泰坦是土星最大的衛(wèi)星土衛(wèi)六，是有機分子的溫床，孕育著復(fù)雜碳氫化合物的混合物，這些碳氫化合物被認為在40億年前的原始地球上也有存在。

然而，泰坦表面在零下179攝氏度處于深度凍結(jié)狀態(tài)，科學(xué)家所知道的生命不可能存在于泰坦寒冷的表面。在泰坦地下深處則是另一回事，美國宇航局卡西尼號宇宙飛船在飛行過程中進行的重力測量顯示，泰坦冰蓋下有一片海洋、

在泰坦這片海洋中，可能存在適合生命生存的條件。由美國國家航空航天局噴氣推進實驗室的科學(xué)家，領(lǐng)導(dǎo)一個由美國國家航空航天局資助的研究小組，正在尋求更好地了解泰坦海洋中生命存在的可能性，以及它與泰坦大氣和表面有機分子之間可能存在的關(guān)系。泰坦豐富多樣的有機分子是太陽紫外線照射的產(chǎn)物，紫外線與泰坦大氣中的主要氣體(氫、甲烷和氮)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。

由此產(chǎn)生的復(fù)雜碳氫化合物可能是生命組成部分，或為生命提供化學(xué)營養(yǎng)，而在其海洋泰坦內(nèi)部，蘊藏著這種生命的潛在棲息地。由噴氣推進實驗室的Rosaly Lopes領(lǐng)導(dǎo)，NAI團隊的四個主要目標(biāo)是確定泰坦這些有機分子如何在大氣、表面和海洋之間運輸，然后在海洋中發(fā)生什么過程使其適宜居住，然后海洋生物產(chǎn)生什么生物特征，最后這些生物特征如何運輸回表面，在那里它們可以被檢測到。

泰坦衛(wèi)星項目探索計劃

到2023年4月為止，該項目已經(jīng)由印度國家自然科學(xué)研究院資助了5年。該項目圍繞有機分子和生物特征穿過大氣和海洋周圍冰層的路徑進行組織。該團隊目前有30名科學(xué)家分布在多個機構(gòu)，在每個目標(biāo)下，有幾個研究，每個研究有一個首席科學(xué)家。每一項研究都是按照時間表進行，因此，對第一個目標(biāo)的研究（有機分子的運輸）所產(chǎn)生的結(jié)果可以用于后續(xù)目標(biāo)研究?？茖W(xué)是沿著有機分子的路徑，從形成的大氣層頂部向下穿過地殼進入海洋，如果那里發(fā)生了生物學(xué)現(xiàn)象，那么這些有機分子是如何回到地表并變得可見的。

目標(biāo)1：運輸

該研究項目的初步科學(xué)成果來自康納·尼克松和在NASA戈達德團隊，利用智利阿塔卡馬大型毫米/亞毫米陣列(ALMA)研究泰坦大氣的化學(xué)成分。準(zhǔn)確地知道在大氣中發(fā)現(xiàn)的分子種類，使研究人員能夠建立一個全面的大氣光化學(xué)模型，為了解什么有機物能夠到達表面并可能進入海洋奠定基礎(chǔ)。科學(xué)家對土衛(wèi)六大氣層的了解大多來自卡西尼號飛船，特別是CIRS紅外光譜儀。然而有些分子物種在紅外光譜中太微弱而不能被CIRS探測到，但是它們對ALMA來說要亮得多。

科學(xué)家們特別提到了幾種***分子，CH3CN、C2H3CN和C2H5CN，它們是阿爾瑪能夠探測到的泰坦大氣中關(guān)鍵含氮分子。同時，卡西尼號和阿爾瑪號還發(fā)現(xiàn)了更多種類的分子。后者探測到微量有機氣體的空間變化，這些氣體是由太陽紫外線分解甲烷和分子氮而產(chǎn)生。隨著這些微量氣體在大氣中向地表漂移，可以與其他有機分子發(fā)生反應(yīng)，形成越來越復(fù)雜的有機物。因此，所觀察到的空間變化可能會影響表面有機物的豐度和類型，以及哪些有機物接近進入亞表面的通道。

卡西尼號觀測土衛(wèi)六半年，從北方冬季到北方夏季，到現(xiàn)在卡西尼號的任務(wù)早已經(jīng)結(jié)束，阿爾瑪將能夠觀察土星和土衛(wèi)六剩余年份的大氣變化，以及有機分子豐度是如何變化的。例如，美國國家地質(zhì)調(diào)查局團隊對卡西尼號數(shù)據(jù)的分析發(fā)現(xiàn)，泰坦平流層中的丙烷和丙基等C3Hx碳氫化合物存在季節(jié)性變化。作為目標(biāo)1的一部分，剩下的研究包括了解分子在析出大氣層后是如何穿過表面運輸，這是康奈爾大學(xué)亞歷克斯·海耶斯(Alex Hayes)領(lǐng)導(dǎo)的一項任務(wù)，下一步是了解有機物在表面是如何被修飾的，然后它們是如何從表面移動到海洋。

后一個問題產(chǎn)生了一種令人驚訝的可能性。到目前為止，該項目的主要成果之一是來自德克薩斯州西南研究所的Kelly Miller, Hunter Waite和NAI團隊成員Christopher Glein的研究，該研究提出泰坦的氮大氣來自于在泰坦形成時被困在泰坦內(nèi)部的有機分子，隨后這些氣體的加熱釋放出氮，并滲透到地表。研究表明泰坦內(nèi)部已經(jīng)有有機物可以從下面進入海洋，所以即使有機物不能從表面進入海洋，海洋仍然可以包含生命的構(gòu)建塊。這些有機物實際上可能是通過低溫火山作用滲透上來，這也為泰坦表面的一些有機物創(chuàng)造了一個可能的起源。

