金星上存在生命？这个如同天方夜谭的想法，却在一项发表于《自然-天文学》的研究中被严肃讨论了。研究团队在两次天文观测中，都从金星大气中发现了生物标记——磷化氢。研究者认为，目前有两种可能的解释：存在某种我们从未了解过的化学反应，或是金星大气层中的生命造就了这些气体。
本文来自微信公众号：环球科学（ID：huanqiukexue），作者：吴非，头图来自：NASA
从月球、火星再到系外行星，人类对于地外生命的幻想与科学探索，正向着无尽的宇宙深处延伸。但对于比我们更靠近太阳的近邻——金星，人类始终未曾抱有太大的幻想。毕竟，绝大多数生命需要在适宜的温度下才能生存，因此我们往往将搜索的目标设定为宜居带；而金星在太阳的炙烤下，表面温度可以达到500℃，并且极度干燥，浓厚的大气层除了二氧化碳，还含有相当多的硫酸云。无论从哪个角度看，金星都像是一个炼狱，而不是生命的家园。
不过，在金星的大气层中，也隐藏着一片环境相对温和的狭小区域——在距离金星表面大约50~60千米高的大气中，压力条件与地球表面相似，温度也在0~50℃之间。尽管仍有强酸性的硫酸云，但在地球上，人们已经找到了能忍耐此般生存环境的微生物。因此，一个合理的猜想是：如果金星上的确存在生命，那么它只可能生活在这层特殊的大气中。
生物标记
如何为金星生命的猜想找到依据？在探测器深入金星大气层之前，直接捕捉到生命的影像甚至是本尊，显然不切实际。因此，研究人员可以使用的武器就成了生物标记（biosignature）。这类分子可以由生物体的代谢等活动产生，并且非生命过程都无法制备。此前的研究指出，在岩质行星中，这个故事的主角——磷化氢（PH3）就属于一种生物标记。
磷化氢是一种散发着大蒜和腐鱼气味的有毒气体。当然，你应该没有机会闻过它的味道——如果你闻见了，这时你的肺部等器官大概率已经受到损害了。在地球上，磷化氢存在于大气中，但含量极低。它的两种来源——无论是作为厌氧生物代谢活动的副产物，还是人类的工业生产，都与生物相关。如果地球上不存在生命，无论是普通的地质过程，还是大气反应，都不足以产生磷化氢。
不过，对于巨大的气态行星，情况却不太一样。木星和土星内部极高的温度，正是适合生产磷化氢的条件。因而在此之前，科学家在木星和土星中已经检测到磷化氢，却没有感到意外。
而金星正是一颗岩质行星。根据计算，其内部不存在木星与土星那样的磷化氢来源。而且磷倾向于与氧结合，在主要为二氧化碳的金星大气中，磷通常会与其反应，而不是形成还原态的磷化氢。然而，《自然-天文学》的一项最新研究报道了意料之外的发现：在金星的大气层中，出现了“浓度异常高”的磷化氢。
两次观测
领导这项研究的，是英国卡迪夫大学的射电天文学家Jane Greaves。2017年，她带领团队利用夏威夷的麦克斯韦望远镜（JCMT），对金星大气层进行了5天的观测。事实上，Greaves并没有太过在意这次行动，她作出这个决定也只是因为金星的观测很方便，甚至在观测完成后，数据一度被搁置一年多，才被她重新想起来。但当Greaves重新拾起数据进行处理时，却看到了令她眼前一亮的光谱信号。
JCMT望远镜（图片来源：Will Montgomerie/EAO/JCMT）
不同的分子会吸收光谱中各不相同的特定部分，因此每个分子都有一套光谱“指纹”——通过观察光谱吸收线，就能查明有哪些分子存在。在这些数据中，Greaves找到了磷化氢的信号。
这时，Greaves尚不敢立即写论文宣布这一结果。对于如此颠覆性的结论，她希望用更多的观测进行验证。于是，她找到了专门研究磷化氢的麻省理工学院分子天体物理学家Clara Sousa-Silva等人组成团队，并在2019年使用更强大的阿塔卡玛毫米/亚毫米波阵列望远镜（ALMA）做了重复观测。
