土星泰坦卫星,零下179度的冰盖下,科学家:或适合生命生存!

土星泰坦卫星,零下179度的冰盖下,科学家:或适合生命生存!
2019年09月27日 01:04 新浪网 作者 情感表达式

土星泰坦卫星,零下179度的冰盖下,科学家:或适合生命生存!

本文参加百家号科学#了不起的天文航天#系列征文泰坦是土星最大的卫星土卫六,是有机分子的温床,孕育着复杂碳氢化合物的混合物,这些碳氢化合物被认为在40亿年前的原始地球上也有存在。然而,泰坦表面在零下179摄氏度处于深度冻结状态,科学家所知道的生命不可能存在于泰坦寒冷的表面。在泰坦地下深处则是另一回事,美国宇航局卡西尼号宇宙飞船在飞行过程中进行的重力测量显示,泰坦冰盖下有一片海洋、

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在泰坦这片海洋中,可能存在适合生命生存的条件。由美国国家航空航天局喷气推进实验室的科学家,领导一个由美国国家航空航天局资助的研究小组,正在寻求更好地了解泰坦海洋中生命存在的可能性,以及它与泰坦大气和表面有机分子之间可能存在的关系。泰坦丰富多样的有机分子是太阳紫外线照射的产物,紫外线与泰坦大气中的主要气体(氢、甲烷和氮)发生化学反应。

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由此产生的复杂碳氢化合物可能是生命组成部分,或为生命提供化学营养,而在其海洋泰坦内部,蕴藏着这种生命的潜在栖息地。由喷气推进实验室的Rosaly Lopes领导,NAI团队的四个主要目标是确定泰坦这些有机分子如何在大气、表面和海洋之间运输,然后在海洋中发生什么过程使其适宜居住,然后海洋生物产生什么生物特征,最后这些生物特征如何运输回表面,在那里它们可以被检测到。

泰坦卫星项目探索计划

到2023年4月为止,该项目已经由印度国家自然科学研究院资助了5年。该项目围绕有机分子和生物特征穿过大气和海洋周围冰层的路径进行组织。该团队目前有30名科学家分布在多个机构,在每个目标下,有几个研究,每个研究有一个首席科学家。每一项研究都是按照时间表进行,因此,对第一个目标的研究(有机分子的运输)所产生的结果可以用于后续目标研究。科学是沿着有机分子的路径,从形成的大气层顶部向下穿过地壳进入海洋,如果那里发生了生物学现象,那么这些有机分子是如何回到地表并变得可见的。

目标1:运输

该研究项目的初步科学成果来自康纳·尼克松和在NASA戈达德团队,利用智利阿塔卡马大型毫米/亚毫米阵列(ALMA)研究泰坦大气的化学成分。准确地知道在大气中发现的分子种类,使研究人员能够建立一个全面的大气光化学模型,为了解什么有机物能够到达表面并可能进入海洋奠定基础。科学家对土卫六大气层的了解大多来自卡西尼号飞船,特别是CIRS红外光谱仪。然而有些分子物种在红外光谱中太微弱而不能被CIRS探测到,但是它们对ALMA来说要亮得多。

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科学家们特别提到了几种氰化物分子,CH3CN、C2H3CN和C2H5CN,它们是阿尔玛能够探测到的泰坦大气中关键含氮分子。同时,卡西尼号和阿尔玛号还发现了更多种类的分子。后者探测到微量有机气体的空间变化,这些气体是由太阳紫外线分解甲烷和分子氮而产生。随着这些微量气体在大气中向地表漂移,可以与其他有机分子发生反应,形成越来越复杂的有机物。因此,所观察到的空间变化可能会影响表面有机物的丰度和类型,以及哪些有机物接近进入亚表面的通道。

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卡西尼号观测土卫六半年,从北方冬季到北方夏季,到现在卡西尼号的任务早已经结束,阿尔玛将能够观察土星和土卫六剩余年份的大气变化,以及有机分子丰度是如何变化的。例如,美国国家地质调查局团队对卡西尼号数据的分析发现,泰坦平流层中的丙烷和丙基等C3Hx碳氢化合物存在季节性变化。作为目标1的一部分,剩下的研究包括了解分子在析出大气层后是如何穿过表面运输,这是康奈尔大学亚历克斯·海耶斯(Alex Hayes)领导的一项任务,下一步是了解有机物在表面是如何被修饰的,然后它们是如何从表面移动到海洋。

