海水可能是氧化性的 ， 为其海底复杂生命的存在提供了环境条件和能量基础 。 地外海洋的海底存在外星怪兽 ， 不是没有可能的 。
因此 ， 木卫二、土卫二这两位“冰雪公主”冷若冰霜的外表下却有颗“温柔的内心” ， 表面冰壳下的海洋中很可能存在孕育生命的宜居环境 。
拨开迷雾看“巨人”
土星的另一个卫星——土卫六是太阳系中的一个另类 ， 它作为土星的一个卫星 ， 居然比太阳系的行星——水星还要大 。 土卫六的表面有稠密的大气 ， 主要含氮气和有机物 。 因为地表温度平均约为-179℃ ， 所以土卫六的表面具有类似地球的地形地貌 ， 比如山脉、沙丘、河流、湖泊、海洋 ， 然而这些地形地貌却是由有机物在零下100多摄氏度的环境中形成的 。
土卫六也有大气流动形成的风和降雨、降雪 ， 还有季节变化 ， 这里的雨和雪是有机物在低温环境形成的有机雨和雪 。 湖泊、海洋的面积随季节变化而发生周期性变化 。 液态有机物的流动形成类似地球表面河流一样的地表径流 ， 最后汇聚到有机物的海洋中 。 有些地区还会有大块“浮冰”——低温环境下 ， 有机物的冰漂浮在有机物的海洋或湖泊中 。 某些区域存在类似地球干旱盐湖形成的波痕构造 ， 说明土卫六表面也有一些高蒸发地区 。
土卫六的有机冰层以下可能存在一个全球性的水冰和络合物的圈层 ， 而在这一圈层的更深处则是和木卫二、土卫二类似的 ， 以冰下液态水为主的海洋 。 在这个海洋中很可能存在以引力所驱动的地质活动而产生的热液区 ， 进而支撑类似地球海底热液区的化能生物甚至生态系统 。
由目前的观测结果推测 ， 土卫六具备很好的宜居环境 。 如果土卫六上存在生命 ， 那么将可能有两种生命形式：一是 ， 土卫六的冰下约55~80千米深处存在以水为主、含盐和氨的液态海洋 ， 这其中可能有生命 。 这种生命形式也可能存在于木卫二和土卫二 。 二是 ， 土卫六表面以液态烃类为主的海洋也可能存在生命 ， 但它与地球上的生命形式完全不同 ， 超出人类目前的认知 。
（作者单位：中国科学院深海科学与工程研究所地外海洋系统研究室）
来源：2022年3月9日出版的《环球》杂志 第5期
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