结果，ALMA的观测不仅证实了此前的结果，还发现了关于磷化氢的更多细节，例如磷化氢在金星的中纬度地区浓度更高，这可能与金星的大气环流有关。结合两台望远镜的光谱数据，研究团队算出，金星大气层中磷化氢的浓度为20 ppb（即10亿个分子中，有20个磷化氢分子）。虽然数值看似不值一提，但对于这样一种极为罕见的气体，这个浓度已经是地球大气层中磷化氢浓度的1000~100万倍。
图中黄色和红色折线，分别为2017和2019年观测得到的光谱信号
来自生命？
问题很明显了——这些磷化氢是怎么来的？在现阶段，科学家没有办法直接证实是生命活动产生了这些气体。因此研究团队能做的，就是找到所有可以分析的可能性，然后逐一验证。为此，他们考虑了火山活动、闪电甚至是陨石撞击等非生命过程，根据模型，这些过程有可能生成少量磷化氢，但与观测到的浓度相比，都至少差了4个数量级。
当所有错误的选项被排除，剩下的即使看似不可能，但也更接近真相。在这个问题上，排除掉上述过程后，作者认为，还存在两种可能性：其一，尽管已经尽量考虑了所有可能的非生物过程，但在金星上，还存在某种此前未曾知晓的地球化学或光化学过程；而另一种可能性，就是金星上有生命活动。
研究推测，如果金星上的生命活动相当于地球微生物活动的10%，那么20 ppb的磷化氢浓度是有可能达到的。
我们可以想象这样一幅金星生物画卷。NASA此前的模拟研究提出，金星早期的气候十分温和，这里甚至存在广阔的液态水海洋。这样的温润环境，可能孕育出某些简单的金星生命。而另一项研究认为，是大规模的火山喷发让金星演变为今天这样的生命禁地。随着金星环境的恶化，金星生命的栖息地不断缩退，最终只有在大气层的宜居区域中生存。
图片来源：ESO/M. Kornmesser & NASA/JPL/Caltech
当然，这样的场景还存在一些有待解决的问题。如果以地球上的微生物作类比，它们虽然也可以出现在大气层中，但毕竟不能在大气层中完成整个生命周期，还需要降落回地表；但金星表面太过于炎热，实在是无法生存。因此金星生命可能有着与地球生命不同的形式，只是我们还不曾了解。
看到这里，相信你也意识到：仅凭现有的证据，要证实（或证伪）金星生命还为时过早。而且，磷化氢是否如研究者认为的那样，可以成为指向生命活动的标记，也有待更多研究论证。该论文的多位作者也表示，这项研究只是提出了两种可能性。而要进一步限制磷化氢的来源，对金星的深入探索不可或缺。
Greaves表示，她希望这项研究能够唤起科学界对于金星探索的关注。目前，已经有几个正在筹备的金星探测计划。例如，俄罗斯的Venera-D任务（包括一个轨道器和一个着陆器）计划最早将在2026年飞向金星，欧洲航天局的远景号（EnVision）金星探测器也计划在本世纪30年代抵达金星。而NASA也正在考虑金星探测计划的细节，其计划有望穿越金星大气层，从而获取第一手的数据。在那时，关于金星的物理、化学乃至生物，我们将获得全新的认识。
原始论文：
Phosphine gas in the cloud decks of Venus
https://doi.org/10.1038/s41550-020-1174-4
参考链接：
[1]https://news.mit.edu/2020/life-venus-phosphine-0914
[2]https://www.scientificamerican.com/article/venus-might-host-life-new-discovery-suggests/
[3]https://www.space.com/venus-clouds-possible-life-chemical-discovery.html
[4]金星如何从宜居走向炼狱？
本文来自微信公众号：环球科学（ID：huanqiukexue），作者：吴非