地球上的生命是幸運的：一種罕見的化學巧合或許讓我們的星球變得宜居

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原文作者：Samantha Mathewson

翻譯：尹天任

校對：王茸

審閱：李宜驊

美編：徐玖坤

后臺：李子琦

地球上的生命或許要歸功于一次不可思議的幸運——在形成過程中，地球恰好處于一種大多數(shù)行星都錯過的化學的“最佳狀態(tài)”。

一項新研究表明，地球在形成時處于一組異常精確的化學條件之下，這使得它能夠保留兩種我們所知生命所必需的元素：磷和氮。根據(jù)這項研究，如果沒有這兩種元素的完美平衡，一顆巖石行星可能表面上看起來適宜居住，但實際上卻根本無法支持生命。

“在行星核心形成期間，必須有恰好適量的氧存在，這樣磷和氮才能留在行星表面，”該研究的主要作者，瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學院的克雷格·沃爾頓在一份聲明中說道。

新生恒星周圍行星形成盤的藝術(shù)想象圖

來源：NASA/JPL-Caltech

研究人員表示，地球似乎在近46 億年的前形成期間，恰好處于這種微妙的化學最佳狀態(tài)，而這一新發(fā)現(xiàn)可能會改變科學家尋找外星生命的方式。

年輕行星形成時，通常會部分或全部處于熔融狀態(tài)。隨著重金屬向內(nèi)部下沉形成地核，較輕的物質(zhì)則停留在靠近地表的位置。在這一被稱為核形成的混亂階段，氧氣含量對其他元素最終去向、以及這些元素能否留存下來供未來生命使用起著決定性作用。

該研究表明，要讓磷和氮都留在行星的地幔和地殼中，氧氣含量必須處于一個出人意料的狹窄范圍內(nèi)。氧氣過少，磷會與鐵結(jié)合并被拖入地核，導(dǎo)致地表缺乏構(gòu)成 DNA、細胞膜和能量傳遞的關(guān)鍵成分。氧氣過多，氮則更容易散失到太空中。因此無論哪種情況，生命所需的化學條件都無法完整形成。

通過對行星形成和地球化學行為的模型，研究人員發(fā)現(xiàn)，地球恰好處于這一中等氧氣含量的狹窄區(qū)間內(nèi)，他們將其稱為化學宜居帶（金發(fā)姑娘區(qū)）。最終，我們的行星保留了足夠的磷和氮，為后續(xù)生命誕生提供了條件 —— 這一結(jié)果在巖質(zhì)行星中可能極為罕見。

“我們的模型清晰表明，地球精準地處于這個區(qū)間內(nèi)，” 沃爾頓在聲明中說，“如果在核形成階段，氧氣含量哪怕多一點或少一點，就不會有足夠的磷和氮來孕育生命。”

反之，研究人員還模擬了火星等其他行星的形成過程，這些行星的氧氣含量超出了這一化學宜居帶。聲明指出，例如在火星上，模型顯示地幔中的磷含量高于地球，但氮含量更低，這對我們所知的生命而言構(gòu)成了嚴苛的生存條件。

這些發(fā)現(xiàn)對傳統(tǒng)上只關(guān)注宜居帶（恒星周圍液態(tài)水能存在的區(qū)域）的觀點提出了挑戰(zhàn)。雖然水至關(guān)重要，但該研究表明，水可能只是其中一部分。一顆行星即便與恒星距離適中，也可能缺乏生命誕生所需的內(nèi)部化學物質(zhì)儲備。

關(guān)鍵在于，影響這一過程的氧氣條件，與宿主恒星本身的化學成分密切相關(guān)。由于行星與恒星由相同物質(zhì)形成，恒星的化學組成可以初步提示一個恒星系統(tǒng)能否產(chǎn)生適宜生命存在的行星。

如果研究人員的結(jié)論正確，地球可能并非宇宙中的常態(tài)，而更像是一個幸運的特例—— 一顆在早期就中了罕見化學頭獎的行星。以地球為基準，有助于科學家精準鎖定那些最有可能擁有生命必需元素完美平衡的系外行星。

“這讓在其他行星上尋找生命的目標更加明確，” 沃爾頓說，“我們應(yīng)該尋找恒星與我們太陽相似的太陽系。”

『天文濕刻』 牧夫出品

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圖像來源：NASA

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