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太阳系地外星体存在生命可能性的评估

已有 3477 次阅读 2007-9-10 13:19 |个人分类:地球科学|系统分类:科研笔记

太阳系地外星体存在生命可能性的评估

广东海洋大学

地球是不是唯一有生命的星球?其它星球是否有生命?这历来是人类关心的问题。有关太阳系外是否有生命?这个问题牵涉的问题较多,也较复杂,这里暂不讨论。这里仅就太阳系的地外星体是否有生命,进行比较分析。

1  太阳系的组成及一般特征

太阳系由一颗恒星(太阳)和9颗行星及多颗卫星组成。太阳由于温度太高,当然不可能存在生命。生命,只可能存在于行星或卫星上面。

要分析哪些行星或卫星可能有生命或曾经有过生命,首先必须弄清楚,影响生命存在的主要条件是什么。

以我们熟悉的地球生命和维持地球生命的主要条件为例[Owen, 1984; Nealson, 1997],一个星体要有生命,首先它上面必须有水的存在。水是生命之源,是生命存在的最基本条件;而且,必须是液态的水。生命不可能在超过100度的气态水和低于0的固态水里生存的(假设大气压是常压)

其二是,这个星体的温度必须适宜生命的生存。常压下,0~100的温度是必须的。

其三是,这个星体必须有适宜生命形成的元素组成。

其四是,这个星体必须有合适的自转体系,使其表面能接受足够光能,保证其表面温度的稳定和进行光合作用的必须。

基于以上几点,我们对太阳系的行星和卫星进行分析。首先来看9大行星。

2  水星上存在生命的可能性分析

离太阳最近的是水星。水星的元素组成和地球相似,仅从元素组成上看,这个硅酸盐星体,具有形成生命的条件。但是,根据现代测量和观察结果可知,它上面没有液态水,大气中的气态水,也相当微量[Murray, 1975]。昼夜温差大,白天达420以上,晚上仅-180[Murray, 1975]。所以,仅从这点看,这么大的温差,它现在肯定没有生命存在。

根据现在大家比较一致承认的学说,太阳系的星体具有共同的起源[Lewis, 1990]。水星的元素组成和密度均和地球相似,地球上存在的这种由碳、氢、氧、氮等主要元素构成的生命,是有可能在水星上出现的。仅从水星从熔融体逐渐演化,冷却为固体星体来看,在水星形成的早期,当熔融的水星温度逐渐下降时,肯定会有一个时期,温度是适宜生命生存的。但是,水星的质量太小,引力小;且离太阳太近,太阳风作用在9大行星中最为强烈。由于它太小的引力,及强烈的太阳风作用,星体演化过程中保留下来的,或去气作用产生的一切气体,均不可能保留下来。所以,水星几乎是一颗没有大气的星体[Murray, 1975]。由于水星是没有大气的星体,所以,它也就失去了二氧化碳和水蒸汽等温室气体的保温作用。水星自转速度太慢,自转一周需58.65天;且它离太阳太近。不考虑其内部热量对其地面温度影响的话,当其面对太阳时,地面被太阳急剧加热。温度可达420以上,而当背向太阳时,地面温度急剧下降,仅-180。所以,在水星的整个演化过程中,不可能存在一个时期,保证在一年之内温度不超过100和不低于0 而生命不可能在一年内形成,更不可能在一至两个月内形成。

水星没有大气,也就不会有液体水的存在。

综上所述,水星现在不可能有生命,在它的演化过程中,也不可能存在过生命。

3  金星上存在生命的可能性分析

离太阳第二近的是金星。金星是和地球最为相似的星体。它不仅元素组成和地球最为相近,且质量、比重、离太阳的距离、体积等均和地球最为相近。所以,金星也是最有可能有生命的星体。

金星现在还有高至90多个大气压(相对于地球)[Palm, 1969],这说明,金星的质量虽比地球小,但已具有足够的保留大气的质量。所以,金星去气作用产生的大部分气体被保留在其周围形成大气层,是不成问题的。地球的去气作用中,绝大部分是水,除水外,才是二氧化碳、氮气、硫化氢、二氧化硫、氯化氢、氟化氢等气体[Muenow, 1979; Nunn, 1998]。由于金星的元素组成和地球极为相似,所以,金星的去气作用产生的气体,也应主要是水和二氧化碳等气体。这样,在金星上存在水是不成问题的。

