如何建造宜居星球？

简介

人类居住的世界只有一个例子:地球。在过去的几十年里，我们对宜居性的定义随着极端环境中生命的发现而扩大，但现在用地球作为我们确定宜居性的参考已经受到了对其他世界的探索的挑战。

除了我们太阳系中的世界，我们现在有越来越多的其他恒星周围的世界，它们都有不同的、可能是奇特的化学和环境。那么，问题来了:我们对地球宜居性的有限经验是否扭曲了我们对宜居世界基本要求的理解?我们的经验如何为寻找地外生命提供有用的指导?

地球为我们提供了生命起源的最佳线索，因为它是唯一已知的例子。生命的成分以这样一种方式聚集在一起，允许从化学到生物学的过渡，但我们仍然不知道这是如何发生的。我们不知道到底需要什么材料，也不知道涉及到多大的空间和时间尺度。我们确实知道水和岩石参与其中，我们对生命出现时的条件有了一些了解。生命的印记存在于最古老的岩石上，可以追溯到近40亿年前。

图6 - 1。最初的宜居带模型(浅蓝色)使用了宿主恒星的相对大小和行星与该恒星的距离来模拟水可能存在于表面环境中的情况。随着外行星(如木卫二、木卫三或土卫二)冰冷的卫星被研究，这些天体上存在深层液态水栖息地的可能性扩大了可居住世界的多样性。来源:图片转载自Grasset et al. 2013.

然而，我们相信生命起源于最早的化石之前，因为有证据表明，这个时候的生物类似于那些接近系统发育树根部的生物。也就是说，生命已经进化出了现代细胞的大部分重要特征——尤其是转译机制。这有两个含义。首先，生命起源于接近地球形成的时期。第二，生命的早期进化比后来的进化要快得多。主流理论认为，生命的早期进化是大规模水平基因转移和高度波动的环境的产物。太阳系中还有什么地方可能存在生命(或者过去可能存在过生命)，这个问题必然包括可能存在类似地球条件的地方。我们有充分的证据表明，太阳系中的其他天体可能也有类似于早期地球的条件。这些条件包括液态水与含有基本元素和分子组合的岩石接触的地方，以及地球物理过程(如热液活动或太阳辐射)提供足够能量的地方。这些参数可能在火星上也存在，很可能在金星上也存在，今天可能在围绕太阳系外大行星运行的较大的冰卫星上也存在。有充分的理由相信，这些参数也出现在其他恒星周围的行星上。太阳系内外水世界的分布挑战了我们对地球上生命出现的有限理解，并鼓励我们思考适合生命生存的环境条件。例如，土星的卫星土卫六是一个由碳氢化合物雕刻而成的活跃世界，这让我们怀疑液态水是否是生命存在的唯一可能溶剂。这些例子引导我们从最广泛的角度思考可居住性的概念。

6.1是什么让一个环境适合居住?

可居住性被定义为一个环境(过去或现在)支持任何种类生命的潜力。据我们所知，液态水是生命的必要条件，但不是充分条件——可居住性比液态水的存在要复杂得多;可居住性是众多环境参数的函数，其研究受到生物学对这些参数的影响的影响。宜居环境是指能够内生(利用当地资源)产生生命或支持可能来自其他地方(外生)的生命的生存的环境。这种能力可能取决于诸如辐射能、地质过程产生的化学不平衡、或流星和其他外源的挥发物和营养物质的输送和积累等输入。

宜居环境是指目前被生物占据的可居住环境。宜居性可能意味着适宜居住和有人居住的程度，反映了一个环境支持多少多样性、生产力或生命的空间覆盖。无论是在局部还是在行星尺度上，宜居性的程度对于生命的可探测性很重要。我们还应该考虑到环境的进化，允许一个星球在不同的宜居时代之间发生连续的变化。对地球上极端环境的研究(见第5章:识别、探索和描述环境的可居住性和生物特征)告诉我们生命如何适应这些时代之间的过渡。

