科学界地震：生命原来在金星？！｜2020腾讯科学WE大会
刘慈欣的科幻小说《山》为我们描述了一种生活在地心、以电磁能为基础的硅基生物；王晋康的《水星播种》想象了一种在水星表面高温金属湖泊中生活的金属生命；美国天文学家霍伊尔的科幻小说《黑云》则构想出一种充斥了整个星云的智慧生物……
在科幻作品中，我们已经领略了小说家们对于宇宙中各种不同环境下，可能存在的形形色色不同形式生命的充分演绎。
不过回到现实，我们却往往发现，真实的科学研究往往把搜寻地外生命的努力，局限在与地球尽可能相似的那些环境中：液态水是很多年来太阳系内生命迹象探索的主要搜寻目标。
已经发现表面液态水的近邻火星、拥有冰下海洋的土卫二和木卫二等卫星，是我们期待能够最先在地球以外发现生命迹象的地方。
但最近，事情有了出乎意料的发展。
2020年9月，天文学家珍妮·格里夫斯（Jane Greaves）领导的团队宣布发现了金星大气中一种可能是厌氧微生物所产生的气体——磷化氢。如果这个发现最终得到确认，并且它真的来自于一种生活在金星大气层的“云端”生物，无疑将大大拓展我们对于“宇宙中的生命存在于何处”这一问题的想象空间。
这个被称作“迄今最接近找到地外生命的证据”是如何被发现的？这个发现靠谱吗？它将把未来的地外生命探索导向何方？让我们飞离地球，把视点拉到几千万公里外的那颗启明星。
漂浮在云端的生命
金星和火星是地球的两个近邻。虽然金星和地球的大小几乎一样，但金星地表承受高达90倍标准大气压、近500°C的高温，让那里成为生命的炼狱。
而火星虽然质量稍小、大气稀薄，但总的来说比金星的条件要温和不少——火星南半球的夏季甚至能达到20多摄氏度这样的宜人气温。近年来在火星上甚至已经发现季节性液态水的踪迹——尽管那是非常高盐度的粘稠液体。火星甚至有和地球几乎一样的自转时间。
种种优势之下，火星成为一个世纪以来人类对开拓地外新家园乃至发现地外生命寄予最大期待的地方。现在，有6架轨道器和2架着陆器（包含一辆火星车）正在火星开展任务；到明年年初，中国的“天问一号”和美国的“坚忍号”火星车也将加入这个行列。
历史上所有火星无人探测任务（NASA / JPL / Roscosmos / JAXA / ESA / ISRO / Jason Davis / The Planetary Society）
和太阳系里火星、土卫二等存在液态水的地方一直受到天体生物学家重点关照相比，金星则显得落寞不少，在很多天体生物学教科书中都以“失败行星”的面目示人。不过金星上也有一个地方很早就被个别敏锐的眼睛注意到：云端。
上世纪60年代，美国著名天体生物学家卡尔·萨根指出，在距离金星表面50公里高的云层处，气压与地球表面相当，而温度也正好只有几十度，这个物理条件适合生物的繁衍 。
不过当时人们对金星大气层的成分了解还不清楚，萨根对金星大气宜居性的判断是建筑在以为金星云层中含有大量水的误会上的。后来派往金星的探测器发回的数据表明，金星虽然也曾含有大规模的海洋，但金星上的水早已因光解散逸殆尽：现今的金星大气绝大部分为二氧化碳，另有少量氮气，水汽含量却只有地球上最干燥的智利阿塔卡马沙漠的2% 。
金星大气温度随高度的变化
此后30多年里，金星大气存在生命的可能性都无人问津。到上世纪末本世纪初，这个问题才重新被个别学者发现。他们试图解决几个问题：金星大气生命假使存在，是如何克服金星云层液滴中充满浓硫酸的强酸环境的？它能从如此干燥的大气中捕获所需的水吗？它能承受那里的强烈紫外和宇宙线辐射环境吗？它生存繁衍的生命周期是怎样的？
就在金星大气磷化氢论文发表前一个月，著名女性天体生物学家莎拉·西格尔（Sara Seager）领衔的一篇文章尝试回答了上述问题。他们认为，除了金星高层大气以外，紫外辐射的强度并不足以杀灭所有生命，反而可供生命光合作用所利用——更早前人们已经发现金星大气有超出预期的紫外吸收，即不排除由生物造成 ；而且正是由于有充沛的能量来源，生物可以采取一些看起来非常耗能的方式从浓硫酸液滴中抽取出水分子，这样缺水也不算是问题。
莎拉·西格尔等人提出的金星大气微生物的生命周期
金星光谱的蛛丝马迹
那么，人们要怎么确定金星大气是不是真的存在微生物呢？
抛开地外智慧文明搜寻（SETI）不谈，对于地外生命的搜寻，不外乎两种方式：对于太阳系内的天体，可以派遣无人探测器直接前往采样分析或开展近距离遥感研究；对于太阳系以外的，就只能用望远镜捕捉那些天体的大气光谱，再试图从中搜寻出与生命活动有关的成分留下的印记——当然，即使对太阳系内的目标，后者也通常是研究的起手式。
