這是美國國家航空航天局公布的“卡西尼”探測器近距離飛過土衛二時拍攝的畫面

屈原皋

　　在城市裏，人們用“身居幾環”來表述自己與城市中心的距離，也暗示着住所周邊環境的宜居性、交通的便利性，以及房價的段位等。在太陽系中呢？如果以生命宜居的條件或外星人存在的概率為劃分標準，“太陽系五環”該怎麼劃呢？環內外的主要星球又藏着怎樣的生命玄機呢？

“城市”中心：“太陽”

　　如果把太陽系比作一座城市，這座城市坐落在銀河系“獵戶旋臂”的一個小角落。太陽是城市的中心，發出光和熱，並依靠自身魅力（引力）吸引着這座城市的每一位成員（天體），按特定規則（軌道）有條不紊地運行。

　　約46億年前，太陽系從一團塵埃和氣體在引力的作用下逐漸坍縮，並在整體的轉動慣量下旋轉形成扁平圓盤狀結構，大多數（99%以上）物質聚集在圓盤中心形成“原恒星”。當聚集和坍縮繼續進行達到某個臨界點時，氫原子開始核聚變形成氦並且釋放大量的能量，太陽開始發出它的光和熱，這座城市的“中心CBD太陽廣場”正式建成並對外運營。另外一部分剩餘物質未能聚集在中心變成太陽的一部分，而是逐漸聚集形成大量的碎片狀“微行星”，微行星相互碰撞聚集變得越來越大，最終變成行星。

　　太靠近城市中心的一環、二環，房價太高，“內卷”太狠，並不宜居，而六環之外太過偏遠荒蕪，也不宜居。在太陽的溫度、輻射、太陽風和引力的相互作用下，不同元素在太陽系的分佈逐漸分異，重量級的元素留在“一環”到“四環”分別形成4個岩石質行星：水星、金星、地球、火星。位於“五環”的小行星帶可以作為大致的分界線，輕量級的元素（氫為主）聚集在“五環”之外依次形成氣態巨行星：木星、土星、天王星、海王星，更偏遠處則是矮行星冥王星、彗星帶、柯伊伯帶、奧爾特雲。

“三環”宜居區

　　以地球上的生命形態推測，生命的産生和生存需要具備以下幾個要素：適宜的環境保證液態水的存在，有機物的積累，以及物質和能量的流通以保證生命代謝活動。

　　目前，地球是太陽系中唯一已知存在生命的星球。地球位於太陽系的“三環”，該地段距太陽不近也不遠，正好能維持水以液態的形式長期存在於星球表面。地球的質量足夠大，能夠使內部圈層持續運動而長期維持全球偶極磁場的存在，進而屏蔽太陽風和宇宙射線對地球表面水的分解，有效防止地球上的水（氫）逃逸進入宇宙空間。因此，經歷46億年的變遷，地球表面仍然有71%的面積被水覆蓋，平均水深3000多米。

　　生命的産生除了適宜的溫度和液態水，還需要有機物作為建造“生命大廈”的材料，地球早期的有機物可能有兩個主要來源：外來的和本地的。早期地球所在的內太陽系經歷了大量的天體撞擊，這些早期撞擊事件的證據由於地球表面滄海桑田般的各種地質活動而被抹去，但月球表面密集的撞擊坑卻是這些撞擊事件很好的記錄。

　　天體撞擊可以讓大量的水和有機物到達地球，而天體撞擊本身的高能衝擊過程也可以把無機物合成有機物。大約在距今42億~38億年前的時間段，地月繫統遭遇過大量密集的天體撞擊，被稱為“晚期重轟炸事件”。目前發現地球最早的生命證據出現在大約38億年前，這在時間上是巧合嗎？

　　除了外來的有機物，地球本地有些特殊環境也能把無機物合成為有機物，其中以熱液區為典型代表。在地球板塊俯衝帶或洋中脊地區，地殼板塊在擠壓、拉伸、彎曲等過程中産生大量裂隙形成海底火山，岩漿和海水作用發生“水岩反應”。在此過程中，岩石中的二價鐵把水中的氫還原為氫氣，進而把海水中的溶解無機碳還原為小分子有機碳（比如甲烷）。這些小分子有機碳可以吸附在礦物表面形成更大的分子甚至有機膜，經過包裹、折疊、組裝等過程形成囊泡狀的“原始細胞”，最終經過漫長而複雜的演化形成最早的生命。這是地球生命起源的一種假説，按照這種假説，地球生命很可能最早起源於深海。

　　現代地球的板塊邊緣、俯衝帶和洋中脊海底也存在大量的熱液區，地殼深部的流體上涌形成“黑煙囪”。大量化能微生物以水岩反應産生的氫氣、甲烷為美食，構成食物鏈的基礎，與相對高等的生物，比如蝦、海葵、蟹、魚類共同構成一個複雜的生態系統，在這些看似暗無天日的深海悠然自得地生活。

“冰雪公主”的溫柔內心

　　放眼太陽系，“五環”的小行星帶相當於城鄉接合帶，在此之外的水多數以固態形式存在，因此這一條模糊的界線又被稱為“雪線”。“雪線”之外看似冰天雪地、偏遠荒蕪，有沒有好地段適合生命的生存與繁衍呢？

