土星泰坦衞星，零下179度的冰蓋下，科學家：或適合生命生存！_風聞

文章來源丨博科園

泰坦是土星最大的衞星土衞六，是有機分子的温牀，孕育着複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攝氏度處於深度凍結狀態，科學家所知道的生命不可能存在於泰坦寒冷的表面。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家，領導一個由美國國家航空航天局資助的研究小組，正在尋求更好地瞭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係。泰坦豐富多樣的有機分子是太陽紫外線照射的產物，紫外線與泰坦大氣中的主要氣體(氫、甲烷和氮)發生化學反應。

由此產生的複雜碳氫化合物可能是生命組成部分，或為生命提供化學營養，而在其海洋泰坦內部，藴藏着這種生命的潛在棲息地。由噴氣推進實驗室的Rosaly Lopes領導，NAI團隊的四個主要目標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，然後在海洋中發生什麼過程使其適宜居住，然後海洋生物產生什麼生物特徵，最後這些生物特徵如何運輸回表面，在那裏它們可以被檢測到。

泰坦衞星項目探索計劃

到2023年4月為止，該項目已經由印度國家自然科學研究院資助了5年。該項目圍繞有機分子和生物特徵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名科學家分佈在多個機構，在每個目標下，有幾個研究，每個研究有一個首席科學家。每一項研究都是按照時間表進行，因此，對第一個目標的研究（有機分子的運輸）所產生的結果可以用於後續目標研究。科學是沿着有機分子的路徑，從形成的大氣層頂部向下穿過地殼進入海洋，如果那裏發生了生物學現象，那麼這些有機分子是如何回到地表並變得可見的。

**目標1：**運輸

該研究項目的初步科學成果來自康納·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成分。準確地知道在大氣中發現的分子種類，使研究人員能夠建立一個全面的大氣光化學模型，為了解什麼有機物能夠到達表面並可能進入海洋奠定基礎。科學家對土衞六大氣層的瞭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來説要亮得多。

科學家們特別提到了幾種氰化物分子，CH3CN、C2H3CN和C2H5CN，它們是阿爾瑪能夠探測到的泰坦大氣中關鍵含氮分子。同時，卡西尼號和阿爾瑪號還發現了更多種類的分子。後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生。隨着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生反應，形成越來越複雜的有機物。因此，所觀察到的空間變化可能會影響表面有機物的丰度和類型，以及哪些有機物接近進入亞表面的通道。

卡西尼號觀測土衞六半年，從北方冬季到北方夏季，到現在卡西尼號的任務早已經結束，阿爾瑪將能夠觀察土星和土衞六剩餘年份的大氣變化，以及有機分子丰度是如何變化的。例如，美國國家地質調查局團隊對卡西尼號數據的分析發現，泰坦平流層中的丙烷和丙基等C3Hx碳氫化合物存在季節性變化。作為目標1的一部分，剩下的研究包括瞭解分子在析出大氣層後是如何穿過表面運輸，這是康奈爾大學亞歷克斯·海耶斯(Alex Hayes)領導的一項任務，下一步是瞭解有機物在表面是如何被修飾的，然後它們是如何從表面移動到海洋。

後一個問題產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於在泰坦形成時被困在泰坦內部的有機分子，隨後這些氣體的加熱釋放出氮，並滲透到地表。研究表明泰坦內部已經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建塊。這些有機物實際上可能是通過低温火山作用滲透上來，這也為泰坦表面的一些有機物創造了一個可能的起源。

**目標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，那麼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、耐寒生物體生物學家們發揮作用的地方。在這之前，科學家需要對海洋有更多的瞭解，儘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，以及冰蓋的整體結構。

為了更好地瞭解土衞六泰坦海洋及其潛在的可居住性，科學家從幾種可能存在的合理成分入手，然後逆向研究，建立理論模型。儘管直接探索土衞六泰坦的深層或海洋可能是不可能的，但科學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，以及岩石內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，必須有一種化學能量的來源來代謝。在目標1和目標2中所做的研究基礎上，科學家將研究有機物質到達海洋的情況以及海洋環境，然後將能夠構建理論模型，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，從而判斷生命在那裏存活的可能性。假設泰坦海洋是可居住的，有化學能源和健康的有機物供應，高壓和低温環境可能會限制那裏可能存在的各種生命形式。

然而，科學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。科學家的研究目標是把乙炔桿菌作為模型生物，它可能存在於土衞六的深層地下。將進行實驗室實驗，將乙炔桿菌等微生物置於上述理論模型所描述的模擬環境中，觀察微生物是否能在其中茁壯成長，瞭解它們如何適應以生存，以及這些適應可能產生何種新型生物分子。

這些生物分子可能會留下生物特徵——生命的分子痕跡。然而，儘管土衞六泰坦海洋中可能存在生命是很好的，但科學家還需要能夠通過生物特徵探測到生命。因此，瞭解生命可能留下的生物標誌物是目標3的第二部分，並將建立一個潛在生物特徵數據庫，包括碳、氮和氧的同位素，以及細胞膜中的脂質等生物結構。

**目標4：**檢測

當然，如果這些生物特徵仍然存在於土衞六泰坦海洋中，就不可能從軌道或表面探測到。因此，最終目標是尋找一種方法，通過這種方法，這些生物特徵可以被運送到海洋表面——這與目標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)，或者可能是低温火山作用。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現活躍的低温火山活動，但已經確定泰坦表面的幾個特徵可能是低温火山。

科學家們已經在研究低温火山作用運輸物質的理論方法，期待着當目標3的結果可用時。到地表的運輸過程中也能創造適宜居住的環境。深層冰層，不僅指的是海洋，還指沿着有機物質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，温度和壓力可能與南極洲地下2到3公里處的温度和壓力有些類似，在冰蓋冰粒之間可能存在微小的空間，在那裏，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着從這些地下生命口袋中得到的生物標記物更容易到達地表。

當生物特徵在冰殼中上升時，遇到不同環境（液態水、淤泥狀冰和固態冰）將如何在化學上發生改變，從而影響在表面上所能探測到的東西。最後，一旦到達地表，未來的泰坦探測任務將如何探測到這些生物標誌物？科學家研究的最終目標是描繪出土衞六泰坦上潛在的生物圈，這樣科學家們就知道當再次土衞六泰坦時，應該尋找什麼，設計什麼儀器來探測。這是科學家們的大目標，試圖評估土衞六泰坦是一個潛在的宜居系統，將創建一個潛在生物標誌物的列表，並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。