六年前的一个早晨，在西雅图蒙蒙细雨的时候，呆在一家咖啡店里的天体生物学家肖恩·多马加尔·高德曼（Shawn Domagal-Goldman），呆呆地凝视着他的笔记本电脑屏幕。他一直在模拟一个正在进化的行星，当时氧气突然开始在虚拟行星的大气层中积累。浓度升高，从0％到5％到10％。

“有什么问题吗？”妻子问。

“是的。”

经过数千年的思考，我们人类是否独自在宇宙中存在？就像美国宇航局（NASA）的天体生物学家林恩·罗斯柴尔德（Lynn Rothschild）所说的那样，我们能寻找到外星生命吗？

目前，我们发现其他恒星系统上的行星的数量正在迅速增大。在过去的十年中，已经发现了成千上万的系外行星，或围绕太阳以外的恒星运行的行星。其中包括潜在的超级地球、类海王星、类似炽热木星以及诸如开普勒452b之类的世界，开普勒452b可能是岩石的，水状的“地球表亲”，距这里1400光年。

从2018年NASA詹姆斯·韦伯太空望远镜的预期发射开始，天 学家将能够跨越光年凝视并扩大最有希望的系外行星的大气层。他们将寻找“生物特征气体”的存在，这些气体只能由外星生命产生。

他们将通过观察系外行星位于其母恒星前方的薄薄的星光环来做到这一点。系外行星大气中的气体将吸收星光的某些频率，从而在光谱中留下明显的下降。

华盛顿大学虚拟行星实验室（VPL）的研究员多马加尔·高德曼（Domagal-Goldman）所了解的，“生物特征气体”的金标准是氧气。不仅地球上的植物群（可能还有其他行星）大量产生了氧气，而且50年来的传统观点认为，仅凭地质学或光化学就无法解释产生可检测的水平的氧气，这使其成为生命的防伪特征。

然而，在多马加尔-戈德曼的模拟世界中，氧气充斥了天空，这并不是由于那里的生物活动，而是因为极端的太阳辐射正在将氧原子从空气中的二氧化碳分子中剥离出来的速度快于它们的重组。这种生物特征毕竟可以伪造。

维多利亚·梅多斯（Victoria Meadows）

VPL负责人，澳大利亚大力士维多利亚·梅多斯（Victoria Meadows）说，在遥远的系外行星周围寻找生物特征气体“本质上是一个麻烦的问题”。自多马加尔·高德曼（Domagal-Goldman）被发现以来的几年中，梅多斯（Meadows）委托75名团队成员鉴定系外行星可能出现的主要“氧气假阳性”现象，以及区分这些错误警 与生物活动的真实氧气迹象的方法。梅多斯仍然认为氧气是最好的生物特征气体。但是，她说：“如果我要寻找这个，我想确保当我看到它时，我知道自己在看什么。”

萨拉·西格（Sara Seager）

同时，麻省理工学院（Massachusetts Institute of Technology）的萨拉·西格（Sara Seager）发明了分析系外行星大气层的光谱技术而广受赞誉，他正朝着不同的方向推动对生物特征气体的研究。西格承认氧气是有前途的，但她敦促占星术界不要以地形为中心，而是要考虑外星生命的运作方式，超越地球的地球化学和我们所呼吸的特定空气来思考。 “我的看法是，我们不愿一成不变；我们需要考虑一切。”她说。

随着未来的望远镜扩大对类地世界的调查范围，在遥远的天空中检测到潜在的生物特征气体只是时间问题。看起来就像是无时无刻的发现：证明我们并不孤单。但是我们怎么知道呢？

如果科学家们要选择最佳的系外行星以詹姆斯·韦伯望远镜为目标，那么科学家们必须迅速磨练他们的模型并解决警告。由于检查每个行星大气的光谱要花费数百小时，并且还要花费很多时间，因此该望远镜很可能只能观察到附近恒星宜居的“金发姑娘”区域中的一到三个与地球类似的世界。

在从越来越多的已知系外行星中进行选择时，科学家们希望避免出现氧气误 的行星环境。 梅多斯说：“我们正在考虑将鸡蛋，即使不是全部放到一个篮子里，至少也要放在几个篮子里，因此，重要的是要弄清楚我们应该在那里寻找什么。特别是，我们可能会被愚弄。”