目標(biāo)2：宜居性

如果泰坦存在有機物穿過冰層從表面進入海洋的途徑，那么下一步就是要弄清楚海洋，或者在通往海洋旅程中冰層中的任何地方，是否有可能適合人類居住，這就是研究高壓、耐寒生物體生物學(xué)家們發(fā)揮作用的地方。在這之前，科學(xué)家需要對海洋有更多的了解，盡管卡西尼號通過重力測量證實了海洋的存在，但不知道海洋的確切組成，如密度，熱剖面，以及冰蓋的整體結(jié)構(gòu)。

為了更好地了解土衛(wèi)六泰坦海洋及其潛在的可居住性，科學(xué)家從幾種可能存在的合理成分入手，然后逆向研究，建立理論模型。盡管直接探索土衛(wèi)六泰坦的深層或海洋可能是不可能的，但科學(xué)家們打算利用理論建模和實驗室實驗來模擬可能的條件，以便更好地理解冰殼和海洋之間的界面，以及巖石內(nèi)核的海洋和這些界面上氧化劑和還原劑的流動，這些界面可能支持微生物。

目標(biāo)3：生命生存

為了使生命能夠在泰坦海洋中或附近生存，必須有一種化學(xué)能量的來源來代謝。在目標(biāo)1和目標(biāo)2中所做的研究基礎(chǔ)上，科學(xué)家將研究有機物質(zhì)到達海洋的情況以及海洋環(huán)境，然后將能夠構(gòu)建理論模型，計算海洋中有多少能量可用，以及在這些條件下可能存在的代謝，從而判斷生命在那里存活的可能性。假設(shè)泰坦海洋是可居住的，有化學(xué)能源和健康的有機物供應(yīng)，高壓和低溫環(huán)境可能會限制那里可能存在的各種生命形式。

然而，科學(xué)家認為一個合適的例子是乙炔桿菌，它可以依靠乙炔作為唯一的代謝能量和碳源生存?？茖W(xué)家的研究目標(biāo)是把乙炔桿菌作為模型生物，它可能存在于土衛(wèi)六的深層地下。將進行實驗室實驗，將乙炔桿菌等微生物置于上述理論模型所描述的模擬環(huán)境中，觀察微生物是否能在其中茁壯成長，了解它們?nèi)绾芜m應(yīng)以生存，以及這些適應(yīng)可能產(chǎn)生何種新型生物分子。

這些生物分子可能會留下生物特征——生命的分子痕跡。然而，盡管土衛(wèi)六泰坦海洋中可能存在生命是很好的，但科學(xué)家還需要能夠通過生物特征探測到生命。因此，了解生命可能留下的生物標(biāo)志物是目標(biāo)3的第二部分，并將建立一個潛在生物特征數(shù)據(jù)庫，包括碳、氮和氧的同位素，以及細胞膜中的脂質(zhì)等生物結(jié)構(gòu)。

目標(biāo)4：檢測

當(dāng)然，如果這些生物特征仍然存在于土衛(wèi)六泰坦海洋中，就不可能從軌道或表面探測到。因此，最終目標(biāo)是尋找一種方法，通過這種方法，這些生物特征可以被運送到海洋表面——這與目標(biāo)1探索有機物從海洋表面到達海洋的方式相反。主要運輸方式可能是向上上升的對流冰(即較暖的泥狀冰)，或者可能是低溫火山作用。大氣中的甲烷會被紫外線破壞，所以必須有一些補充，而且可能還在排放毒氣。雖然還沒有在泰坦上發(fā)現(xiàn)活躍的低溫火山活動，但已經(jīng)確定泰坦表面的幾個特征可能是低溫火山。

科學(xué)家們已經(jīng)在研究低溫火山作用運輸物質(zhì)的理論方法，期待著當(dāng)目標(biāo)3的結(jié)果可用時。到地表的運輸過程中也能創(chuàng)造適宜居住的環(huán)境。深層冰層，不僅指的是海洋，還指沿著有機物質(zhì)進出冰層路徑上可能存在的儲藏庫。特別是在地表以下7到30公里的地方，在堅硬、易碎的冰和更有韌性、更軟的冰之間的邊界上，溫度和壓力可能與南極洲地下2到3公里處的溫度和壓力有些類似，在冰蓋冰粒之間可能存在微小的空間，在那里，乙炔桿菌等微生物可以茁壯成長。比冰蓋更接近地表也意味著從這些地下生命口袋中得到的生物標(biāo)記物更容易到達地表。

當(dāng)生物特征在冰殼中上升時，遇到不同環(huán)境（液態(tài)水、淤泥狀冰和固態(tài)冰）將如何在化學(xué)上發(fā)生改變，從而影響在表面上所能探測到的東西。最后，一旦到達地表，未來的泰坦探測任務(wù)將如何探測到這些生物標(biāo)志物？科學(xué)家研究的最終目標(biāo)是描繪出土衛(wèi)六泰坦上潛在的生物圈，這樣科學(xué)家們就知道當(dāng)再次土衛(wèi)六泰坦時，應(yīng)該尋找什么，設(shè)計什么儀器來探測。這是科學(xué)家們的大目標(biāo)，試圖評估土衛(wèi)六泰坦是一個潛在的宜居系統(tǒng)，將創(chuàng)建一個潛在生物標(biāo)志物的列表，并試圖指出在火星表面的哪個地方，可能是尋找生命的好地方。

博科園｜研究/來自：美國宇航局天體生物學(xué)研究所

參考期刊《天體生物學(xué)》

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