对外星生命最热切的搜寻地点是外太阳系中几颗寒冷的卫星，已知它们各自冰冷的外壳下都蕴藏着液态水海洋。土星的卫星泰坦，在冰冻的表面下隐藏着一层厚厚的咸水，表面点缀着液态烃湖。土星的姊妹卫星恩克拉多斯已经通过从其南极附近裂缝中喷出的间歇泉状羽流揭示了其地下海洋。羽流也从一颗离太阳更近的卫星中喷出：木星的欧罗巴，它拥有一个巨大的水深，按体积计算，它使地球所有海洋的总和都相形见绌。这些水生外星场所中的每一个都可能是“第二次创世纪”的发生地，即与数十亿年前地球上发生的那种生命出现。
天体生物学家现在正在进行多项行星际任务，以了解这些含海洋的卫星是否真的拥有不仅仅是水的东西——即，适宜居住性，或生命产生和蓬勃发展所需的细微地球化学条件。 例如，美国宇航局配备仪器的欧罗巴快帆号探测器可能会在 2030 年开始其对木星神秘卫星的轨道探测。另一项任务，一个名为蜻蜓的核动力飞行无人机，计划最早于 2036 年在泰坦上着陆。然而，尽管这些任务令人印象深刻，但它们只是未来努力的序幕，这些努力可能更直接地寻找外星生命本身。但是在那些与我们自己的世界截然不同的奇异无阳光的地方，天体生物学家将如何识别生命？
通常情况下，科学家在这些搜索中寻找的“生物特征”是行星上生命过去或现在存在的微妙化学示踪剂，而不是像从岩石中伸出的化石形态或挥手问候的绿色小矮人那样明显的东西。例如，美国宇航局毅力号火星探测车上的仪器可以探测其着陆点：耶泽罗陨石坑（一个可能包含过去生命证据的干涸湖床）内及其周围的有机化合物和盐类。在 2020 年秋季，一些天文学家通过望远镜研究金星，可能已经梳理出那里磷化氢气体的存在，这可能是漂浮在行星大气层温带区域的假定微生物的副产品。
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问题在于，许多简单的生物特征既可以由生物产生，也可以通过非生物地球化学过程产生。地球上大部分磷化氢来自微生物，但金星上的磷化氢（如果它确实存在的话）可能与火山喷发有关，而不是与云层中的外星生态系统有关。这种歧义可能会导致误报，即科学家认为他们看到了生命，但实际上并不存在生命的情况。与此同时，如果生物体的生物化学和生理学与地球生物截然不同，那么科学家可能会遇到误报，即他们没有识别出生命，尽管他们有证据表明生命的存在。特别是在思考外太阳系海洋卫星等明显外星世界上的生命前景时，研究人员必须仔细地在两种相互关联的危险之间航行——天体生物学的斯库拉和卡律布狄斯。
然而，现在，最近发表在《数学生物学通报》上的一项研究提供了一种新颖的方法。论文作者表示，通过将注意力从特定的化学示踪剂（如磷化氢）转移到生物过程如何重组整个生态系统中的物质这一更广泛的问题上，天体生物学家可以阐明新型的、不太模糊的生物特征。这些线索将适用于发现各种可能的生命形式——即使这些生命采用了极其非地球的生物化学。
衡量一场变革
这项研究依赖于化学计量学，它测量细胞和生态系统化学中出现的元素比例。研究人员从观察细胞群中的化学比例变化具有惊人的规律性开始。这种规律性的经典例子是雷德菲尔德比率——地球海洋中浮游植物大量繁殖表现出惊人一致性的氮磷平均比例为 16:1。其他类型的细胞，例如某些类型的细菌，也表现出其自身特征性的一致比例。如果细胞内化学比例的规律性是生物系统的普遍属性，无论是在这里还是在宇宙中的任何其他地方，那么仔细的化学计量学可能是最终发现外星生命的关键。
