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自然“冷戰(zhàn)”造就的天體生物學(xué)
2014年7月16日
生命，死亡，人造衛(wèi)星
天文學(xué)和生物學(xué)在人類首次開始思考其他世界和太陽存在的可能性后，便開始曖昧地“糾纏”在了一起。但是二者真正融合成為現(xiàn)代的天體生物學(xué)實際上開始于1957年的10月4日。那天，一個名為“人造衛(wèi)星1號（Sputnik 1）”的23英寸鋁球從哈薩克共和國荒漠草原騰空而起進(jìn)入了地球低軌道。隨后幾個星期，它不斷地通過無線電波發(fā)出輕微的蜂嗚，預(yù)示著一個全新而極不確定的世界正在到來。三個月后鋁球重返大氣層。人類也就此進(jìn)入了地球在過往40億年中前所未見的發(fā)展軌跡。
人造衛(wèi)星升空之時，32歲的美國人，澳大利亞墨爾本大學(xué)的客座教授Joshua Lederberg正在埋頭工作。Lederberg是一位天才，出生于1925年，父母是新澤西的移民，他思維敏捷，行為大方，記憶力超強。高中時成績突出，15歲便被哥倫比亞大學(xué)錄取。在那里他獲得了動物學(xué)學(xué)位。隨后轉(zhuǎn)入耶魯大學(xué)從事醫(yī)學(xué)研究。21歲時在耶魯大學(xué)協(xié)助研究新興的微生物遺傳學(xué)，在細(xì)菌轉(zhuǎn)基因方面的工作讓他與人分享了1958年的諾貝爾獎。1，2
與這個行星上的其他地方一樣，澳大利亞也被蘇聯(lián)的這次發(fā)射嚇住了；這是一種技術(shù)實力的展示，它在表明對超級大國而言，跨越大洋投射核彈頭是一件輕而易舉的事。但是和其他人的想法不同，Lederberg的思維在另一個方向。他意識到的是，某種隱形的的壁壘已被打破，它原本可以將致命的東西阻擋在外，而與此同時，也出現(xiàn)了一個絕好的科學(xué)機遇。
假如人類想要太空旅行，那么可以想像的是，我們會把地球上的有機體散布到其他行星，與此同時外星的病原體也會被帶回地球。正如Lederberg所意識到的，我們要么會毀掉太陽系中地球之外的本土生命形式，要么就會害了我們自己。而這兩者人類都無法接受。因此當(dāng)他回到美國后，便立即開始學(xué)習(xí)所有有關(guān)天文學(xué)和火箭技術(shù)的知識，同時準(zhǔn)備給美國科學(xué)院寫信，想要就這種迫在眉睫的危險向他的同事提出警告。
我們會毀掉太陽系中地球之外的本土生命形式。
1958年春，人們開始注意到了Lederberg關(guān)于“宇宙災(zāi)難”的警告。這個警告可能會嚇到學(xué)者和政策的制定者，但它同時還標(biāo)志著一門新學(xué)科的誕生——一門超越通常行星界限的新科學(xué)的誕生。用他自己的話來說，“我是唯一一個認(rèn)真地考慮了外星探索的生物學(xué)家?！边@并沒有影響到他的聲譽，在隨后幾年中，在剛成立不久的NASA，Lederberg成功地將生物學(xué)調(diào)查加入了議程中，同時一個新的名詞誕生了：“地外生物學(xué)（exobiology）”——一門專注于研究地球之外生命的學(xué)科。
地外生物學(xué)極大地影響了太空探索進(jìn)行的方式。一系列針對飛船以及其帶回物品的消毒和隔離規(guī)則被制訂了出來。NASA建造了凈化室，所有儀器在封裝發(fā)射前都要被清潔或烘烤消毒?？茖W(xué)家們忙碌地想要計算出給外星造成生物污染的風(fēng)險在多大程度上可以被接受。制定出來的一個標(biāo)準(zhǔn)是：每項任務(wù)擾亂外星生態(tài)圈的概率必須低于萬分之一。這個有些隨意的規(guī)定，也許只是反應(yīng)了我們對外星被搞亂的容忍度而已。
