【菜科解读】

图片来源：uux.cn/Just_Super/E+，盖蒂图片社据《对话》（Chris Impey）：我们只有一个生物在宇宙中形成的例子——地球上的生命。

但是，如果生命可以以其他方式形成呢？当你不知道外星生命可能是什么样子时，你如何寻找外星生命？这些问题正困扰着天体生物学家，他们是寻找地球以外生命的科学家。

天体生物学家试图提出普遍的规则来管理地球内外复杂的物理和生物系统的出现。

我是一名天文学家，写过大量关于天体生物学的文章。

通过我的研究，我了解到最丰富的外星生命形式可能是微生物，因为单细胞比大型生物更容易形成。

但以防那里有先进的外星生命，我是国际咨询委员会的成员，该委员会负责设计向这些文明发送的信息。

探测地球以外的生命自1995年首次发现系外行星以来，已经发现了5000多颗系外行星，或围绕其他恒星运行的行星。

这些系外行星中的许多都是像地球一样的小型岩石行星，位于恒星的宜居带。

宜居带是指行星表面与其轨道上的恒星之间的距离范围，这将使行星有液态水，从而支持我们地球上所知的生命。

迄今为止检测到的系外行星样本预计，我们银河系中有3亿个潜在的生物实验，或3亿个地方，包括系外行星和卫星等其他天体，这些地方都有适合生物学产生的条件。

研究人员的不确定性始于生命的定义。

这感觉就像定义生命应该很容易，因为当我们看到生命时，我们就会知道它，无论是一只会飞的鸟还是一滴水中移动的微生物。

但科学家们对定义意见不一，一些人认为不可能有一个全面的定义。

美国国家航空航天局将生命定义为“能够进行达尔文进化的自我维持的化学反应”。

这意味着具有复杂化学系统的生物通过适应环境而进化。

达尔文进化论认为，生物体的生存取决于其在环境中的适应性。

地球上生命的进化经历了数十亿年，从单细胞生物到大型动物和其他物种，包括人类。

系外行星距离遥远，比它们的母恒星暗数亿倍，因此研究它们具有挑战性。

天文学家可以使用一种称为光谱学的方法来检查类地系外行星的大气层和表面，以寻找生命的化学特征。

光谱学可能会检测到行星大气中的氧气特征，即数十亿年前地球上光合作用产生的被称为蓝绿藻的微生物，或叶绿素特征，这表明存在植物生命。

美国国家航空航天局对生命的定义引出了一些重要但尚未解决的问题。

达尔文进化论是普遍的吗？哪些化学反应会导致地球以外的生物？进化和复杂性地球上所有的生命，从真菌孢子到蓝鲸，都是从大约40亿年前的微生物最后一个共同祖先进化而来的。

