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同學(xué)們好！
下面我們接著討論《自然地理學(xué)》專題：“宇宙中的行星地球”的第四個(gè)問題：人類對(duì)生命宜居帶的探索。
在上一堂課，我給大家展示過這張圖。圖中的藍(lán)色部分，就是不同質(zhì)量恒星附近的生命宜居帶，這里的橫坐標(biāo)顯示的是行星離恒星的距離，縱坐標(biāo)是恒星的大小。如果恒星越大，溫度越高，那么生命宜居帶就應(yīng)該離它越遠(yuǎn)。所以，在所有的因素中，溫度可能是最重要的因素。
那么，在天文學(xué)中，生命宜居帶，又稱為金發(fā)姑娘地帶。是指在恒星周圍有一段區(qū)域，不是特別近，也不是特別遠(yuǎn)。那個(gè)區(qū)域不是那么冷，也不那么熱，這就是指溫度，保證水既不會(huì)結(jié)冰也不會(huì)蒸發(fā)，生命就極有可能在這個(gè)區(qū)域內(nèi)誕生。由于人類在尋找宇宙生命的過程中，只有地球這么一個(gè)案例，或者更恰當(dāng)?shù)卣f是特例來進(jìn)行分析和比較，所以我們對(duì)宜居環(huán)境的認(rèn)識(shí)，多少有一些地球的影子。
因此，談到宇宙生命的宜居環(huán)境，人們自然而然想到的是水。因?yàn)樗堑厍蛏献顚氋F的資源之一，是地球的生命之源。我們的地球表面70%以上是水，人體也有的60%是水，大多生命也是如此。既然生命離不開水，搜尋地外生命的實(shí)質(zhì)就是搜尋液態(tài)水。正如我們前面所分析的，我們地球的姊妹金星，它距離太陽太近，其高溫的表面不可能保存液態(tài)水，而在地球外側(cè)的火星距離太陽又偏遠(yuǎn)，其表面的水常常凍結(jié)成冰。在太陽系內(nèi)，能夠存在液態(tài)水的區(qū)域便只局限于金星公轉(zhuǎn)軌道和火星公轉(zhuǎn)軌道之間的這個(gè)狹窄環(huán)形帶，只有公轉(zhuǎn)軌道位于這個(gè)環(huán)形帶內(nèi)的行星表面才可能有液態(tài)水存在。
一般說來，一顆恒星的壽命取決于它的質(zhì)量。恒星的質(zhì)量越大，其壽命越短；質(zhì)量越小，壽命越長(zhǎng)。究其原因在于：恒星質(zhì)量越大，它的萬有引力越強(qiáng)，其中心部分因受到壓縮溫度上升越快，因而為恒星發(fā)光提供能量的“熱核聚變”會(huì)進(jìn)行的十分激烈，壽命也就越短。由于生命的誕生和演化需要足夠長(zhǎng)的時(shí)間，所以中心恒星的壽命至少要達(dá)到10億年，才有可能在它的行星中孕育出生命。太陽屬于中等大小的恒星，壽命大約是100億年。關(guān)于“生命宜居帶”，還有一個(gè)因素也必須考慮進(jìn)來，那就是恒星在不同年齡段的亮度變化。大約46億年前的早期太陽要比現(xiàn)在的太陽要暗30%，那么早期地球相當(dāng)長(zhǎng)的一個(gè)時(shí)期是處于冰凍狀態(tài)的。后來冰凍開化，地球陸地能夠自動(dòng)調(diào)節(jié)行星的氣溫，地球表面的水維持長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)循環(huán)，才構(gòu)成了如今生機(jī)勃勃的生命世界。
一顆行星上要有生命的存在，它周圍的環(huán)境對(duì)能否演化出生命也有決定性的作用。例如，一個(gè)行星系所具有的巨型氣態(tài)行星的數(shù)目就是一個(gè)重要條件。當(dāng)有多顆行星圍繞著一顆恒星公轉(zhuǎn)，如果它們多半是如木星一樣的“巨型行星 ”，這些巨型行星之間也會(huì)互相施加引力影響，導(dǎo)致軌道混亂，使它們的公轉(zhuǎn)軌道變成極其扁長(zhǎng)的橢圓軌道。這樣一來，其他那些相對(duì)與巨型氣體行星而言比較小的行星的運(yùn)行規(guī)律也會(huì)亂套，在巨型氣體行星的引力影響下無法維持軌道的穩(wěn)定性，甚至可能會(huì)與中心恒星或者巨型行星發(fā)生碰撞，或者脫離中心恒星向遠(yuǎn)處飛去。這樣的條件顯然也是無法孕育生命。正如我們前面的課所介紹的，如果行星系中完全沒有巨型行星的存在，對(duì)于生命也不是一件好事。在我們的太陽系中，木星和土星均屬于巨型氣態(tài)行星，它們有很大的質(zhì)量，實(shí)際上充當(dāng)著地球的“保鏢”。試想，如果地球上經(jīng)常遭受彗星雨的襲擊，那么也許剛孕育出來的生命就毀于一旦了。木星和土星抵擋了彗星對(duì)地球的侵襲，能夠偏離或者吸引可能碰撞地球的彗星。
我們總結(jié)一下生命宜居帶的要素，大致包括：合適的溫度，也就是不冷不熱的溫度液態(tài)水的存在，因?yàn)樗巧?。恒星壽命至少?span style="letter-spacing: -0.1pt;">要10億年，所以太大的恒星系統(tǒng)就無法給予生命演化足夠長(zhǎng)的時(shí)間巨型氣態(tài)行星的存在，可以保存行星孕育出的生命成果。
