生命是否在欧罗巴上存在？这个木星的卫星几十年来一直以其地壳下隐藏着广阔且无阳光的海洋而吸引着天体生物学家。美国宇航局的绕木星飞行的“朱诺”号探测器现在的数据表明，如果这个卫星黑暗的深渊中真的潜伏着什么，它可能会缺乏维持生命的氧气。
尽管欧罗巴是寻找外星生命的首要目标，但它不一定是一个宜居的地方。宇航员身穿宇航服在其表面停留 24 小时，可以受到保护免受该卫星的寒冷和基本无空气的条件影响，但仍会受到来自木星强大磁场中高速旋转的高能粒子的持续轰击的致命辐射剂量。然而，这种持续的轰击也可能带来好处：它也会非常轻微地剥落卫星的冰面，辐照并分解各种分子，从而产生更复杂的化学物质。由于欧罗巴的大部分地壳是由水冰（即我们熟悉的 H2O）组成，因此这个过程的主要副产品是氧气和氢气，它们要么附着在表面，要么升入空中，在卫星周围形成稀薄的大气层。其中一些物质甚至可能渗入到下方被困的海洋中，在那里它们有可能成为生物的能量和营养来源。
普林斯顿大学的杰米·萨莱说，这使得这个寒冷的外壳“就像欧罗巴的肺”。“它在整个表面不断产生氧气。” 然而，欧罗巴产生多少氧气一直是一个谜——直到现在。萨莱领导的一项新研究提供了对该卫星分子氧（我们地球人赖以生存的形式）产生的最佳估算，并发现欧罗巴制造的分子氧量非常少。结果表明，任何进入卫星内部的氧气都将是涓涓细流，而不是滔滔洪流，这使得这种物质的稀缺成为限制那里生命前景的潜在首要因素。
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该发现于今日发表在《自然·天文学》杂志上，来自对美国宇航局绕木星飞行的“朱诺”号探测器发回的测量数据的分析，该探测器在 2022 年的一次短暂飞掠中“嗅探”了欧罗巴脆弱的大气层，这还是有史以来第一次。“朱诺”号探测器的数据显示，尽管该卫星表面大量产生氢气，但它最多每秒只能产生 18 公斤的氧气。
尽管这个数字听起来可能很高，但它远低于先前从过于简化的计算机模型中得出的每秒约 1,000 公斤的估计值。即便如此，最新的氧气估算值“仍然与我们所知的微生物的栖息地相符，”佛罗里达理工学院的天体生物学家马纳斯维·林加姆说，他没有参与这项新工作。地下海洋，如欧罗巴上的那些，通常被认为缺乏营养，因为它们非常孤立；如果没有阳光来烹饪出益生元化学物质或为生物光合作用提供动力，这些埋藏的水体可能会没有生命。然而，林加姆说，在数亿年的时间里，缓慢积累在海洋冰盖上的营养物质仍然有可能到达下方深处，并通过各种地质过程在内部传输。因此，缺乏阳光“不一定是地下海洋中生命的丧钟。”
“嗅探”大气层
与地球自身厚厚的、可呼吸的空气层相比，欧罗巴的大气层非常稀薄，已知是覆盖在卫星表面下方一层蓬松的扩展氢气层之上的脆弱氧气薄层。卫星“空气”中极少的部分是由从辐射缠绕的冰壳中渗出的氢气和氧气补充的；萨莱说，这些元素“有点像在表面弹跳”，“但偶尔，其中一个会弹出。” 研究合著者、科罗拉多大学博尔德分校的弗兰·巴吉纳尔说，这些表面逃逸物将欧罗巴的大气层膨胀到“比珠穆朗玛峰还高”。“但就大气层而言，这已经非常稀薄了。”
当“朱诺”号探测器在 2022 年 9 月在欧罗巴的尾迹中滑行了几分钟时，它的 JADE 仪器（木星极光分布实验的缩写）探测到大量这些被抛出的氢原子——但仅在卫星的附近。研究合著者兼 JADE 仪器负责人、德克萨斯州西南研究所的弗雷德里克·阿莱格里尼说，这种接近性意味着“毫无疑问，它们来自欧罗巴。” 基于氢的丰度——JADE 在短暂的遭遇中计数了惊人的 1 亿个原子——研究团队逆向工程计算出总共有多少氢气必须从卫星表面飘出，并由此推断出必须产生的相关氧气量。