地球上所有生物体都有相同的化学过程，这些过程可能是普遍的。

它们在其他地方也可能截然不同。

2024年10月，一群不同的科学家聚集在一起，对进化进行跳出框框的思考。

他们想退一步，探索是什么样的过程在宇宙中创造了秩序——无论是生物的还是非生物的——以找出如何研究与地球上的生命完全不同的生命的出现。

两位在场的研究人员认为，当化学物质或矿物的复杂系统处于允许某些配置比其他配置更好地持续存在的环境中时，它们会进化以存储更多的信息。

随着时间的推移，该系统将变得更加多样化和复杂，通过一种自然选择获得生存所需的功能。

他们推测，可能存在一条定律来描述各种物理系统的演化。

通过自然选择进行的生物进化只是这一更广泛规律的一个例子。

在生物学中，信息是指存储在DNA分子上核苷酸序列中的指令，这些指令共同构成了生物体的基因组，并决定了生物体的外观和功能。

如果你用信息论来定义复杂性，自然选择会导致基因组变得更加复杂，因为它存储了更多关于其环境的信息。

复杂性可能有助于衡量生命和非生命之间的界限。

然而，得出动物比微生物更复杂的结论是错误的。

生物信息随着基因组大小的增加而增加，但进化信息密度下降。

进化信息密度是指基因组中功能基因的比例，或表示对环境适应性的总遗传物质的比例。

人们认为原始的生物体，如细菌，具有高信息密度的基因组，因此看起来比植物或动物的基因组设计得更好。

一个普遍的生命理论仍然难以捉摸。

这样的理论将包括复杂性和信息存储的概念，但它与DNA或我们在陆地生物学中发现的特定类型的细胞无关。

寻找外星生命的意义研究人员已经探索了陆地生物化学的替代方案。

从细菌到人类，所有已知的生物体都含有水，水是地球上生命所必需的溶剂。

溶剂是一种液体介质，它促进了可能产生生命的化学反应。

但生命也可能从其他溶剂中产生。

天体生物学家Willam Bains和Sara Seager已经探索了数千种可能与生命有关的分子。

合理的溶剂包括硫酸、氨、液态二氧化碳甚至液态硫。

外星生命可能不是以碳为基础的，碳是所有生命基本分子的支柱，至少在地球上是这样。

它甚至可能不需要一个星球来生存。

外星行星上的高级生命形式可能非常奇怪，以至于无法辨认。

当天体生物学家试图探测地球外的生命时，他们需要发挥创造力。

一种策略是测量系外行星岩石表面的矿物特征，因为矿物多样性追踪着陆地生物的进化。

随着生命在地球上的进化，它为外骨骼和栖息地使用和创造了矿物质。

生命最初形成时存在的100种矿物质今天已经增长到大约5000种。

例如，锆石是简单的硅酸盐晶体，可以追溯到生命开始之前。

在澳大利亚发现的锆石是已知最古老的地壳。

但其他矿物质，如磷灰石，一种复杂的磷酸钙矿物，是由生物学产生的。

磷灰石是骨骼、牙齿和鱼鳞的主要成分。

另一种寻找与地球上不同生命的策略是探测文明的证据，如人造光或大气中的工业污染物二氧化氮。

这些是被称为技术签名的智能生命示踪剂的例子。

目前尚不清楚首次探测到地球以外生命的方式和时间。

它可能在太阳系内，或者通过嗅探系外行星大气层，或者通过探测来自遥远文明的人造无线电信号。

搜索是一条曲折的道路，而不是一条笔直的道路。

这是我们所知道的生活——对于我们所不知道的生活，所有的赌注都是不可能的。

Discolsure：Chris Impey获得了美国国家科学基金会和霍华德休斯医学研究所的资助。

全球3/4人口缺水？地球步入“水资源破产”时代

伊拉克南部的哈维宰沼泽原本因长期干旱而逐渐干涸。

（新华社/发） 报告发现，全球70%的主要含水层正在萎缩，且很多变化不可逆转。

据调查，世界上很多地区不仅超额支取雨水和融雪带来的年度“收入”，还在不断透支那些需要数千年才能回补的地下水“储蓄”。

这主要由农业发展以及城市向干旱地区扩张导致，而气候变化让这些本就缺水的地方愈发干旱。

在土耳其，过度抽取地下水已导致近700处出现塌陷坑。

该报告作者，联合国大学水、环境与健康研究所的卡维赫·马达尼说：“如今，作为人类水资源‘活期账户’的地表水已经见底。

我们从祖先那里继承的‘储蓄账户’——地下水、冰川等，也几乎被挥霍一空。

世界各地都已出现‘水资源破产’的迹象。

” 据统计，目前全球大约有40亿人每年至少遭遇一个月的缺水危机，而这进一步加剧了移民潮、地区冲突和社会动荡。

去年，伊朗经历了50年来最干旱的秋季。

大量用于农业的大坝和水井，几乎吸干了曾是中东地区最大湖泊的乌鲁米耶湖，也让伊朗全国的地下水储备濒临枯竭。

为此，伊朗政府甚至提出要疏散首都德黑兰的居民，并尝试通过人工降雨来增加降水量。

科罗拉多河的流量20年间锐减了20%。