那么，天文學(xué)家們也就是根據(jù)上述的這些準(zhǔn)則，在宇宙中尋找存在生命宜居帶的星球。當(dāng)然，也找到了不少，但有些后來又宣布不靠譜。隨著天文觀測(cè)技術(shù)的進(jìn)步，發(fā)現(xiàn)新行星的步伐正在不斷加快，讓我們來看看最近兩年的案例吧。
2016年5月12日，比利時(shí)的天文學(xué)家在《自然》雜志上發(fā)表研究成果，宣布在距地球39光年的水瓶座星系中發(fā)現(xiàn)一顆“超冷矮恒星”，并有3顆行星圍繞其公轉(zhuǎn)，它們?nèi)颗c地球大小相仿，并都有可能適宜生命居住。這是人類第一次在“超冷矮恒星”周圍“捕獲”到類地行星的存在，而且是一次性發(fā)現(xiàn)“三個(gè)世界 ”。
這還沒完，2017年2月22日，天文學(xué)家宣布在這顆恒星周圍再次發(fā)現(xiàn)4顆行星，于是這里發(fā)現(xiàn)的行星數(shù)量達(dá)到了7顆，湊成了“葫蘆娃七兄弟”。更重要的是，所有這7顆行星都可能存在水和大氣層，其中3顆位于可能存在生命的適居帶內(nèi)。這項(xiàng)新發(fā)現(xiàn)讓我們可以發(fā)揮想象，找到第二個(gè)地球已經(jīng)不是“能不能”的問題，而是“什么時(shí)候”的問題?！暗厍蚱咝值堋彼谛窍惦x我們約40光年，銀河系自身有10萬光年，那么40光年這個(gè)距離事實(shí)上就像是我們到鄰居家一樣。中國科學(xué)家甚至大膽預(yù)言，結(jié)果在10年內(nèi)就應(yīng)該有分曉，或許不一定要10年就能找到真正的地球兄弟。
與此同時(shí)，一些新的思潮也在蔓延，對(duì)人類尋找新的宜居帶又提出了新的挑戰(zhàn)。有科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，在地球地表以下綿延數(shù)千里的范圍都是適合微生物存在的重要棲息地。地球上很多生命甚至可以生活在這種深層生物圈里。如果將深層生物圈的可能性也考慮進(jìn)來，那么會(huì)發(fā)現(xiàn)僅僅依靠行星表面的環(huán)境條件定義生命宜居帶是非常狹隘的。如果這種假設(shè)成立的話，真正支持生命存在的宜居行星數(shù)量可能是現(xiàn)在估計(jì)的好幾倍。
那么，我們現(xiàn)在提出的問題是：能否在我們?cè)?jīng)忽視的行星上找到更多的生命體呢？有科學(xué)家利用新的計(jì)算機(jī)模型進(jìn)行探討發(fā)現(xiàn)，離恒星較遠(yuǎn)的非類地行星，可以依靠其內(nèi)部的熱量保持地下水呈液態(tài)，以維持生命體的存在。這挑戰(zhàn)了在寒冷地帶的行星不存在生命體的觀點(diǎn)。這樣放開思維后，我們發(fā)現(xiàn)一顆行星可以由兩個(gè)加熱源加熱：太陽和行星內(nèi)部熱量。也就是說，如果星球足夠大，內(nèi)部可產(chǎn)生足夠的熱量，不管它離太陽有多遠(yuǎn)，仍可以在其深層儲(chǔ)藏能夠維持生命的液態(tài)水。
此外，還有人分析，以前的絕大多數(shù)研究主要集中于尋找與RNA、蛋白質(zhì)、脂類類似物，或者某種新陳代謝的世界與自催化集合，還試圖在實(shí)驗(yàn)室制造生命，但這些工作可能過于狹隘地集中于我們今天知道的生命生化過程。如果換一種思維方式，也許所需要探索的不僅僅是合理的化學(xué)方案，更應(yīng)該考察新的物理過程和驅(qū)動(dòng)力。這篇文章的確是一個(gè)新的視角，雖然不一定正確。人們開始反思，以前在尋找外星生命中，對(duì)宜居帶是否太過追求了，也許那些環(huán)境只是適合生命存在，并不一定能創(chuàng)造生命。
而且，在這篇文章中，他們還比較了生命網(wǎng)絡(luò)與非生命網(wǎng)絡(luò)的差異，認(rèn)為生命的網(wǎng)絡(luò)必須是簡(jiǎn)單的，才有可能出現(xiàn)更多的機(jī)會(huì)。這挑戰(zhàn)了傳統(tǒng)地認(rèn)為高度復(fù)雜的分子結(jié)構(gòu)需要跳躍地進(jìn)化到生命。事實(shí)上，簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)的分子組分更容易出現(xiàn)。由簡(jiǎn)單分子組成的網(wǎng)絡(luò)，可以顯著減少生命出現(xiàn)所需的時(shí)間，并可能增加生命起源的概率。所以，我們這里將生命的開始描述為“簡(jiǎn)單的機(jī)器可以構(gòu)建更復(fù)雜的機(jī)器”。對(duì)這種思考有興趣的同學(xué)，可以去找原文看一看。
這一節(jié)課的內(nèi)容呢，到此就全部結(jié)束了。
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