美国宇航局喷气推进实验室 (JPL) 的科学家凯文·汉德说，新的结果“非常有趣”，他没有参与这项新研究，“但氧气只是故事的一部分。” 在之前的研究中，汉德及其同事发现，纵横交错在卫星表面大部分区域的黄色棕色粘稠物是由氯化钠或食盐组成的。连同其他发现，例如最近在欧罗巴表面发现二氧化碳冰，这与您期望的卫星海洋（如地球的海洋）与海底的岩石直接接触并富含生命友好的营养物质的情况一致。在其表面发现的盐甚至可能暗示卫星海底存在热液喷口，这是一个诱人但尚未证实的可能性，它将像在地球上一样，成为微生物生命的能源中心。说到盐，汉德的研究还表明，欧罗巴冰冻地壳的部分区域富含硫酸镁（泻盐），要么是从下方海洋中涌出的，要么是在其火山喷发的邻近卫星木卫一伊娥吹来后在表面烘烤的。汉德说，地球上的微生物生命“喜欢咀嚼硫酸盐”，因此，即使在卫星表面发现的硫酸盐中有少量渗入下方晃荡的海洋中，“这对欧罗巴海洋的宜居性也具有巨大的影响。”
没有氧气的生命
地球上最早的生命可能出现在大约 40 亿年前，当时还没有大陆出现来点缀我们星球的全球原始海洋。一个主要的理论推测，生命的摇篮可能是海底的热液喷口——类似于可能存在于欧罗巴和其他海洋冰卫星中的那些——它们提供了形成复杂有机分子所需的能量。西方安大略大学的行星科学家凯瑟琳·内什指出，地球早期生命不需要氧气，至少在开始时是这样。事实上，我们的星球在其生命的前半段都处于缺氧状态。地质和基因组线索表明，当时的大多数生命都具有厌氧代谢，并依靠硫、铁和其他海洋矿物质作为氧气的生化替代品，以获得生长、运动和繁殖所需的能量。地球大气层氧气的增加与大约 20 亿年前出现的一种进化创新有关，当时称为蓝藻的微生物发展出产氧光合作用，将气体作为其阳光驱动的代谢的副产品释放出来。然而，即使从那时起，大气中的氧气还需要再过 15 亿年左右才能接近现代水平，从而促进了随后复杂的多细胞生命的出现。
在地球历史的大部分时间里，它的海洋都与大气层进行了不受限制的互动——欧罗巴等海洋无法享受到这种特权，因为它们被厚厚的冰壳覆盖。例如，土星最大的卫星土卫六泰坦的大气层中也含有丰富的甘氨酸，甘氨酸是生命使用的最简单的有机化合物之一。内什领导的最新研究表明，彗星撞击（一种关键的输送机制，会在土卫六表面形成融化的冰池）仅将少量的甘氨酸（因此，大概还有其他有机化合物）倾倒入下方的海洋中。到底有多少？就甘氨酸质量而言，只有“大约一头大象的价值，”JPL 的研究合著者迈克尔·马拉什卡说。“这不多，但不是零。” 这对生命的前景是好消息、坏消息还是中性消息尚不清楚，因为在这些卫星上出现的任何生物都可能具有极其不同寻常的生物化学——而且还因为可能有无数种神秘的方式，让不同数量的营养物质通过冰壳进行海底迁移。“我认为任何数字都不会是绝对的破局者，”马拉什卡说。相反，营养物质的丰度是“我们需要使我们的仪器多么敏感才能寻找‘生命’信号”的有用指标。
“时间快照”
无论是在评估欧罗巴、泰坦还是其他地方的生命前景时，此类研究往往只考虑“时间快照”，而不一定捕捉到世界在数十亿年历史中的变化状态，华盛顿特区国家航空航天博物馆的地质学家艾米丽·马丁指出，她没有参与最近的任何一篇论文。科学家们几乎没有关于欧罗巴或任何其他冰卫星在数十亿年前是什么样子的确凿数据。他们那时是否拥有宜居的海洋——或者，就此而言，他们是否拥有海洋——都是未知的。从地球（一个我们知道在其历史中经历了无数次深刻的全球变化的世界）推断，“没有理由认为任何其他行星体会在 45 亿年的时间里经历不变的大气层，”马丁说。将关于这种动态世界的研究置于时间背景下“真的很难做到。”
随着“朱诺”号探测器现在安顿在绕木星运行的轨道上，它将永远不会再次经过欧罗巴，许多天体生物学家已经在为 2030 年做计划，届时美国宇航局的“欧罗巴快帆”任务预计将在五年半的旅程后抵达木星。“快帆”号与“朱诺”号非常相似，它不会绕欧罗巴或任何其他木星卫星运行。相反，它将绕气体巨行星本身环绕，以避免在木星的硬件破坏性辐射带中停留过久。然而，这种方法仍然可以让轨道飞行器在四年内绕卫星飞行约 50 次，在此期间，它将绘制卫星内部结构图并评估其地下海洋的深度。鉴于这项新研究的发现，“快帆”号甚至可以在它俯冲到欧罗巴冰冻表面上方仅 25 公里处时直接测量氧气的丰度。这些见解将揭示更多关于这个与地球如此不同的冰冷星球上存在的复杂化学物质的潜在关键线索。
“我们不知道我们不知道什么，”马丁说。“每次我们学到新事物，我们都会发现这些地方有多么奇怪。”