金星距离太阳的距离比较适当,和地球相差不大,这既保证它能从太阳获得一定的热量保证自已的表面温度;同时,也不至于使其表面温度受太阳的影响太大,形成高温而使水全部变为气态。

现在的金星,是绝对不可能有生命存在的,因为其表面温度高达470[Taylor, 1991; Phillips, 2001]。这样的温度任何生命都不可能生存。

金星和地球及水星一样,也都曾熔融过[Palm, 1969]。当其由熔融状态向固态转变的过程中,温度逐渐下降。当其温度下降至100以下时(假设在常压下),气态的水就有可能转变成液态水。

虽然金星的自转速度比水星更慢,达243天,但由于其质量大,引力强,能保住水和二氧化碳等温室气体,这些温室气体可保证金星的温度变化不会太大。同时,水的比热大,调节温度的能力强,这也会使金星的夜晚温度不会太低。

所以,在金星从熔融体向凝固体转变的过程中,肯定会有一个时期,至少是在局部区域,形成0以上,100以下的温度条件,允许液态水的存在。这样,我们可以推断,在金星的演化过程中,肯定曾经出现过生命。

那么,金星上出现的主要是什么形式的生命呢?金星的生命为什么会消失呢?

生命演化的初期,最先形成的往往是单细胞异养生物。它们以星体化学演化过程中在海洋里形成的有机物为食物,获得能量,维持生命[Nissenbaum, 1976]。因为星体演化过程中的化学作用合成的有机物是极其有限的,当这些有机物被生命利用完后,生命要继续生存,必须自己利用能量(分解其它物质的化学能或直接利用太阳能)制造有机物,这就是自养生物。最初比较原始的自养生物,往往是以分解其它物质的化学能而获得能量,如硫细菌等。但是,这类能供原始自养生物分解而获取能量的物质也是有限的,当这类物质分解完后,生命要继续生存,必须利用太阳的光能来合成有机物而获取能量。只有太阳能相对来说是无限的,至少现在是如此。这类生物,在地球上,我们将其称为植物。有了能自养的植物,才可能有异养的动物、微生物等生物的存在。现在地球上生物界的能量来源,归根到底是来自太阳的光能。

因为金星的自转太慢,自转周期为243天,1昼夜长达117个地球日。虽然金星上曾经有过液态水,有过适宜的温度,也有和地球极为相似的重力及距太阳的适宜距离等条件,在它上面有可能形成早期生命(非光合作用生命),也应该形成早期生命。但是,在它上面形成的生命,是没有前途的。在它上面仅只可能形成非光合作用生物。

若金星早期形成生命形式,其生命形式也应和地球一样,早期也应是单细胞生物。单细胞生物贮藏的能量少。一般认为,光合作用生物,是由于原始海洋里的有机物或能被分解利用的硫等物质严重匮乏后,通过生存竞争由非光合作用生物演化而来的[张均,1998]。所以,当这类生物出现时,原始海洋的有机物或硫等能分解利用的物质已相当少了。就算金星上能形成进行光合作用的生物,因为其黑夜长达58.5天,单细胞的生命绝没有足够的能量,以维持这不能制造有机物而获得能量的时间;且这种变化总是相间出现。没有足够的能量维持生命,绝大多数(或全部)生命将死去。单细胞的生命,也没有能力形成像地球上现在存在的生物那样形成孢子等特殊结构或休眠来适应环境。一般认为,能形成这类结构的生物,是比较高等的生物适应环境的结果,是一种比较高等生命适应环境的能力。