我们要在光谱中寻找的，除了水这种标志着环境宜居性的分子，还有一些被视作生命标记物的大气成分：首先，它必须是生命活动可以产生的气体；其次，最好没有其他地质活动、光化学反应等非生物过程可以产生这种气体；最后，它最好有足够鲜明的谱线特征，方便我们在非常复杂的光谱中加以识别证认。
通常最受到重视的生命标记物分子是氧气和甲烷，而这次引起轰动的主角磷化氢，也是一种符合作为生命标记物条件的气体。
在地球上，磷化氢通常与厌氧细菌的活动相关——富营养化的池塘、污水处理厂的恶臭味就有它的贡献。虽然在木星、土星的大气中也有发现过磷化氢——在其大气层深层高温处产生，通过对流输送到表面。但要知道，与那些几乎全部由氢组成的气态巨行星不同，金星、地球大气中只包含痕量的氢气，这意味着，即使是金星表面的高温环境也难以自发制造磷化氢 ：金星大气中的磷化氢气体，被认为要么来自于生命活动，要么来自于某种我们尚不了解的非生命过程。
而且像甲烷一样，还原性的磷化氢气体，在氧化性的金星大气中，并不能持久存在 。这一点更为重要：如果金星大气的磷化氢真的来自生命活动，那它可能不是远古生命活动的遗留，而是指示着现存的生命活动！
3年前开始注意到磷化氢这一潜在生命标记气体的珍妮·格里夫斯团队，先是用位于夏威夷莫纳克亚火山之巅的亚毫米波单天线麦克斯韦望远镜（JCMT）对准金星展开观测，初步寻获磷化氢谱线。
为进一步确认，他们又申请到智利北部的阿塔卡马大型毫米波阵（ALMA）的观测时间，由66面天线组成的ALMA以极高的灵敏度和空间分辨率著称，果然再次返回了更加明确的信号。
ALMA望远镜局部（作者摄）
但自这一发现公布一个多月以来，学界内也浮现出一些质疑的声音。例如，有人注意到宣布发现金星磷化氢的《自然》文章中说，他们“基于经验”使用了12阶多项式减除光谱基线——用过多项式拟合的人都知道，这玩意有的时候……有点看心情；再如，有人受启发用手头的金星红外光谱数据也去找了一下磷化氢，结果发现，有是有，但是比珍妮·格里夫斯《自然》文章报告的少4倍。
发现金星大气磷化氢的《自然》文章插图，示12阶多项式拟合
别忘了一桩火星研究的旧案：2004年，欧洲发射的火星轨道器“火星快车”团队宣布发现火星上的甲烷气体，并得到多个地基天文望远镜团队的确认，这在当时也被认为是天体生物学的一项突破性进展；但后来，灵敏度更高的火星轨道器ExoMars却反而完全找不到甲烷；好奇号火星车在火星表面虽偶尔探测到甲烷，但却时有时无——这个故事的复杂性，让我们不得不对金星大气磷化氢的发现，多一些谨慎和耐心。
下一站，金星？
在人们热望一二十年内就能登陆火星的当下，金星大气磷化氢的发现可能会让擘画太空蓝图的人们重新规划一部分注意力。
目前围绕金星开展探测的只有日本的破晓号探测器，它是一颗“气象卫星”，记录金星上的云在从紫外到红外各个波段上随时间的变化。它携带的紫外相机能监测被一些人怀疑由微生物引起的金星云层紫外吸收特征，但它并没有办法去测量最近新发现的磷化氢气体。
目前看来下一颗前往金星的探测器可能是印度与法国合作、计划于2025年发射的舒克拉雅1号 ，现在他们还有充足的时间调整该探测器的科学载荷，让它能够具备遥测磷化氢光谱信号的能力。
美国国家航天局（NASA）每隔几年就会开展一轮“选秀”的小型航天任务系列“发现计划”，即将于2021年确认第15、16个中标者，它们将分别在2025-26、2028-29年发射。目前杀入决赛的4个任务中，有两个与金星有关：计划对金星地表做高分辨率测绘的“真相号”（VERITAS），和计划降落金星地表的“达芬奇+号”（DAVINCI+） 。前者可能揭示金星上残存的活火山 ，后者则可以在下降过程中直接测量金星大气的成分。无论这两个任务哪一个获选，都将有希望进一步推动我们对金星大气中磷化氢气体乃至可能包含的生命本身的认识。
金星大气悬浮器计划（想象图）
在天体生物学界饱受冷遇的近邻金星，果能发现生命的话，真可称是“众里寻他千百度，那人却在灯火阑珊处”了。那将给我们带来一次宇宙级的教训：不要低估生命的适应能力，几乎任何勉强宜居的地方都将充斥生命。
但卡尔·萨根有遗训：“特别的主张要有特别的证据”。我们现在才刚开了个头，要真正证明金星上生命的存在与否，恐怕还有很长的路要走……
11月7日，腾讯科学WE大会上，Jane Greaves教授及数位全球顶尖科学家将为大家分享最新科学突破。一起来线上赴约吧