学通扳 境.地质历史时期一些重大的环境事件对地球生物圈展趋势 的多样性、演化速率、演化方向等都产生了重要影响 对地外天体宜居环境的判别主要依据对地球类似 如新元古代的雪球地球ˆ事件引起了全球气候环境的极端环境的类比研究.截止到2017年,人们已经发现了 变化,促进了后来多细胞生物的繁盛5.地幔对流、至少37个不同的类比研究地点或环境,包括我国柴 板块运动、火山活动、地磁场变化等地质活动和环境达木盆地类火星环境和地貌.对这些极端环境中 演变都会对生物圈的演化产生重要影响,地球生命微生物的研究改变了人们对生命生存极限的认识.目 又通过各种生理代谢活动深刻影响和改变了地球的大前已在40~70km高度的临近空间、一万米以下的深 气、海洋和表面地球化学等环境特征如地质历史海、120°℃C的高温环境、零下17°C的低温环境、常年 早期的铁氧化细菌、铁还原细菌、趋磁细菌等微生物干燥的沙漠、南极永久冻土带等极端环境中都发现了 可能参与了前寒武纪条带状铁建造(BIF)的沉积,这些微生物的存在1,这拓宽了宜居环境的定义和范畴 铁建造是当前世界上重要的铁矿资源产氧光合这些极端环境可以类比太阳系内一些天体,如临近空 微生物的岀现则促使地表从还原环境转变为氧化环境,间、沙漠、南极永冻土带可以类比现在的火星环境, 引起了水圈和大气圈中氧气浓度的增加,改变了地球深海和冰下湖可以类比土卫二和木卫二内部的海洋环 表层的环境和后续生物圈演化的方向地表和深部境等对极端环境及其微生物的研究可以帮助我们更 生物圈中的微生物在全球元素的地球化学循环中发挥加准确地评判地外天体是否具有宜居环境 了不可或缺的作用.这些生物参与和主导的过程逐 火星是除地球以外研究最为深入的行星.早期火 渐成为生物圈对地质圈层的精细调节,进一步维系了星具有大量液态水甚至海洋,具有核、幔、壳分层 地球的宜居环境 和全球磁场,可能发生过板块运动3,气候湿 润,这些证据表明火星可能一度具有类似于早期地 22宜居环境 球的宜居环境.现代火星地表环境恶劣,但其地下可能 宜居环境指具有适宜任何形式生命出现或生存的具有支持类似于地球微生物等生命形式生存的条件, 环境,其空间范围可以大至一个行星系统,也可以小至当前对火星宜居环境和生命的探索已逐渐从地表转人 微生物生存的微尺度环境在天体生物学的理论框地下 架中,是否支持液态水的存在是衡量环境宜居性的- 太阳系内的一些冰卫星,如木卫二、木卫三、木 个核心指标此外,能量(太阳能或化学能)、生命所需卫四、土卫二、土卫四和海卫一等,在其表面冰层以 的基本元素( CHONSP)的丰度等也是影响环境宜居性下可能存在液态的海洋,具有一定的宜居性在这些 的重要参数,板块运动、全球或局部磁场等则可能有冰卫星中,木卫二和土卫二尤为引人关注.木卫二的海 助于形成类似地球的、具有长期演化历史的大型生态洋与其岩石层直接接触,推测可能存在类似地球的深 系统.在行星宜居环境研究中,除了考虑空间尺度,海热液喷口,为生命的起源和演化提供了必要的能量 还要在时间尺度上以演化的视角进行探讨.生命起源和营养元素.土卫二表面向外溅射出含水冰颗粒和 的环境与其繁盛的环境可能截然不同,当前宜居的环有机物的羽状物,暗示其内部可能存在液态水和一些 境过去不一定适宜生命的发生,而现在不宜居的环境生命活动或类似于地球的前生命化学反应过程等28 过去可能可以支持生命起源和演化.地球在生命出现土卫六大气中存在着较复杂的有机合成反应,其表面 之前就已经具有宜居环境,早期地球的环境与现在环存在富含烷烃的海洋,被认为是研究太阳系生命起源 境差别巨大,从形成初期的高温和高辐射环境到液态和早期生命演化的天然实验室.对这些太阳系冰卫 水和早期海洋的出现,从还原缺氧的表层环境到氧星潜在宜居环境的研究使人们认识到宇宙中宜居环境 气的出现和臭氧层的形成,从被冰川覆盖的“雪球地具有多样性 球”到全球升温变暖的极热事件6地球在地质历史 寻找可能具有宜居环境的系外行星也是当前天体 时期经历过多种不同的环境,说明同一个天体在不同生物学研究的热点.截止到2019年9月,已发现超过 演化阶段可以具有截然不同的宜居环境,而生命也会4000颗确定的系外行星,另有1000多颗尚待进一步确 不断地适应环境并在一定程度上改造宜居环境.从空认.尽管人们已经认识到系外行星无论从其本身特点 间和时间尺度上共同探究行星宜居环境是该领域的发还是其所处的行星系统都可能与地球及太阳系的其他 DownloadedtoIp:192.168.0.213On:2019-12-2610:0034http:/engine.scichina.com/dou/10.1360/tb-2019-0396境. 地质历史时期一些重大的环境事件对地球生物圈 的多样性、演化速率、演化方向等都产生了重要影响. 如新元古代的“雪球地球”事件引起了全球气候环境的 变化, 促进了后来多细胞生物的繁盛[54,55]. 