在土星的冰冷卫星土卫二上发现生命需要什么

该图描绘了科学家认为水怎样与土卫二海洋底部的岩石相互作用以形成热液喷口系统。 这些相同的烟囱状通风口沿着地球海洋的构造板块边界发现,位于地表以下约 7000 英尺处。 图片来源:NASA/JPL-Caltech/Southwest Research Institute

土卫二被厚厚的冰壳下的广阔海洋所环绕,是潜在的外星生命的热门候选地。 由亚利桑那大学领导的一组研究人员得出结论,即使不登陆这个微小的世界,未来的任务也能提供答案。

亚利桑那大学研究人员领导的一项新研究表明,土星 83 颗卫星之一土卫二上是否存在外星微生物生命之谜,可以通过轨道太空探测器来解开。 在《行星科学杂志》上发表的一篇论文中,研究人员描绘了一个假设的太空任务怎样提供明确的答案。

1980 年,美国宇航局的航海者 1 号宇宙飞船最初对土卫二进行调查时,它看起来就像一个在天空中的小而不太令人兴奋的“雪球”。 后来,在 2005 年至 2017 年期间,美国宇航局的卡西尼号探测器绕过土星系统,前所未有地详细研究了土星复杂的环和卫星。 当卡西尼号发现土卫二厚厚的冰层隐藏着广阔、温暖的咸水海洋并释放出甲烷时,科学家们惊呆了,甲烷是一种通常来自地球上微生物生命的气体。

甲烷以及构成生命基础的其他有机分子是在 卡西尼号飞过巨大的水柱 从土卫二表面喷发。 当这颗微小的卫星绕着这颗环状气态巨行星运行时,它受到土星巨大引力场的挤压和牵引,由于摩擦而使内部升温。 结果,壮观的水柱从土卫二冰面上的裂缝和缝隙喷射到太空中。

去年,亚利桑那大学和巴黎科学与文学大学的一组科学家计算出,如果生命可能出现在土卫二上,它的存在很可能可以解释为什么月球正在喷出甲烷。

“要知道情况是否如此,我们必须回到土卫二看看,”这篇新论文的资深作者、亚利桑那大学生态与进化生物学系副教授雷吉斯·费里埃说。

在他们最新的论文中,Ferrière 和他的合作者报告说,虽然假设土卫二海洋中活微生物的总质量很小,但只需要轨道航天器的访问就可以确定土卫二海洋中是否存在类似地球的微生物在它的外壳下面。

“显然,让机器人爬过冰裂缝并深入海底并不容易,”Ferrière 说,并解释说已经设计了更现实的任务,将使用升级的仪器像卡西尼号那样对羽流进行采样,甚至降落在月球表面。

“通过模拟准备更充分、更先进的轨道航天器仅从羽流中收集的数据,我们的团队现在已经表明,这种方法足以自信地确定土卫二海洋中是否存在生命,而无需实际探测月球的深处,”他说。 “这是一个激动人心的观点。”

土卫二距地球约 8 亿英里,每 33 小时绕土星一周。 虽然月球甚至没有亚利桑那州那么宽,但它的表面在视觉上很突出; 就像在阳光下闪闪发光的冰冻池塘,月亮反射的光与太阳系中的其他物体不同。 沿着月球的南极,至少有 100 条巨大的水柱从冰冷的裂缝中喷出,就像猛烈火山喷出的熔岩一样。

科学家认为,这些类似间歇泉的特征喷出的水蒸气和冰粒形成了土星的标志性环之一。 这种喷出的混合物从土卫二海洋深处带出气体和其他粒子,由卡西尼号宇宙飞船采样。

在羽流中检测到的过量甲烷卡西尼号让人联想到在地球海洋无光深处发现的非凡生态系统的图像:热液喷口。 在这里,在两个相邻构造板块的边缘,海底下方的热岩浆加热多孔基岩中的海水,形成“白烟”,喷口喷出灼热、富含矿物质的海水。 由于无法接触到阳光,生物体依赖储存在白人吸烟者释放的化合物中的能量来维持生计。

“在我们的星球上,尽管黑暗和疯狂的压力,热液喷口仍然充满了大大小小的生命,”Ferrière 说。 “那里最简单的生物是称为产甲烷菌的微生物,即使在没有阳光的情况下也能为自己提供能量。”

产甲烷菌将氢气和二氧化碳转化为能量,同时释放甲烷作为副产品。 Ferrière 的研究小组根据土卫二具有产甲烷菌的假设对其计算进行建模,这些产甲烷菌栖息在类似于地球上发现的海洋热液喷口中。 通过这种方式,研究人员计算了土卫二上产甲烷菌的总质量,以及它们的细胞和其他有机分子通过羽流喷出的可能性。

“我们惊讶地发现,假设的细胞丰度仅相当于土卫二全球海洋中一头鲸鱼的生物量,”该论文的第一作者、UArizona 的博士后研究员 Antonin Affholder 说。做这项研究时的字母。 “土卫二的生物圈可能非常稀疏。但我们的模型表明,它的生产力足以为羽流提供足够的有机分子或细胞,以供未来航天器上的仪器接收。”

土卫二作为有朝一日被重新访问和更彻底审查的地点而获得了最近的关注。 由约翰霍普金斯应用物理实验室设计的一项名为“Enceladus Orbilander”的计划设想了一项任务,即从 2050 年代开始登陆土卫二并绕其运行,从而收集有关土卫二的大量数据。

“我们的研究表明,如果土卫二的海洋中存在生物圈,则无需着陆或钻探,就可以在羽状物质中发现其存在的迹象,”Affholder 说,“但这样的任务需要轨道飞行器飞过羽流多次收集大量海洋物质。”

该论文包括关于必须从羽流中收集的最少材料量的建议,以便自信地搜索微生物细胞和某些有机分子。 可观察到的细胞将显示生命的直接证据。

“找到真正的细胞的可能性很小,”Affholder 说,“因为它们必须在脱气过程中存活下来,将它们从深海带到太空的真空中——对于一个微小的细胞来说,这是一段相当长的旅程。 “

相反,作者建议检测到的有机分子,例如特定的氨基酸,可以作为支持或反对充满生命的环境的间接证据。

Ferrière 说:“考虑到根据计算,土卫二上存在的任何生命都极其稀少,我们仍然很有可能永远无法在羽流中找到足够多的有机分子来明确地断定它在那里。” “因此,我们没有关注多少足以证明生命存在的问题,而是问,‘在没有生命的情况下,有机物质的最大含量是多少?’”

这组作者说,如果所有测量值都回到某个阈值以上,则可能表明生命存在的可能性很大。

“在外星世界捕获活细胞的确切证据可能几代人都难以捉摸,”阿夫霍尔德说。 “在那之前,我们不能排除土卫二上存在生命的事实可能是我们能做的最好的事情。”