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后一个问题产生了一种令人惊讶的可能性。到目前为止,该项目的主要成果之一是来自德克萨斯州西南研究所的Kelly Miller, Hunter Waite和NAI团队成员Christopher Glein的研究,该研究提出泰坦的氮大气来自于在泰坦形成时被困在泰坦内部的有机分子,随后这些气体的加热释放出氮,并渗透到地表。研究表明泰坦内部已经有有机物可以从下面进入海洋,所以即使有机物不能从表面进入海洋,海洋仍然可以包含生命的构建块。这些有机物实际上可能是通过低温火山作用渗透上来,这也为泰坦表面的一些有机物创造了一个可能的起源。

目标2:宜居性

如果泰坦存在有机物穿过冰层从表面进入海洋的途径,那么下一步就是要弄清楚海洋,或者在通往海洋旅程中冰层中的任何地方,是否有可能适合人类居住,这就是研究高压、耐寒生物体生物学家们发挥作用的地方。在这之前,科学家需要对海洋有更多的了解,尽管卡西尼号通过重力测量证实了海洋的存在,但不知道海洋的确切组成,如密度,热剖面,以及冰盖的整体结构。

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为了更好地了解土卫六泰坦海洋及其潜在的可居住性,科学家从几种可能存在的合理成分入手,然后逆向研究,建立理论模型。尽管直接探索土卫六泰坦的深层或海洋可能是不可能的,但科学家们打算利用理论建模和实验室实验来模拟可能的条件,以便更好地理解冰壳和海洋之间的界面,以及岩石内核的海洋和这些界面上氧化剂和还原剂的流动,这些界面可能支持微生物。

目标3:生命生存

为了使生命能够在泰坦海洋中或附近生存,必须有一种化学能量的来源来代谢。在目标1和目标2中所做的研究基础上,科学家将研究有机物质到达海洋的情况以及海洋环境,然后将能够构建理论模型,计算海洋中有多少能量可用,以及在这些条件下可能存在的代谢,从而判断生命在那里存活的可能性。假设泰坦海洋是可居住的,有化学能源和健康的有机物供应,高压和低温环境可能会限制那里可能存在的各种生命形式。

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然而,科学家认为一个合适的例子是乙炔杆菌,它可以依靠乙炔作为唯一的代谢能量和碳源生存。科学家的研究目标是把乙炔杆菌作为模型生物,它可能存在于土卫六的深层地下。将进行实验室实验,将乙炔杆菌等微生物置于上述理论模型所描述的模拟环境中,观察微生物是否能在其中茁壮成长,了解它们如何适应以生存,以及这些适应可能产生何种新型生物分子。

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这些生物分子可能会留下生物特征——生命的分子痕迹。然而,尽管土卫六泰坦海洋中可能存在生命是很好的,但科学家还需要能够通过生物特征探测到生命。因此,了解生命可能留下的生物标志物是目标3的第二部分,并将建立一个潜在生物特征数据库,包括碳、氮和氧的同位素,以及细胞膜中的脂质等生物结构。

目标4:检测

当然,如果这些生物特征仍然存在于土卫六泰坦海洋中,就不可能从轨道或表面探测到。因此,最终目标是寻找一种方法,通过这种方法,这些生物特征可以被运送到海洋表面——这与目标1探索有机物从海洋表面到达海洋的方式相反。主要运输方式可能是向上上升的对流冰(即较暖的泥状冰),或者可能是低温火山作用。大气中的甲烷会被紫外线破坏,所以必须有一些补充,而且可能还在排放毒气。虽然还没有在泰坦上发现活跃的低温火山活动,但已经确定泰坦表面的几个特征可能是低温火山。

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科学家们已经在研究低温火山作用运输物质的理论方法,期待着当目标3的结果可用时。到地表的运输过程中也能创造适宜居住的环境。深层冰层,不仅指的是海洋,还指沿着有机物质进出冰层路径上可能存在的储藏库。特别是在地表以下7到30公里的地方,在坚硬、易碎的冰和更有韧性、更软的冰之间的边界上,温度和压力可能与南极洲地下2到3公里处的温度和压力有些类似,在冰盖冰粒之间可能存在微小的空间,在那里,乙炔杆菌等微生物可以茁壮成长。比冰盖更接近地表也意味着从这些地下生命口袋中得到的生物标记物更容易到达地表。

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当生物特征在冰壳中上升时,遇到不同环境(液态水、淤泥状冰和固态冰)将如何在化学上发生改变,从而影响在表面上所能探测到的东西。最后,一旦到达地表,未来的泰坦探测任务将如何探测到这些生物标志物?科学家研究的最终目标是描绘出土卫六泰坦上潜在的生物圈,这样科学家们就知道当再次土卫六泰坦时,应该寻找什么,设计什么仪器来探测。这是科学家们的大目标,试图评估土卫六泰坦是一个潜在的宜居系统,将创建一个潜在生物标志物的列表,并试图指出在火星表面的哪个地方,可能是寻找生命的好地方。

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