外星生命的起源來自地球……嗎？

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主譯：畢逸飛

校對(duì)：suu

審核：牧夫天文校對(duì)組

美編：余家勁

后臺(tái)：王啟儒

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逆向宇宙起源論（Reverse Panspermia）……突然面臨的艱難屏障

正如我們目前所觀察到的那樣，在大氣中漂浮與傳播的微生物，在地球生命演化史中扮演了不可忽視的重要角色。進(jìn)一步而言，既然這些微生物已經(jīng)克服了生命起源與進(jìn)化的諸多障礙，它們是否可能離開地球，穿越宇宙，抵達(dá)其他行星，并在那里播下生命的種子？這一設(shè)想正是所謂的“逆向宇宙起源論”。

如果像“宇宙起源論”（Panspermia）所說的那樣，微生物能從宇宙來到地球，那么也可能有微生物從地球走出去。但實(shí)際上，別說是地球上的微生物，就連粒子本身想要到達(dá)太空，在物理上也是極其困難的。

太空始于海拔100公里的高度，但大氣粒子通常只能在海拔10公里左右的高度內(nèi)上升并混合。在海拔10公里以上，氣溫隨高度升高而增加（逆溫層），且下層空氣密度更高，導(dǎo)致粒子無法繼續(xù)上升。微生物必須突破這道海拔10公里的“隱形屏障”，才能飛向宇宙。

竟然存在大氣粒子突破屏障的時(shí)代

盡管如此，在地球漫長的歷史中，仍有幾次海拔10公里的屏障被打破、10至50公里的平流層充滿大氣粒子的時(shí)期。其誘因之一便是隕石撞擊。

當(dāng)隕石撞擊地球時(shí)，不僅地表的海水和地殼，連隕石自身的成分也會(huì)飛濺而出，在空中漂浮很長一段時(shí)間。隕石中大量含有的銥元素也會(huì)散布到大氣中，當(dāng)它們降落并堆積在地面時(shí)，就留在了地層里。

通過測(cè)定全球含有銥元素地層的年代，可以確認(rèn)地球自誕生以來曾多次遭受隕石撞擊。雖然在人類歷史上很少見，但通過對(duì)地球隕石坑的年代測(cè)定可知：32億年前曾有相當(dāng)于4座珠穆朗瑪峰大小的巨型隕石撞擊；8億年前則出現(xiàn)過隕石撞擊的高峰期。

被認(rèn)為導(dǎo)致6600萬年前恐龍滅絕的隕石直徑約為15公里，由于它恰好落入海洋，卷起了海水和地殼成分，使平流層被粒子云覆蓋。可以輕而易舉地想象，當(dāng)時(shí)已經(jīng)從腐殖質(zhì)豐富的成熟土壤中飛揚(yáng)起了大量微生物。

圖源：gettyimages

促使粒子越過屏障的另一個(gè)誘因

另一個(gè)誘因是大規(guī)模火山活動(dòng)，噴發(fā)會(huì)將粒子帶入平流層。

1991年6月15日，菲律賓皮納圖博火山發(fā)生了被稱為20世紀(jì)最大規(guī)模的噴發(fā)，將菲律賓的天空染成了黑色。衛(wèi)星監(jiān)測(cè)確認(rèn)噴煙達(dá)到了海拔10公里以上。而在能檢測(cè)更高空粒子的激光雷達(dá)觀測(cè)中，在海拔30公里附近發(fā)現(xiàn)了與微生物尺寸相當(dāng)?shù)?微米級(jí)粒子。

在生命誕生后的約38億年間，超過皮納圖博規(guī)模的火山噴發(fā)曾多次發(fā)生，每次都會(huì)向平流層排放源自土壤和海洋的粒子。

離宇宙最近的生物，竟是地上的“少數(shù)派”……！？

隨火山噴發(fā)或隕石撞擊被卷起的土壤和海水中含有微生物，可以預(yù)測(cè)只要不在沖擊中心，它們就能存活。如果是像耐輻射球菌（Deinococcus）或芽孢桿菌（Bacillus）那樣對(duì)環(huán)境壓力有耐受性的菌群，即使在平流層也能生存。