生命气息

自从化学家詹姆斯·洛夫洛克（James Lovelock）于1965年首次考虑生物特征气体以来，氧气就一直被视为黄金标准，当时他在NASA从事探测火星生命方法的研究。当弗兰克·德雷克（Frank Drake）和其他天体生物学的先驱者试图检测来自遥远的外星 明的无线电信号时（一项正在进行的工作被称为寻找外星情 （SETI）），洛夫洛克认为可以通过寻找不相容的气体来推断其他行星上的生命。如果能够检测到两种相互反应的气体，则必须进行一些积极的生物化学反应，不断补充行星的大气供应。

以地球为例，尽管它容易与空气和地面中的碳氢化合物和矿物质发生反应以产生水和二氧化碳，但双原子氧（O2）占大气层的21％。氧气之所以存在，是因为地球的光合作用者——植物、藻类和蓝细菌将其倒入了天空。它们利用阳光将氢原子从水分子中剥离出来，形成碳水化合物，并释放出氧副产物作为废物。如果光合作用停止，那么天空中现有的氧气将与地壳中的元素发生反应，并在1000万年内降至痕量水平。最终，地球将像火星，充满二氧化碳的空气和生锈，氧化的表面。洛夫洛克认为，证据表明“火星”目前没有生命。

但是，尽管氧气是地球上有生命的标志，但为什么在其他地方也是如此？梅多斯认为，光合作用具有如此明显的进化优势，因此很可能在任何生物圈中广泛传播。光合作用使任何星球上最大的能源，即太阳，能够在最常见的行星原料上工作：水和二氧化碳。梅多斯说：“如果您想获得超级代谢，您将尝试并开发出一些可以利用阳光的东西，因为正是在那里。”

双原子氧还具有可见光和近红外光的强吸收带，这是价值80亿美元的詹姆斯·韦伯（James Webb）望远镜和广域红外测量望远镜（WFIRST）（计划于2020年代执行的任务）的精确灵敏度范围。带着如此迫在眉睫的希望，梅多斯迫切想知道“陷阱可能在哪里”。到目前为止，她的团队已经确定了三种主要的非生物机制，可以使大气中充满氧气，从而产生假阳性。例如，在围绕小的年轻M矮星形成的行星上，强烈的紫外线可以在某些情况下使行星的海洋沸腾，形成充满水蒸气的大气层。正如VPL科学家去年在《天体生物学》杂志上 道的那样，在高海拔地区，强烈的紫外线辐射会分解轻质氢原子。然后这些原子逃逸到太空，留下一层比地球大气层密度高数千倍的氧气。

由于M矮星的小巧使得可以更容易地发现从它们前面经过的较小的岩石行星，因此它们是NASA过境系外行星测量卫星（TESS）的预定目标，该卫星计划于明年发射。詹姆斯·韦伯望远镜将研究将从TESS的发现中选出的类似于地球的行星。有了这些候选物，天体生物学家必须学习如何区分外来光合作用剂和失控的海洋沸腾。在正在准备出版的工作中，梅多斯和她的团队表明，当O2分子发生碰撞时，来自四原子氧（O4）的光谱吸收带就会松散地形成。大气中的O2越密集，发生的分子碰撞越多，四原子氧（O4）信号变得越强。梅多斯解释说：“四原子氧（O4）给我们一个明显的信号，即我们不仅在看20％氧气的1 bar大气，这暗示这种类地球大气是由光合作用参与产生的大气。说明在该行星里可能存在大量耗氧东西。”

强烈的一氧化碳信号将识别多马加尔-戈德曼在2010年早晨第一次遇到的假阳性现象。现在，美国宇航局位于马里兰州格林贝尔特的戈达德航天飞行中心的研究科学家说，他并不担心氧气作为可靠的生物特征气体的长期前景。他说，氧气假阳性只发生在极少数情况下，"而拥有这些特定情况的行星也将具有观测特性，只要我们事先考虑一下，我们就能发现这些特性，这是我们现在正在做的事情。”