一颗行星是否适合居住取决于导致其形成的事件顺序——可能包括分子云和原行星盘中有机物的产生，行星吸积期间和之后物质的传递，以及太阳系中行星体的轨道位置。

支配行星形成的天体物理过程似乎是普遍存在的，行星被认为是恒星形成的自然副产品。这些外部过程如何运作并塑造形成的行星的属性取决于恒星的大小和组成、系统的元素组成以及行星系统形成的恒星环境等因素。了解这些因素如何影响恒星周围出现的行星的特性，将使我们能够评估哪些恒星可能拥有可居住的行星。

行星或月球的地球物理演化控制着它的气候、大气成分和表面挥发性物质的存量。预计行星的大小、组成和轨道元素各不相同，所有这些都可能影响已知或被认为会影响其潜在可居住性的内部过程，以及它们保持可居住的时间。对太阳系地球物理过程的更彻底的了解可以阐明地球的特性，使生命能够在这里蓬勃发展，并在我们太阳系的其他天体上存在生命的潜力，并为预测其他行星系统中行星的物理特性和潜在的环境条件提供基础。

了解地球是如何在数十亿年的时间尺度上保持可居住性的，可能会让我们了解可居住的世界是如何随着时间的推移而进化的。此外，地球的过去、现在和未来代表了不同类型的宜居世界的不同一瞥，为我们提供了了解如何在其进化的不同阶段识别和描述宜居行星的机会。可能控制宜居性的因素包括地表水和大陆，强磁场，以及驱动板块构造和碳循环以及行星热流的对流地幔。这些都是宜居性的关键特征，还是仅仅是我们自己星球的特殊属性?我们知道地球上的生命依赖于这些特性，但也许还有其他方法可以构建一个生物圈，同样有效地维持另一个星球的宜居性。

在适宜居住的环境中，最有可能发现生命的地方是那些生物群落可能在保存完好的地质中留下可探测的印记或生物特征的地方。矿物质的可用性和化学梯度的维持决定了生命的潜在生物量和代谢策略。地球上生命的生物化学需要特殊的有机化合物，这些有机化合物的多样性超过了在无生命环境中发现的有机分子的多样性。环境在选择这些化合物的过程中起了什么作用?这种影响可能包括促进有机物的形成，提供能量梯度，模板化有机物和催化关键分子的形成，以及将化学混合物与其他化学混合物分离。

6.2为什么这个话题很重要?

这个领域是决定在地球以外的地方寻找生命以及如何寻找生命的起点。如果我们知道是什么让一颗行星适合居住，我们就可以去寻找它;如果我们知道什么条件不适合居住，我们就可以限制我们的目标。

可居住性为理解生命可能存在的迹象提供了背景。为了提高天体生物学工具的实用性，我们必须扩大已知可能的生物特征的范围——了解它们与它们所衍生的环境之间的关系——并开发描述可居住环境特征的方法。对可居住性的更深入理解为解释假定的生物特征的重要性或它们的缺失提供了背景。

我们太阳系中的多个世界有足够的能量来孕育生命，也有可能存在生命的地质和地球化学前身。我们可以通过将地球的发展与其他类地行星，如金星和火星，进行比较来深入了解，这些行星可能在数十亿年前拥有与地球类似的环境，包括海洋和大陆，但后来由于各种原因失去了类似地球的环境。围绕太阳和巨行星运行的无数冰雪世界中，有许多在冰雪表面下都有浩瀚的海洋。巨大的行星本身让我们了解了大大气层是如何运作的。

太阳系中世界的多样性只是宇宙中世界多样性的一小部分。当我们开始探索与人类所遇到的任何事物都不同的系外行星系统时，我们必须利用我们对地球和太阳系中其他行星(及其卫星)的了解，为在其他地方发现可居住的行星建立理论基础。如果我们要了解生命是如何形成、进化的，以及如何在整个宇宙中被远程探测到，我们必须对广泛的可能性持开放态度。

确定宜居性的关键要素是很重要的，这样才能对地球以外可能有趣的世界范围有一个基本的了解。我们必须考虑在地表有液态水的类地行星之外的其他选择，并将我们的思考与观察、模型和理论结合起来，得出一个答案或探索策略。因此，我们对宜居性的定义定义了我们将在哪里以及如何寻找地球以外的生命。