　　“五環”外的這一片廣闊區域荒蕪之地，是氣態巨行星的地界。以目前人類的認知，巨行星主要由氫組成，還沒有發現具有生命存在的宜居環境，而巨行星的衛星卻是類似地球的岩石質星球，這些衛星中有些表面被冰覆蓋，生命的秘密也許就藏在這些冰衛星的內部。

　　目前人類發現木衛二、土衛二具有典型的、以表面冰殼和冰下液態水為主的海洋，為什麼在太陽系“雪線”之外如此低溫的環境，還存在大量有液態水的海洋？地球到太陽的距離是1個天文單位（1AU=1.496×108千米），木星和土星到太陽的距離分別是5.2 AU和9.6 AU，那麼同樣的面積在木星和土星表面接收到太陽的能量分別是在地球表面的1/27和1/92，如此低的能量輸入應該不能維持其周圍的冰衛星上液態水的長期存在，因此木衛二、土衛二應該有別的能量來源維持水的液態。

　　木星、土星有巨大的質量，周圍有好幾十顆衛星，衛星的軌道參數差異很大。這些巨大而複雜的引力相互作用，産生潮汐力，木衛二、土衛二就像麵粉被不斷地“揉搓”，內部積累大量的熱量而保持活躍的地質活動與圈層互動。木星的另一個衛星木衛一表面沒有被冰層覆蓋，因此可以觀測到現在仍然發生着活躍的火山地質活動，這是木星的衛星在引力潮的驅動下保持活力的典型證據之一。

　　木衛二、土衛二的表面由於被冰層覆蓋，不能直接觀測到海底的火山地質活動。然而根據目前的觀測數據和理論模型，這兩個冰衛星的冰下海洋底部存在火山活動引起的熱液區。熱液區很可能獨立演化出生命，甚至存在類似地球海底熱液區的複雜生態系統。

　　根據地球生命演化和地質歷史來看，25億年前地球發生了大氧化事件，大氣出現稀薄的氧氣和臭氧層，表層海水被氧化，這之後真核多細胞生物開始出現；在距今6億~5億年前發生新元古氧化事件，大氣氧濃度進一步升高，深層海水也被氧化，複雜的生物開始快速演化（埃迪卡拉紀和寒武紀生命大爆發）。氧氣濃度是真核多細胞複雜生物的一個限制因素，氧化性的環境有利於複雜生命的産生和生存。

　　木衛二、土衛二的海底熱液可以給海水輸送還原性的流體，而表層的冰面在宇宙輻射和木星、土星磁層所捕獲的高能粒子輻射下，産生化學反應而分解出氧化-還原對，還原性的氫逃逸到宇宙，而氧化性的物質則隨着冰層的運動從表層進入底層的海水中。較熱的還原性流體從海底往上涌，較冷的含氧化性物質的冰水從頂部冰蓋下降，氧化+還原性的物質在海水中某些位置交匯，給生命的代謝提供良好的環境和能量供給。

　　目前觀測到木衛二表面有稀薄的氧氣，這也進一步顯示冰蓋下的海水可能是氧化性的，為其海底複雜生命的存在提供了環境條件和能量基礎。地外海洋的海底存在外星怪獸，不是沒有可能的。

　　因此，木衛二、土衛二這兩位“冰雪公主”冷若冰霜的外表下卻有顆“溫柔的內心”，表面冰殼下的海洋中很可能存在孕育生命的宜居環境。

撥開迷霧看“巨人”

　　土星的另一個衛星——土衛六是太陽系中的一個另類，它作為土星的一個衛星，居然比太陽系的行星——水星還要大。土衛六的表面有稠密的大氣，主要含氮氣和有機物。因為地表溫度平均約為-179℃，所以土衛六的表面具有類似地球的地形地貌，比如山脈、沙丘、河流、湖泊、海洋，然而這些地形地貌卻是由有機物在零下100多攝氏度的環境中形成的。

　　土衛六也有大氣流動形成的風和降雨、降雪，還有季節變化，這裡的雨和雪是有機物在低溫環境形成的有機雨和雪。湖泊、海洋的面積隨季節變化而發生周期性變化。液態有機物的流動形成類似地球表面河流一樣的地表徑流，最後匯聚到有機物的海洋中。有些地區還會有大塊“浮冰”——低溫環境下，有機物的冰漂浮在有機物的海洋或湖泊中。某些區域存在類似地球乾旱鹽湖形成的波痕構造，説明土衛六表面也有一些高蒸發地區。

　　土衛六的有機冰層以下可能存在一個全球性的水冰和絡合物的圈層，而在這一圈層的更深處則是和木衛二、土衛二類似的，以冰下液態水為主的海洋。在這個海洋中很可能存在以引力所驅動的地質活動而産生的熱液區，進而支撐類似地球海底熱液區的化能生物甚至生態系統。

　　由目前的觀測結果推測，土衛六具備很好的宜居環境。如果土衛六上存在生命，那麼將可能有兩種生命形式：一是，土衛六的冰下約55~80千米深處存在以水為主、含鹽和氨的液態海洋，這其中可能有生命。這種生命形式也可能存在於木衛二和土衛二。二是，土衛六表面以液態烴類為主的海洋也可能存在生命，但它與地球上的生命形式完全不同，超出人類目前的認知。

　　（作者單位：中國科學院深海科學與工程研究所地外海洋系統研究室）

來源：2022年3月9日出版的《環球》雜誌 第5期

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