地幔对流、 板块运动、火山活动、地磁场变化等地质活动和环境 演变都会对生物圈的演化产生重要影响[56]. 地球生命 又通过各种生理代谢活动深刻影响和改变了地球的大 气、海洋和表面地球化学等环境特征[57]. 如地质历史 早期的铁氧化细菌、铁还原细菌、趋磁细菌等微生物 可能参与了前寒武纪条带状铁建造(BIF)的沉积, 这些 铁建造是当前世界上重要的铁矿资源[58~60]. 产氧光合 微生物的出现则促使地表从还原环境转变为氧化环境, 引起了水圈和大气圈中氧气浓度的增加, 改变了地球 表层的环境和后续生物圈演化的方向[61]. 地表和深部 生物圈中的微生物在全球元素的地球化学循环中发挥 了不可或缺的作用[62]. 这些生物参与和主导的过程逐 渐成为生物圈对地质圈层的精细调节, 进一步维系了 地球的宜居环境. 2.2 宜居环境 宜居环境指具有适宜任何形式生命出现或生存的 环境, 其空间范围可以大至一个行星系统, 也可以小至 微生物生存的微尺度环境[63]. 在天体生物学的理论框 架中, 是否支持液态水的存在是衡量环境宜居性的一 个核心指标. 此外, 能量(太阳能或化学能)、生命所需 的基本元素(CHONSP)的丰度等也是影响环境宜居性 的重要参数, 板块运动、全球或局部磁场等则可能有 助于形成类似地球的、具有长期演化历史的大型生态 系统[64]. 在行星宜居环境研究中, 除了考虑空间尺度, 还要在时间尺度上以演化的视角进行探讨. 生命起源 的环境与其繁盛的环境可能截然不同, 当前宜居的环 境过去不一定适宜生命的发生, 而现在不宜居的环境 过去可能可以支持生命起源和演化. 地球在生命出现 之前就已经具有宜居环境, 早期地球的环境与现在环 境差别巨大, 从形成初期的高温和高辐射环境到液态 水和早期海洋的出现[65], 从还原缺氧的表层环境到氧 气的出现和臭氧层的形成[61], 从被冰川覆盖的“雪球地 球”到全球升温变暖的极热事件[66,67]. 地球在地质历史 时期经历过多种不同的环境, 说明同一个天体在不同 演化阶段可以具有截然不同的宜居环境, 而生命也会 不断地适应环境并在一定程度上改造宜居环境. 从空 间和时间尺度上共同探究行星宜居环境是该领域的发 展趋势. 对地外天体宜居环境的判别主要依据对地球类似 极端环境的类比研究. 截止到2017年, 人们已经发现了 至少37个不同的类比研究地点或环境[68], 包括我国柴 达木盆地类火星环境和地貌[69,70]. 对这些极端环境中 微生物的研究改变了人们对生命生存极限的认识. 目 前已在40~70 km高度的临近空间、一万米以下的深 海、120°C的高温环境、零下17°C的低温环境、常年 干燥的沙漠、南极永久冻土带等极端环境中都发现了 微生物的存在[13], 这拓宽了宜居环境的定义和范畴[71]. 这些极端环境可以类比太阳系内一些天体, 如临近空 间、沙漠、南极永冻土带可以类比现在的火星环境, 深海和冰下湖可以类比土卫二和木卫二内部的海洋环 境等. 对极端环境及其微生物的研究可以帮助我们更 加准确地评判地外天体是否具有宜居环境. 火星是除地球以外研究最为深入的行星. 早期火 星具有大量液态水甚至海洋[72], 具有核、幔、壳分层 和全球磁场[73,74], 可能发生过板块运动[75,76], 气候湿 润[77], 这些证据表明火星可能一度具有类似于早期地 球的宜居环境. 现代火星地表环境恶劣, 但其地下可能 具有支持类似于地球微生物等生命形式生存的条件, 当前对火星宜居环境和生命的探索已逐渐从地表转入 地下[78]. 太阳系内的一些冰卫星, 如木卫二、木卫三、木 卫四、土卫二、土卫四和海卫一等, 在其表面冰层以 下可能存在液态的海洋, 具有一定的宜居性[29]. 在这些 冰卫星中, 木卫二和土卫二尤为引人关注. 木卫二的海 洋与其岩石层直接接触, 推测可能存在类似地球的深 海热液喷口, 为生命的起源和演化提供了必要的能量 和营养元素[79]. 土卫二表面向外溅射出含水冰颗粒和 有机物的羽状物, 暗示其内部可能存在液态水和一些 生命活动或类似于地球的前生命化学反应过程等[27,80]. 土卫六大气中存在着较复杂的有机合成反应, 其表面 存在富含烷烃的海洋, 被认为是研究太阳系生命起源 和早期生命演化的天然实验室[29]. 对这些太阳系冰卫 星潜在宜居环境的研究使人们认识到宇宙中宜居环境 具有多样性. 寻找可能具有宜居环境的系外行星也是当前天体 生物学研究的热点. 截止到2019年9月, 已发现超过 4000颗确定的系外行星, 另有1000多颗尚待进一步确 认. 尽管人们已经认识到系外行星无论从其本身特点 还是其所处的行星系统都可能与地球及太阳系的其他 4 Downloaded to IP: 192.168.0.213 On: 2019-12-26 10:00:34 http://engine.scichina.com/doi/10.1360/TB-2019-0396