氧气或许无法帮助我们找到外星人

过去十年来，系外行星的发现数量激增，这让我们越来越有希望很快在另一个世界找到生命。虽然水仍然是外星生命可能存在的最重要标志，但科学家们仍在寻找许多其他化学元素和化合物，以增强外星生命在其他地方进化和维持的能力。氧气显然就是这样一种“生物特征”，因为它对这个星球上的复杂生命至关重要。

但也许我们太过看重我们呼吸的空气了。美国化学学会地球与空间化学杂志发表的一项新研究表明，另一个星球上存在大气氧气还远不是一个确定的迹象。

康奈尔大学的系外行星科学家、新研究的合著者尼科尔·刘易斯 (Nikole Lewis) 表示：“地球大气中存在大量氧气，这是生命的存在。”虽然生命肯定可以在没有大量氧气的情况下存在，但“目前关于如何在其他行星上探测生命的大部分想法都集中在寻找大气与地球非常相似的行星上，”她说。

然而，在知道某种气体或多种气体的混合物是否代表着生命之前，“我们必须充分了解行星上发生的化学反应，”约翰霍普金斯大学研究员、新论文的主要作者何超说。“我们的研究为大气化学提供了一些见解”，并表明某些过程可以很容易地产生氧气而无需生物。科学家可能需要考虑到氧气可能是外星生命迹象的虚假信号。

当然，这不是一个容易研究的问题。他和同事们利用了约翰霍普金斯大学的行星雾霾研究（PHAZER）：一个实验室，可以模拟各种不同的大气化学条件，从冥王星寒冷的表面到金星极热的高海拔地区。这个想法是将精确混合的气体暴露在高能量源（等离子或紫外线，两者都可以从恒星发射）下，看看是否会形成雾霾（光化学反应产生的小颗粒），以及这是否会改变大气本身的化学性质。

“我们的想法是，不仅能够模拟大气中发生的化学过程，还能系统地改变它们，以试图了解哪些过程实际上主导了我们能够用航天器和望远镜观察到的事物，”约翰霍普金斯大学行星科学教授、新论文的合著者莎拉霍斯特 (Sarah Hörst) 说。

他和他的团队最终测试了九种不同的气体混合物，模拟了超级地球和迷你海王星系外行星（银河系中最丰富的系外行星类型）上预测的大气化学成分。这些大气都含有不同数量的二氧化碳、氢气和水，温度在 80 到 700 华氏度之间。

最终，研究小组发现，紫外线和等离子体照射改变了所选的气体混合物，使其产生了几种不同类型的生物特征，包括氧气和其他有机化合物，这些特征是独特的和非生物的。换句话说，他们表明，生物不需要产生自由氧——它可能是光化学的结果，这表明氧气可能本身并不是生命的强烈迹象。

“这对于未来的观测非常重要，因为这些观测声称发现了生命，能够排除这些生物特征物种不是通过非生物来源产生的，”刘易斯说。“我们应该继续研究如何在系外行星的大气层中产生生物假阳性，同时也要确定哪些波长范围内的观测组合可以让我们排除这样的假阳性。”

这项研究受到以下事实的阻碍：化学模拟只运行了几天，而且气体混合物是基于对系外行星可能拥有的物质的预测，而不是直接观察（我们目前还没有技术进行观察）。其中一些限制将在未来十年得到解决，届时詹姆斯韦伯太空望远镜等仪器可以测量一些遥远世界的化学成分，但这些发现很好地提醒我们，我们不应该将自己局限于与地球类似模板相匹配的系外行星。

这项研究的最大意义可能只是证明了我们不可能通过简单的测量找到外星生命。“实验本身并不是最终答案，”霍斯特警告说，“但它们是包括观察、计算机模型和实验室实验在内的难题的重要组成部分。我们不是第一个或唯一一个这么说的人，但仅通过测量大气成分来寻找生命将非常非常具有挑战性。”她强调需要更深入地了解其他因素——如火山活动、彗星碰撞和我们尚未考虑的新化学反应——如何在没有生物的情况下促进生物特征的产生。

如果事实确实如此，那么事情就会比我们想象的更加复杂。