因此當(dāng)阿波羅11號凱旋歸來后并沒有進(jìn)行游行慶祝，相反的是宇航員被迅速關(guān)進(jìn)了一輛被改裝過的氣流拖車，并認(rèn)真地隔離了三個星期。有一張著名的照片，照片上尼克松總統(tǒng)正對著阿姆斯特朗、阿爾德林和柯林斯開心地笑，而這三人都被“安全”地關(guān)在拖車氣密窗后面。也許他們會很樂意這么做吧。而到了阿波羅14號之后，由于月球表面已被確認(rèn)無菌，這樣的隔離措施才被省略。
然而Lederberg沒有就此停止他的研究工作。他和年輕的卡爾薩根在20世紀(jì)60年代成為了朋友，并且互相協(xié)助開創(chuàng)太陽系探索和地外生命搜索這些的新興的研究領(lǐng)域。1965年，NASA的水手4號為了依靠火星引力加速而近距離掠過了火星，它發(fā)回了首張近距離特寫火星照片，照片中火星表面布滿了隕坑，呈現(xiàn)出一派荒涼景色。這是一個干旱的荒漠行星：沒有植被，沒有文明，幾乎沒有大氣。從此，人們對太陽系中存在生命的樂觀態(tài)度被迫轉(zhuǎn)變，生物學(xué)探索將會面臨的挑戰(zhàn)也變得更為清晰——假如有生命存在的線索，那么它們有可能需要用顯微鏡來尋找。受這個信息的啟發(fā)，Lederberg、薩根和其他研究者加速在微生物和化學(xué)方面進(jìn)行了概念性與實驗的先行性研究，這項研究在1976年引人注目的海盜號火星任務(wù)中達(dá)到了光輝的頂點。這兩個雙胞胎著陸器搭載著高靈敏度的自動化濕式實驗裝置，專門用于培養(yǎng)和檢測可能暗藏于火星紅色土壤中的微生物，這可能是這片嚴(yán)酷的環(huán)境中生命最后的庇護(hù)所之一。
盡管儀器很先進(jìn)，但從很多方面講，海盜號火星任務(wù)相當(dāng)于宣告了Lederberg式宇宙生物學(xué)的結(jié)束。著陸器對微生物或其他類型有機體的搜尋毫無收獲。生物學(xué)的測試結(jié)果讓人迷惑而失望，火星表面上層土壤中令人討厭的化學(xué)成份導(dǎo)致的結(jié)果是——那里全是類似于火箭燃料化合物的有毒氧化物。海盜號的結(jié)果清楚地表明，在地球之外尋找生命所面臨的挑戰(zhàn)比想象中的要大得多。
每項任務(wù)擾亂外星生態(tài)圈的概率必須低于萬分之一。
一方面是對外部的響應(yīng)，一方面也是自身發(fā)展的需要，地外生物學(xué)的專業(yè)研究隨后逐漸地進(jìn)入了一個更為廣闊的領(lǐng)域。它綜合了各個學(xué)科，從地球微生物學(xué)、生命的起源，到星際化學(xué)與行星物理，甚至包括了簡單的宇宙學(xué)。這樣的轉(zhuǎn)變不容易。在這個領(lǐng)域，可用的數(shù)據(jù)相當(dāng)少。但Lederberg最初想法中的大部分動力源泉依然保留著；這是一些意義深遠(yuǎn)的問題，因此也激起了人們的興趣。在美國，NASA執(zhí)著地進(jìn)行著一系列規(guī)?？涨暗目鐚W(xué)科研究，從進(jìn)化生物學(xué)到天體化學(xué)，積極地在尋求科學(xué)上的突破，否則它就已經(jīng)在傳統(tǒng)的融資計劃中破產(chǎn)了。
20世紀(jì)70年代末與80年代，極端環(huán)境下地球生命體的發(fā)現(xiàn)重新激發(fā)了科學(xué)家的想象力。人們在海洋深處數(shù)千米的地方，發(fā)現(xiàn)了火山排氣孔中以有毒超高溫臭氣為食的微生物以及稍大一些的生物。研究還發(fā)現(xiàn)某些細(xì)菌似乎還很樂意生活在干燥、有電離輻射和冰凍的環(huán)境中。Carl Woese和其他科學(xué)家定義了古細(xì)菌的大域，并開辟了一系列關(guān)于生命起源的新思路，而Thomas Gold則談到了行星地下環(huán)境中生命存在的意義。這讓我們意識到我們過去忽視掉了太多的地球生命，這也就意味著我們更容易忽視其他行星上的生命。