不过，他和其他天体生物学家也注意到了氧假阴性——那些蕴藏着生命的行星，但是大气中没有可探测的氧气。假阳性和假阴性都帮助萨拉·西格相信，需要超越氧气的思考，探索古怪的生物特征。

气体百科全书

如果过去十年来各种系外行星的发现教给我们任何东西，那就是行星的大小、组成和化学性质发生了巨大变化。西格认为，通过将氧气作为一切最终的生物特征气体，我们可能会错过一些东西。带着发现外星生命迹象的个人梦想，这位44岁的科学家不苟同这一看法。

西格指出，即使在地球上，光合作用者在24亿年前就已经将氧气排出到地球的大气中，从那个时候氧气开始了在天空中聚集。如果仅从氧气水平来看，直到大约6亿年前，地球看起来都没生命迹象。

在地球上，许多这些分子是由蜷缩在海洋喷口和其他极端环境中的外来生物以微量排放的。这些分子不会积聚在大气中。但是，这些气体可能会在其他行星环境中产生。正如研究人员在2014年所论证的那样，在富含甲烷的行星上，光合作用者可能从甲烷（CH4）而不是CO2中收获碳，并喷出氢气而不是氧气，从而导致大量氨气。贝恩斯说：“最终的长期目标是[观察]另一个世界，并对这个世界可能产生的生命做出一些明智的猜测。”

多马戈尔－高德曼（Domagal-Goldman）同意，对氧气以及所有其他生化可能性进行深入思考非常重要。他说：“由于所有这些意外都发生在我们对其他世界的质量，半径和轨道特性的探测中，”他说，“ [天 学家]将继续推动像我这样来自地球科学背景的人，说 ，‘让我们再进一步思考一下’，这是一种健康而必要的压力。”

但是，梅多斯质疑全分子方法的实用性。她在一封3000字的电子邮件中批评了西格的想法，“建立完备的数据库之后，如何识别最可能由生命产生的分子？您如何识别它们的假阳性？”她总结道：“您仍然必须以地球上的生命以及我们对行星环境以及生命与这些环境的相互作用的理解为指导。”

在思考生命可能是什么样子时，令人恼火的是，我们很难摆脱目前仅有的数据点。

不确定的赔率

在2013年的一次座谈会上，西格（Seager）提出了德雷克（Drake）方程的修订版，这是弗兰克·德雷克（Frank Drake）著名的1961年公式，用于衡量SETI成功的可能性。 德雷克方程式乘以一连串几乎未知的因素来估算银河系中的无线电广播 明数量，而西格方程式则估算可检测到生物特征气体的行星数量。

由于具有寻找任何生命的现代能力，无论它是否具有将消息传送到太空的知识能力，我们计算成功机会的机会不再取决于不确定性，例如作为发展成果的情 稀缺或无线电技术在银河系中的普及。然而，最大的未知数仍然存在：生命首先出现在像我们这样的岩石、水样、大气行星上的可能性。

“生物起源”被称为神秘事件，似乎是在地球积累液态水之后不久发生的，导致一些人推测，在有利的条件下，生命可能容易开始，甚至不可避免地开始。但是，如果是这样，那么在地球45亿年的历史中，难道生物发生就不会发生过多次，而是产生了几个生化上独特的世系，而不是基于DNA的生命的单一培养吗？

华盛顿大学的微生物学家约翰·巴罗斯（John Baross）研究生命的起源，他解释说，生物起源很可能会反复发生，从而在地球早期造成了遗传密码、结构和代谢的威胁。但是，通过基因交换和达尔 主义的选择，这些不同的生命起源将合并为一个世系，此后几乎将其定居于地球上的每个环境，从而阻止了新暴生命的崛起。简而言之，几乎不可能说出生物发生是偶然事件还是普遍发生的现象，无论是在这里还是在宇宙的其他地方。

西格预定在座谈会上发表最后讲话，为随后的聚会定下轻松的基调。她认为，生命有100％的机会出现在类似地球的行星上，而且这些生物圈中有一半会产生可检测到的生物特征气体，这是她方程式中的另一个不确定性。对这些极其乐观的数字进行计算得出的预测是，在未来十年中将发现两个外星生命的迹象。