此外，在火山地帶，棲息著以無機(jī)物為營養(yǎng)的嗜熱/耐熱細(xì)菌，藍(lán)細(xì)菌和綠藻等通過光合作用形成生物薄膜。實(shí)際上，NASA的研究小組已通過飛機(jī)獲取的海拔3000米的大氣粒子中確認(rèn)了嗜熱細(xì)菌的存在。這類自養(yǎng)微生物即使被運(yùn)送到像原始地球那樣只存在無機(jī)物的其他行星，理論上也應(yīng)該能夠繁殖。

火山噴發(fā)還會(huì)將地殼深處的粒子推向大氣。在深度1公里以下的地下也棲息著微生物，它們以甲烷或氫氣為營養(yǎng)，以數(shù)月甚至數(shù)年一次的分裂速度生長。如果這些微生物能通過休眠維持生命，那么在僅有無機(jī)物的行星上，它們或許也能頑強(qiáng)地生存下去。

事實(shí)上，從宇宙視角看似乎最遙遠(yuǎn)的火山口或地底微生物，或許才是地球上“離宇宙最近”的生物。

飛向宇宙的微生物

雖然現(xiàn)在罕見達(dá)到平流層規(guī)模的隕石撞擊或火山噴發(fā)，但實(shí)際上日常生活中也存在將微生物卷入平流層的現(xiàn)象。那就是“雷電”。

我們看到的閃電是落向地面的，但也有向高空延伸的雷電。這種“逆向雷電”被稱為藍(lán)色噴流（Blue Jets），云層中積累的電子以每秒數(shù)公里的速度向上沖，作為電流瞬間閃現(xiàn)至幾十公里的高空。

當(dāng)帶有更強(qiáng)電流時(shí)，會(huì)演變?yōu)椤熬薮髧娏鳌保狡搅鲗樱竭_(dá)海拔100公里以上的高空。模擬實(shí)驗(yàn)顯示，此時(shí)伴隨電流，粒徑1微米的大氣粒子可達(dá)50公里高空，即使是50微米的粒子也能到達(dá)數(shù)十公里高空。因此，即使在現(xiàn)代這個(gè)平靜時(shí)期，雷電也蘊(yùn)含著將微生物送入太空的可能性。

不過，雖然微生物到達(dá)海拔100公里左右的高度已通過觀測(cè)和模擬得到驗(yàn)證，但它們能否到達(dá)數(shù)百公里以上的更高高度并真正離開地球，目前尚不明確。即便如此，在過去由于巨型隕石撞擊等原因，微生物飛向高空的可能性是充分存在的。

現(xiàn)代的“微生物搬運(yùn)工”

現(xiàn)在，火箭和空間站也被認(rèn)為成為了微生物的運(yùn)載體。火箭發(fā)射在室外進(jìn)行，正如前文所述，海洋、森林、土壤中的微生物隨風(fēng)飄蕩，也會(huì)附著在發(fā)射前的火箭上。雖然火箭以猛烈的勢(shì)頭升空，但形成芽孢或聚合體的強(qiáng)韌微生物活下來并進(jìn)入火箭表面的凹凸處、從而到達(dá)太空的可能性是不容忽視的。

此外，載人航天器和空間站都載有乘組人員，他們帶著各自的微生物群落飛向太空。如果在活動(dòng)中哪怕有一點(diǎn)點(diǎn)含有微生物的空氣泄露到太空外，微生物就可能直接開啟宇宙之旅。

飛向太空之后

飛入太空的微生物在數(shù)百公里的高空依然會(huì)被地球重力捕獲，僅在軌道上繞行。然而，在空氣分子稀薄的太空空間，經(jīng)常會(huì)有作為隕石母體的小行星或彗星碎片飛來，有時(shí)它們掠過地球，隨即再次飛向宇宙深處。

如果微生物附著在這些飛行物上，就可能離開地球軌道，隨之遠(yuǎn)去。如前所述，由于微生物與礦物粒子具有很強(qiáng)的親和力，它們應(yīng)該很容易附著在這些飛行物的礦石上。此外，在宇宙移動(dòng)過程中，如果有更大的小行星或彗星靠近，微生物也可能因重力作用，從微小的礦石“轉(zhuǎn)乘”到巨大的天體上。