直到20世紀(jì)90年代，地外生物學(xué)才勉強有了能夠回答科學(xué)家疑問的研究范圍，而研究的成果讓它有了一個新的名字：“天體生物學(xué)（astrobiology）”，它是天文學(xué)和生物學(xué)的全面融合。它開始將生命作為一個真正的宇宙現(xiàn)象來理解——一個泛學(xué)科的探索開始成形，就像1995年首顆環(huán)繞著與太陽類似恒星運行的宜居行星被發(fā)現(xiàn)一樣。
回想起來，是在一連串偶然性的重大事件幫助下，天體生物學(xué)才發(fā)展到現(xiàn)在的高度。從起初的細(xì)菌和人造衛(wèi)星1號，到最后的系外行星的發(fā)現(xiàn)。假設(shè)這些發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)的時間點有所不同，那我們就可能已經(jīng)在不知不覺中鑄成大錯，將太陽系污染得到處是細(xì)菌，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出自然傳播的范疇。這樣的話，我們就阻礙了，也可能浪費了研究其他世界中可能存在的本土生命的機會。
天體生物學(xué)可以說是過去數(shù)百年間最幸運，同時也是最不幸的科學(xué)領(lǐng)域。
與此相反，我們裝腔作勢而內(nèi)心偏執(zhí)，Lederberg的機敏思想成為了冷戰(zhàn)雞尾酒上的裝飾。超級大國間的太空競賽成了一場生物遏制的禁區(qū)，但同時也為我們更密切而仔細(xì)地觀察其他世界爭取了時間。假如我們在早期的火星和金星探索中沒有保持冷靜，我們可能就錯過了生命的豐富性所含有的更深層次涵義。生命不是天上掉的餡餅，它在宇宙這個舞臺上出現(xiàn)的頻率隱含在一項重要的統(tǒng)計學(xué)結(jié)果中，但是要獲取這些知識，無論何時都是極大的科學(xué)挑戰(zhàn)。基于這些原因，天體生物學(xué)可以說是過去數(shù)百年間最幸運，同時也是最不幸的科學(xué)領(lǐng)域。
這項冒險性的事業(yè)在合作中仍然可能存在著一些不和諧的關(guān)系；生物學(xué)家和天文學(xué)家在科學(xué)的優(yōu)先權(quán)方面不總是看法一致。但這不是問題，因為從很多方面來看，當(dāng)初Lederberg想要保護(hù)和維持的東西，在今天比以往還要迫切，我們不僅是要尋找和發(fā)現(xiàn)宇宙中生命的豐富性，我們也在探尋在宇宙的大環(huán)境中，我們自己的世界該如何定位。在這個被我們無意且不必要地改變了的環(huán)境中，只有更加充分地了解自己，才能夠規(guī)劃出一個能夠穩(wěn)定持久的方向。
在此還有一點暗示，在宇宙中，存在著偉大而尚未到來的同盟。我們今天所知的火星曾經(jīng)有過一段更溫暖的時期。我們也已經(jīng)知道，我們的太陽系中并不包含所有銀河系行星種類，那些行星可能比地球還要大一點。即便用我們現(xiàn)在的原始數(shù)據(jù)來分析，這些世界也呈現(xiàn)出非凡的多樣性。有些古怪的行星稠密而多石，或者富含氣層。而有一些可能有著截然不同的地質(zhì)化學(xué)特性，在那里巖床的主要成分可能是碳，而不是硅。在不久的將來，我們可能會在行星的家族中找到自己的位置，而且很可能也會在地外生物學(xué)的家族中找到自己的位置。那將是知識的終極融合，當(dāng)?shù)厍蛏业阶约涸谟钪嫖枧_上的位置時，才是天體生物學(xué)的真正出頭之日。
作者Caleb Scharf是天體物理學(xué)家，紐約哥倫比亞大學(xué)天體生物學(xué)主任。他的新書《哥白尼體系：我們在行星和概率宇宙中的意義（The Copernicus Complex: Our Cosmic Significance in a Universe of Planets and Probabilities）》將于2014年8月份上市。