然而，重要的是，这些元素比例会随着细胞大小而变化，从而可以额外检查另一个世界上任何奇怪的一致但可能是非生物的化学比例。例如，在细菌中，随着细胞变大，蛋白质分子浓度降低，而核酸浓度增加。圣塔菲研究所的研究员克里斯·肯佩斯解释说，与非生物粒子群不同，生物粒子将显示“随细胞大小系统变化的比例”。肯佩斯领导了这项新研究，该研究扩展了圣塔菲研究所的共同作者西蒙·莱文之前的研究。诀窍是设计一个通用理论，精确地说明各种大小的细胞如何影响元素丰度——这正是肯佩斯、莱文及其同事所做的。
他们关注这样一个事实，即至少对于地球生命来说，当流体中的细胞大小增加时，它们的丰度会以数学模式化的方式减少——具体来说，以幂律形式减少，其速率可以用负指数表示。这表明，如果天体生物学家知道流体中细胞（或类细胞粒子）的大小分布，他们就可以预测这些物质中的元素丰度。本质上，这可能是一个强有力的秘诀，可以确定一组未知的粒子，例如欧罗巴海水样本中的粒子，是否含有任何生物。“如果我们观察到一个系统，其中粒子的元素比率和大小之间存在系统关系，并且周围的流体不包含这些比率，”肯佩斯解释说，“我们就有一个强烈的信号表明该生态系统可能包含生命。”
水质测试
这项研究对这种“生态生物特征”的强调是数十年来缓慢酝酿的探索的最新进展，旨在将生命不仅与物理学和化学的基本局限性联系起来，而且还与生命出现的特定环境联系起来。毕竟，假设温暖的岩石行星阳光照射的表面上的生物与那些栖息在海洋卫星黑暗深处的生物具有完全相同的化学生物特征，这将是有些天真的。“思想、方法一直在不断发展，这非常重要，”美国宇航局首席科学家吉姆·格林解释说，他没有参与这项新研究。“现在我们正在进入一个时代，我们可以追求我们所知道的生命进化方式，并将其作为一般原则应用。”
那么，将这种更全面的生物特征方法应用于我们对欧罗巴、泰坦和恩克拉多斯等世界的研究需要什么呢？格林解释说，目前，这需要的不仅仅是太空机构的欧罗巴快帆轨道飞行器——也许后续的表面任务就足够了。“通过快帆，我们希望进行更详细的测量，飞越羽流，研究欧罗巴随时间的演变，并捕获高分辨率图像，”他说。“这将把我们带到下一步，即到达地面。这就是下一代想法和仪器需要进入的地方。”
寻找肯佩斯及其同事描述的生态生物特征将需要测量原生流体中细胞大小分布和化学成分的仪器。在地球上，科学家用来按大小对细胞进行分类的技术称为流式细胞术，它在海洋环境中经常使用。但是，在外星卫星的地下海洋中进行细胞计数比仅仅向那里发送仪器要困难得多：由于那些缺乏阳光的深渊中可用的能量稀少，科学家们预计那里的任何生命都将是单细胞的、非常小的且相对稀疏的。要首先捕获此类生物体，将需要仔细过滤，然后需要精密的流式细胞仪来测量此大小范围的粒子。
中央康涅狄格州立大学的生物化学家和天体生物学家莎拉·毛雷尔解释说，我们目前的流式细胞仪无法胜任这项任务，她没有参与这项研究。许多种类的细胞根本无法被拾取，并且“有些细胞类型需要进行广泛的制备，否则它们无法通过细胞仪，”她说。为了在太空工作，用于过滤和分类细胞的仪器既需要在地球上进行改进，又需要为太空飞行而小型化。
根据这项研究的共同作者、美国宇航局资助的不可知生物特征实验室和该机构的戈达德太空飞行中心的希瑟·格雷厄姆的说法，在这两个方面都已取得进展。她说，下一步将是在全球边缘可居住的野外地点部署新工具，这些地点是地球上一些最极端和最贫瘠的生态系统的所在地。一旦天体生物学家开始常规地辨别与我们星球平静水域中生物生态系统相关的独特化学比率，他们就可以微调适用于太空飞行的设备的规格——并且，也许最终，揭示第二次创世纪，它写在地下海洋化学的数学中。