想象一下，您踏入了一台时间机器，它不仅可以穿越数十亿年，还可以穿越无数光年的空间，所有这些都是为了在宇宙中寻找生命。您会在哪里找到最多的生命，它又会是什么样子？答案——或者至少是科学家们最好的猜测——可能会让您感到惊讶。
您可能会认为，那里的大多数生命都像我们今天在地球上看到的那样：草地、树木和嬉戏的动物都围绕着黄色恒星在蓝色、富氧天空下的水世界中运行。但您错了。天文学家正在对银河系中的行星进行星系普查，他们现在怀疑宇宙中大部分适宜居住的区域都存在于围绕红矮星运行的世界中，红矮星比像太阳这样的恒星更小，但数量更多。部分原因是它们的数量巨大，使得天文学家在某些方面更容易研究这些恒星。例如，考虑一下名为 TRAPPIST-1 的红矮星，它距离我们不到 40 光年。2017 年，天文学家发现它至少有七颗温带地球大小的行星围绕其运行。大量新的天文台——其中最主要的是美国国家航空航天局最近发射的价值数十亿美元的詹姆斯·韦伯太空望远镜——将很快开始研究 TRAPPIST-1 和其他附近红矮星行星，以寻找适宜居住性和生命的迹象。
与此同时，当然，没有人真正知道，如果您乘坐行星跳跃时间机器访问其中一个奇异世界，您会看到什么，但如果它们与地球有任何相似之处，您很可能会发现一颗由微生物而非魅力四射的巨型动物群主导的行星。2018 年 1 月发表的一项引人入胜的研究探讨了这个奇怪的事实对于寻找外星生命的天文学家可能意味着什么。该研究由华盛顿大学的大气化学家 David Catling 共同撰写，深入研究了我们星球的历史，以设计一种新颖的方法，在不远的将来在遥远的世界中寻找单细胞生命。
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在地球上，大多数生命都是微生物，仔细阅读地球的化石和地球化学记录表明，情况一直如此。植物和动物等生物——以及植物产生的氧气和动物呼吸的氧气——都是相对的新来者，大约在过去五亿年中才出现。我们的星球似乎在其剩余四十亿年历史的前二十亿年中，一直是一个由排放甲烷的微生物统治的“粘液世界”，对于这些微生物来说，氧气不是赋予生命的 газообразным веществом，而是一种致命的毒药。光合蓝藻（因其翠绿的色调而得名，这来自叶绿素）的出现定义了接下来的二十亿年，并将“产甲烷菌”微生物驱逐到氧气无法到达的黑暗场所——地下洞穴、深泥和其他窒息的环境中，它们至今仍然存在于这些环境中。蓝藻逐渐使我们的星球变绿，缓慢地将大气层充满氧气，并为今天我们熟悉的世界奠定了基础。
如果在地球历史上的随机时间点将您的时间机器降落在地球上，那么大约十分之九的情况下，您只会发现单细胞生命或藻类，并且会在缺氧的露天空气中面临窒息的风险。
这给希望使用韦伯望远镜而不是时间机器来寻找其他载有生命的星球的科学家们带来了难题。行星大气层中的分子可以吸收穿过的星光，在天文学家可以探测到的光线上留下条形码状的特征。丰富的氧气是在数光年之外的行星大气层中寻找的最明显的条形码之一，因为它是最难在没有生物学的情况下制造的东西之一。在天体生物学家的术语中，这种高度活泼的气体是一种有效的“生物特征”，因为在高浓度下，它往往与周围环境“不平衡”。也就是说，氧气倾向于作为铁锈和其他矿物氧化物的成分从空气中沉降出来，而不是作为气体停留，因此当它大量存在时，必须有某种东西——地球上的光合生命——不断地补充它。但是，以我们的星球为指导，天体生物学家不得不承认，氧气可能是他们最不可能看到的东西——遗传证据表明，蓝藻开创的复杂产氧光合途径是一项非凡的进化创新，在地球生物圈数十亿年的历史中只出现过一次。因此，人们可能会预期，科学家们通过望远镜观察到的任何有生命的“类地”世界都可能是缺氧的，或缺乏氧气。他们应该寻找哪些其他生物特征来代替氧气呢？
目前，找到答案的最佳方法是跳回时间机器。当然，不是真正的时间机器，而是一个虚拟的旅行者，一个计算机模型，它可以探索地球缺氧过去的（或外星行星的现在）其他无法触及的深处，探索可能发生在那里的地球大气层和海洋中气体的化学性质。使用来自古老岩石和其他模型的数据，拨入您对例如大约三十亿年前的地球环境条件的最佳猜测，让计算机处理数字，看看是否会出现任何明显的失衡——潜在的生物特征。这正是 Catling 与他的同事 Joshua Krissansen-Totton 和 Stephanie Olson 一起所做的事情。