同时,随着金星的演化,内部温度逐渐降低。金星表面温度,靠太阳能量维持的比例越来越大。这样,当金星背向太阳时,由于时间太长,海洋将变为大冰川;这个大冰川在面对太阳时再消融成海洋。若海洋在背向太阳时完全冰冻的话,生命也将不可能再生存。在58.5天不能进行光合作用造成的能量缺乏和冰冻剧冷,及又要面对太阳温度又较高的共同作用下,金星上脆弱的生命终于消失了。金星上的生命,终于完成了其演化使命。

生命虽然消失了,随着金星内部的不断降温和去气作用产生的水不断积累,在金星背日面(也许两极也有)上的冰川却越来越大。这个围绕金星赤道不停旋转的大冰川,将产生巨大的重力异常和金星水准面的异常。在冰川的重力和金星均衡调节的共同作用下,金星上的火山喷发和地震终年不停,周而复始。由于火山和地震频发,金星内部的大量气体物质被排入大气层,这使金星的大气层里的水和二氧化碳越来越多。由于生物的消失及没有绿色植物的光合作用消耗二氧化碳等温室气体,温室效应越来越强。当大气层中的温室气体达到临界值时,不仅海洋里的冰川不再形成,且海洋里的水全部变为气态。但金星的去气作用并没有因冰川消失而造成的火山和地震的减弱而停止。一是因为星体去气作用在火山和地震停止后很长一段时间,仍将继续进行;二是因为星外天体或多或少地在不断撞击金星,这也会造成一定的火山和地震,这又会加强去气作用。

同时,随着太阳的演化,太阳的释放的能量越来越强[Canuto, et. al., 1983]。温室效应和太阳增温的综合作用下,导致金星的温度不断攀升,直至现今的470的水平。

大气层中的水蒸汽,在紫外线的作用下分解,会产生产一部分氧气。这些氧气氧化去气作用中产生的硫化氢、二氧化硫等形成硫酸。这些硫酸,由于温度太高,呈气态分布于大气层中,并形成硫酸雨在金星大气层中反复循环。

由于温度太高,大气层太稠密,大气压越来越大,分子的热运动也越来越强。在太阳风的作用下,不仅氢(分子量为1)、氦(分子量为2)等轻气体被太阳风带走;且分子量相对较小的水等分子(分子量为18),也被太阳风大量带走,只有分子量相对较大的二氧化碳(分子量为44)、氮(分子量28)等较多地留下。这样,金星上的海洋消失,水蒸气也绝大部分逃逸了。金星也就变成了现在的无水星球。由于海洋的消失,去气作用中产生的氯化氢、氟化氢等酸性气体,就不可能通过风化作用形成金属卤化物(如氯化钠、沸石等),就只能以氯化氢、氟化氢气体的形式分布于金星的大气层中。

现在,虽然金星大气层中的二氧化碳是地球曾经排气中的二氧化碳的2.8倍,金星氮气是地球曾经排气中氮气的4.3倍,但水却只有地球曾经排气量的1/10[中国科学院地球化学研究所,1998]

4  火星上存在生命的可能性分析

火星是离太阳最远的类地行星。它的元素组成也和地球相似,但质量比金星小。体积、密度也比地球小。最重要是的,它的自转周期和地球极为相似,为1.026[中国科学院地球化学研究所,1998]

火星也和其它太阳系行星一样,有共同的起源。它也由熔融体逐渐冷却而成。现在火星上大气层极为稀薄,相对大气压和水星差不多。火星表面的平均温度约为-55,实际温度从冬半球极区的-133 至夏半球向阳面的27,差异相当大。这是因为火星的公转轨道相当椭圆,这使得火星正对太阳处的温度在一年之间有很大的变化:在近日点与远日点之间可以相差到约30。现在的火星,大部分二氧化碳都呈固态冰帽形式[Anthony Colaprete, et. al., 2005]。这样的环境,现在的火星上,肯定不会有生命。

由于元素组成和地球相似,所以,仅从元素组成上看,类地球生命,是有可能在火星上形成的。由于元素组成和地球相差不大,火星也肯定有类似地球的去气作用;也肯定会排出水、二氧化碳、硫化氢、二氧化硫、氯化氢、氟化氢等气体。由于火星距太阳距离,比水星、金星和地球远,它所受的太阳风作用,也应比这三个类地行星小。这就使火星虽然质量较金星和地球少,但保气能力,有所增强。所以,火星上也应有水。现代的观察技术也证实,火星上曾经存在过液态水[Kargel, 2004; McKay, 2003]