就這樣，即使進(jìn)入太空后，也存在離開地球的手段，一旦離開，等待它們的將是近乎永恒的旅行。……雖然理論上可以這樣推導(dǎo)，但平流層更高處真的漂浮著微生物嗎？

宇宙的微生物采集

近年來，實(shí)際采集平流層大氣微生物的超高層大氣觀測(cè)正開展得如火如荼。觀測(cè)中會(huì)使用火箭、飛機(jī)以及大型氣球。其中，由千葉工業(yè)大學(xué)和JAXA（日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)）等研究團(tuán)隊(duì)推進(jìn)的平流層微生物采集實(shí)驗(yàn)——“Biopause項(xiàng)目”（生物停滯層項(xiàng)目）規(guī)模宏大。

該項(xiàng)目將直徑達(dá)34米的氦氣球升至28公里的高空，隨后釋放微生物采集采樣器，利用其慣性下落的過程中采集粒子。

當(dāng)采樣器下落時(shí)，空氣會(huì)流過筒狀的裝置，將空氣中包含的粒子過濾并收集在濾網(wǎng)上。隨著接近地面，氣壓上升，采樣器的蓋子會(huì)自動(dòng)關(guān)閉。

密封有粒子的采樣器最終會(huì)降落在海面上。一旦從海上回收采樣器，科研人員就能在實(shí)驗(yàn)室里分析濾網(wǎng)上捕捉到的平流層粒子（運(yùn)氣好的話還有微生物）。當(dāng)然，高層大氣的粒子極其稀薄，有時(shí)也會(huì)面臨一無所獲的窘境，這是一項(xiàng)極其嚴(yán)酷的挑戰(zhàn)。

超高層大氣觀測(cè)中發(fā)現(xiàn)的微生物

得益于此類超高層大氣觀測(cè)，研究人員已在平流層中發(fā)現(xiàn)了耐輻射球菌（Deinococcus）和芽孢桿菌（Bacillus）等具有環(huán)境耐受性的微生物。

特別是耐輻射球菌，已分離培養(yǎng)出多個(gè)物種。據(jù)認(rèn)為，它們?cè)谄搅鲗又型ㄟ^形成生物薄膜（Biofilm）來漂浮。與此同時(shí)，觀測(cè)中還發(fā)現(xiàn)了礦物粒子。可以確定的是，附著在礦物粒子上的微生物，確實(shí)在平流層的嚴(yán)酷環(huán)境中保護(hù)著自己。

針對(duì)更高高度（400公里高空）的“飛向太空的微生物”，JAXA正在推進(jìn)一項(xiàng)名為“蒲公英計(jì)劃”（Tanpopo Mission）的項(xiàng)目。該項(xiàng)目名稱寓意深遠(yuǎn)：微生物在太空中漂浮、在行星間傳播生命的樣子，正如蒲公英的棉絮帶著種子輕盈擴(kuò)散一般。

該計(jì)劃在繞地高度400公里的國際宇宙空間站（ISS）“希望號(hào)”實(shí)驗(yàn)艙的暴露平臺(tái)上安裝了凝膠板，試圖捕捉并收集撞擊在凝膠板上的微生物細(xì)胞及其碎片。

由于國際空間站為了維持軌道以每秒8公里的速度繞地運(yùn)行，利用安裝在衛(wèi)星上的凝膠板捕捉并收集宇宙粒子——“宇宙塵”，這種策略在物理邏輯上是非常合理的。

當(dāng)然，由于粒子會(huì)高速撞入凝膠，為了防止采集到的粒子變形或生物細(xì)胞破碎（死亡），科研人員耗時(shí)多年開發(fā)出了一種能極其柔軟地包覆住粒子的凝膠——“氣凝膠”（Aerogel），并已投入實(shí)用。

目前，已完成宇宙粒子采集的氣凝膠已經(jīng)平安返回地球。由于粒子密度極低，后續(xù)的解析和分析工作難度極大且仍在持續(xù)。但隨著觀測(cè)的重復(fù)進(jìn)行，未來一定能發(fā)現(xiàn)往返于宇宙空間與地球之間的礦物質(zhì)或生物物質(zhì)。

責(zé)任編輯：甘林

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藍(lán)色噴流

圖源：Joshua Stevens；NASA Earth Observatory

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