他们的“时间机器”本质上只是对困在一个大型透明盒子中的巨大体积空气的数值近似，盒子的底部是开阔的海洋；计算机只是计算盒子中组成气体在一段时间内应如何相互反应和混合。最终，相互作用的气体用尽了盒子中所有可用的“自由能”，并达到平衡——一个在没有更多外部能量的情况下不会发生进一步反应的点，有点像失去气泡的苏打水。将耗尽气体的混合物与最初困在盒子中的更活跃的混合物进行比较，可以精确地揭示世界大气最初何时以及如何失去平衡。从第一原理出发，这种方法可以复制今天地球上最明显的大气失衡的例子——氧气和微量甲烷的存在（后者是曾经强大的产甲烷菌生物圈的温和呼出物）。简单的化学表明，这些气体不应长期共存，但它们在地球上确实共存，这为任何警惕的外星天文学家提供了一个明确的迹象，表明在这个特殊的淡蓝色圆点上存在着生命和呼吸。但对于古代缺氧的地球来说，该模型显示出不同的东西。
Catling 说：“我们的研究为如何在类地行星上寻找缺氧生命的问题提供了答案。” “其他地方的大多数生命可能都很简单——像微生物一样——而且大多数行星可能还没有发展到含氧大气层的阶段。相对丰富的二氧化碳和甲烷（不存在一氧化碳）的组合是这样一个世界的生物特征。”
Krissansen-Totton 更详细地解释说：“甲烷和二氧化碳同时存在是不寻常的，因为二氧化碳是碳的最高氧化态，而甲烷（由一个碳原子与四个氢原子连接而不是任何氧原子组成）是碳的最低氧化态，”他说。“在没有生命的情况下，在同一大气中同时产生这两种极端氧化态是具有挑战性的。”研究人员表示，大气中甲烷含量超过 0.1% 的岩石、含海洋行星应被视为可能有人居住的行星。如果大气甲烷含量达到 1% 或更高呢？在这种情况下，“可能”是不够的——这样的世界“很可能”是外星生命的家园。
宾夕法尼亚州立大学的大气化学家 Jim Kasting 没有参与这项研究，他说这项研究的结果“方向正确”，即使“甲烷可能是缺氧大气中生物特征的想法并不是全新的”。
Catling 和他的合著者说，新的地方在于他们对基于甲烷的生物特征将如何显现自身以及如何从非生命来源中辨别出来的有力处理。根据他们的模型，缺氧类地行星大气中的甲烷通常会与仍然充满空气的二氧化碳发生反应，进一步与另一种普遍存在的气体氮气以及水蒸气混合，最终以较重化合物的形式降雨。Catling 及其团队的进一步计算得出结论，岩石行星上没有任何非生物甲烷来源可以产生足够的气体来抵消这一过程——无论是行星内部的火山喷发、热液喷口中的化学反应，甚至是小行星撞击。只有行星上繁荣的排放甲烷的细菌种群才能解释这种气体。而且，最关键的是，即使非生物来源能够产生足够的甲烷，它们也几乎不可避免地会产生大量的一氧化碳——一种对动物有毒但对许多微生物来说非常美味的气体。因此，在岩石、含海洋的世界中，甲烷和二氧化碳同时存在，并且没有一氧化碳伴随，最好被解释为缺氧生命的可靠迹象。
这对天文学家来说是个好消息。事实证明，韦伯望远镜将很难直接辨别出在其任务期间探测到的任何潜在宜居行星中的氧气。正如您的眼睛可以看到可见光，但看不到无线电波或 X 射线一样，韦伯的视觉是针对红外线进行调整的——光谱的一部分非常适合研究古代恒星和星系，但在那里氧气的条形码状吸收线相当微弱和稀疏。因此，一些研究人员担心，寻找生命将不得不等待未来许多年或几十年后其他更强大的望远镜。但是，尽管韦伯望远镜不容易看到氧气，但它的红外线眼睛可能擅长瞥见缺氧生命的迹象。据康奈尔大学的 Nikole Lewis 说，他曾在巴尔的摩太空望远镜科学研究所担任韦伯望远镜的项目科学家，该望远镜可以同时检测红矮星周围某些行星大气中的甲烷、二氧化碳和一氧化碳。而且不仅仅是巨大的、臃肿的气态行星，我们无论如何都不期望生命存在于这些行星上。“韦伯望远镜可以达到所需的精度来检测 TRAPPIST-1 系统等行星大气中的分子，”Lewis 说。
即便如此，Lewis 和其他人指出，韦伯望远镜可能仍然难以满足 Catling 标准中最关键的部分——确定每种气体的相对丰度，以确定遥远行星上的甲烷是火山爆发还是微生物打嗝的结果。因此，Catling 并没有屏住呼吸等待韦伯望远镜在某个红矮星世界中找到缺氧生物圈。
Catling 说：“韦伯望远镜可能必须足够幸运才能找到生命，但您永远不知道，因此这对天体生物学来说可能是令人兴奋的。” “我们想让更多人意识到，寻找生命不仅仅是寻找氧气。”