在火星逐渐从熔融状态向固态转变的过程中,肯定会形成一段表面温度介于0100之间(假设是常压)的时段。火星质量比水星大,且离太阳较远,受太阳风的作用远比水星小。火星去气作用形成的气体,会有一部分留在其周围形成大气层(当然,这种大气层,是远不能和地球及金星的大气层相比的)。这层薄薄的大气层,也具有一定的温室效应,具有保温作用。由于火星的自转周期和地球极为相近,较短;所以,火星的昼夜温差变化不大。所以,可以肯定地说,火星上肯定有过生命。

但是,由于火星质量较小,维持球体内温度的能力也小;且它离太阳较远,从太阳处获得的能量较少。所以,随着火星内部的不断冷却,其表面温度不断降低。当其内部热量散失过多,不足以保持其表面水呈液态时,火星上的生命现象,也就终止了。所以,火星上生命的存在时间,主要是由火星能维持其液态水的时间来决定的。现一般认为,火星约15亿年前结束其构造活动的[Head, 1990]。也就是说,从那时开始,火星的表面温度开始急剧下降。也可以认为,那时,也是火星生命结束的大约时间。当然,虽然地球和火星起源相同,但因为火星远比地球小,质量仅地球的10.8%,所以,火星的冷却肯定比地球快,固化得比地球早。地球大约40亿年前形成地壳,38亿年前形成液态水[Nutman, et. al., 2001],所以,火星的液态水应形成于40亿年前。但是,由于火星的质量小,保气能力远比地球小;排气能力也远比地球小。所以,火星上的海洋规模也应相当小或浅。由于海洋浅或小,火星生命的规模肯定也相当小。就算它能形成光合生物(当然,也应有足够的时间演化出光合型生物),也没有足够的能力产生大量的氧气以形成臭氧,阻挡紫外线。再加上水体小或浅,水体阻紫外线的能力也有限。由于没有足够的氧气和臭气,火星生命形成多细胞生命的机会很小。虽然它有从40多亿年前至15亿年前这近30多亿年的时间演化,但它应主要是以单细胞的生命存在。由于没有足够的氧气保证,火星上是不可能出现多细胞生命的。

由于火星的质量较小,去气作用较弱,产生的大气层相当薄。薄的大气层,形成的温室效应也相当弱。由于火星的生命规模不大,不足以吸收大量的二氧化碳。这些都说明,火星上,不可能像地球和金星一样,形成周期性的周而复始的冰川活动。没有周期性的周而复始的冰川活动,也就不会有构造运动。没有构造运动,其去气作用也就相应地会弱一些,产生的气体也会少一些。

随着火星的逐渐冷却,其表面温度终于降至冰点以下。整个海洋最终成了冰洋。河流终止。火星上的生命,也就此终止了。

由于火星特有的椭圆形公转轨道,造成它的温差相当大。这样,冰洋就可能反复熔化或气化为水蒸气。由于火星的小质量,及太阳风的逐渐增强,这些分子量较小的水蒸气等轻气体慢慢逃逸干净,从而演化出现今的大气。

5  类木行星和冥王星上存在生命的可能性分析

类木行星,包括木星、土星、天王星和海王星。这些星体的元素组成和地球相差甚远,质量也远大于地球,密度、体积等参数,也和地球相差甚远。更何况,由于它们距太阳太远,其温度远位于冰点以下。所以,这类行星上,是不可能有地球型生命存在的。

冥王星虽然元素组成和类地行星相似,仅从这点看,冥王星也具有存在生命的基本条件。但其质量太小,仅地球的0.002倍。虽然冥王星和太阳系的其它行星一样,也会有从熔融至固体的演化过程。但是,由于其质量太小,排气作用排出的气体太少。而排出的气体,由于没有足够的引力吸引,也会很快跑掉。所以,它的周围几乎没有气圈。没有气圈,也就是没有水。没有水或水极少,在其上面就不可能出现生命。还有,它离太阳太远,得到太阳的能量太少,就算它上面演化出了生命,也很难演化出能进行光合作用的生命。因为,它上面的太阳光实在太弱了。