在美国，科罗拉多河的流量过去20年间锐减了约20%，主要原因是降水减少与蒸发加剧。

这条河除了被洛杉矶等城市作为饮用水来源，其河水还被大量引入农田用于种植家畜饲料。

与越来越多的河流一样，现在的它已无力奔赴大海。

研究表明，提高农业用水效率的技术，比如滴灌、喷灌，反而可能增加总耗水量。

原因在于精准灌溉能让作物充分吸收水分，而传统的大水漫灌后，多余的水还能流回河道。

因此，有专家提出必须削减农业的总用水量，因为它占到全球水资源消耗量的70%。

然而，全球有一半粮食产自水资源储量持续下降的地区。

缩减农业用水规模，将倒逼各国推进经济多元化转型。

目前，全球超10亿人依靠农业维持生计，其中大多数人生活在低收入国家。

即使在多雨地区，水资源也正面临新的威胁：数据中心在大量消耗水资源，工业废水、生活污水、化肥和粪便则在持续污染水体。

过去几十年，因被改作农田而消失的湿地面积与欧盟相当，这让全球在防洪、粮食生产和碳储存等生态系统服务方面，付出了约5.1万亿美元的沉重代价。

在大多数情况下，枯竭的河流、湖泊、湿地和含水层，再也难以恢复原有水文状态。

而冰川持续消融与消失，将导致数亿人的供水短缺。

马达尼认为，人类必须更好管理水资源，在此之前，大多数国家需要先摸清家底，核算其水资源储量与用水总量。

科学家使用特殊方法首次探测“超级地球”表面，结果很离谱

科学家称，韦布太空望远镜的观测结果显示，一颗所谓的“超级地球”其表面看起来实际上可能与水星更为相似。

NASA / Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory / Carnegie Institution of Washington LHS 3844 b是一颗比地球大30%的系外行星，也是一颗所谓的“超级地球”。

近日天文学家动用韦布望远镜，对这个距离我们约50光年的行星进行了首次表面热特征分析。

与以往进行的大气研究不同，这是人类首次对系外行星的表面进行直接分析。

分析结果出人意料，这个“超级地球”几乎毫无地球特色。

LHS 3844 b是一个拥有深色表面的荒芜世界，没有大气。

在某种程度上和太阳系的水星倒有些相似。

发现于2019年的LHS 3844 b环绕一颗低温红矮星运行，其一年只相当于11个地球日，且已被潮汐锁定——它的一个半球将永远朝向它的恒星，就像月球永远只用它的一个半球朝向地球一样。

因此，它的永昼面温度理论上可达725℃。

来自马克斯･普朗克研究所的Laura Kreidberg等科学家2023年和2024年在LHS 3844 b运行到恒星后方时对其进行了3次观测，他们使用韦布望远镜的中红外探测仪，对恒星炽热昼面产生的红外线进行了测量，并据此对它的表面特征进行了分析。

相关论文发表在今年5月4日的《自然：天文学》上。

通过与地球、月球和火星的已知矿物进行光谱比对，研究人员发现这颗行星的表面与富含硅和花岗岩的地球不同。

在地球上，地壳的形成通常与水推动的地质进程和板块运动有关，这会导致岩石发生循环，并使浅色的矿物上升到地表；

而LHS 3844 b的表面主要由玄武岩构成——玄武岩是一种深色火山岩，富含铁和镁，在月球和水星表面十分常见。

研究人员表示，在这颗行星表面，水十分稀少。

导致这一结果的原因尚不可知。

一种可能的情形是，LHS 3844 b的表面相对年轻，它可能被新近的火山活动重塑过，且还未被微陨石的撞击破坏。

但是此类过程会释放出二氧化碳或二氧化硫，而韦布并未探测到这些气体。

另一种可能是，这颗行星表面覆盖着一层厚厚的深色颗粒物。

这些颗粒物是在辐射和陨石撞击下，并且经历了漫长的岁月之后形成的——与月球或水星表面的情况相似。

如果没有大气层保护，行星表面会特别容易受到这种影响。

这一过程被称为“空间风化（space weathering）”，它会导致岩石分解，并使其颜色变得越来越深。

而这种情形需要行星表面在较长时间内保持地质稳定。

研究人员计划未来使用韦布进一步判断LHS 3844 b的表面特性，比如其表面岩石的状态是否相对完整，还是已经松散和风化。

参考 Astronomers Explore the Surface Composition of a Nearby Super-Earth https://www.cfa.harvard.edu/news/astronomers-explore-surface-composition-nearby-super-earth The dark and featureless surface of rocky exoplanet LHS 3844 b from JWST mid-infrared spectroscopy