9大行星外,其它的小行星,由于质量太小,造成引力太小、冷却太快和缺少大气等对生命不利的条件,根本不可能存在生命。

6  卫星上存在生命的可能性分析

太阳系的卫星数目比较多,已探明的有91颗。研究得比较清楚且比较大的有月球和木卫1、木卫2、木卫3、木卫4、土卫六和海卫一等。

月球是研究得最为清楚的卫星。它已于31亿年前固化。因为质量太小,相对来说,又离太阳较近,去气作用排出的气体,均被太阳风作用清除掉了。所以,它上面没有水,昼夜温差大,它表面现在肯定不会有生命存在。由于它质量太小,保不住水,所以,在它逐渐冷却的过程中,也不会出现生命。

卫星的起源问题,一直是一个悬而未决的问题。就月球的起源来说,就有过“分裂模型”、“共吸积模型”、“碰撞模型”和捕获模型等多种学说[周瑶琪等,2002]。但每一种模型,都或多或少地有一定的缺陷。目前比较接受的是碰撞模型。总的来说,可能卫星和太阳及行星有着不一样的起源方式。如木卫一和木卫三,质量只有月球的12倍大小,但它们目前尚有自己的磁场,这说明,它们目前尚有金属液体形式的核区;并且,它们的核和幔壳之间,应还有相对运动。木卫一,目前尚有活火山猛烈喷发。但月球,早在31亿年前就已固化。这说明,若月球和木星的卫星具有相似的起源方式的话,月球和木星的卫星应该具有不同的起源时间。

四大伽俐略卫星,木星四具有40亿年以前的太阳系已知最密最老的撞击坑;木卫三的撞击坑,据其密度推测,年龄在3035亿年,年龄和月球相当。木卫二据推测可能也有火山,但证据不太明显。木星一的表面没有撞击坑,相当年青,现在仍有强烈的火山喷发。这说明,就木星的卫星来说,也应具有不一样的形成年龄才对。

据探测,木星二的冰下,可能有海洋[Kerr, 1997; Pappalardo, et. al., 1999]。若木星二尚有地热等能量的话,这海洋里就应有生命存在[Kempe and Kazmierczak, 2002]。所以,较大的硅酸盐质地的卫星,在演化的过程中,有可能形成液态的水和0100(假设是常压)的温度,是有可能形成原始生命的。

不过,就算能在像木卫二、土卫二、土卫六等类似的卫星上形成原始生命,但因它们离太阳太远,从太阳所吸收的光能太弱,一旦星体的内能消耗尽,就算其表面能形成水体,也会永久固化。也就是说,这些小的卫星体的内能,无法维持长期的液态水以维持生命的演化。因为离太阳太远,又没有其它的光能以进行光合作用,所以,卫星上就算能形成原始生命,也很难演化出能进行光合作用的生物来。

7  结论

经以上的分析,我们可以说,受现有资料和数据的约束,现在,太阳系只有地球有生命。在地质演化时期,金星和火星也曾有过生命现象。但金星的生命,最终终止于光合自养生物前阶段。火星的生命现象,最多也不会至多细胞生物,仅会存在单细胞生物而已。木卫二及土卫一等卫星上,若真有液态水的话,它们也应有光合自养生物前阶段的生命存在。其它太阳系地外星体不会有生命存在。

 

参考文献

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各位若想了解这方面有关的详细情况,请各位参见廖永岩著,海洋出版社2007年5月版的《地球科学原理》(28.00元)一书。也可以在以下网址找到这本书的详细目录:http://www.sciencenet.cn/blog/user_content.aspx?id=7010

也可以在以下网址找到有关这本书的部分相关内容:http://www.sciencenet.cn/blog/user_index.aspx?userid=3534

注:本文摘于廖永岩著《地球科学原理》一书。

廖永岩著
电子信箱:rock6783@126.com




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