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科学家发现了全新的地外生命探测方法,灵感竟然来源于“照镜子”

2021-09-25  观海览书

目前天体生命探测采用的基本方法

    目前科学家们对于地外生命的探测,往往都是通过发射探测器进入目标星体轨道或者软着陆实现的。对于距离地球比较近的天体,比如月球和火星,我们能够通过着陆在地表的探测器,来监测星体表面的基本特征,如温度、大气浓度和组分、土壤结构和成分,同时探索发现是否存在液态水的踪迹。

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    以地球生命为蓝本,科学家在地外生命探测中,往往以液态水的存在作为最核心要素,随后才是温度、大气和磁场等指标。

    这样的生命探测模式,说白了是一种间接的“倒推”方法,即是将适用于地球生命的基本条件,来套用在目标星体之上,然后把相关要素的情况组合起来,最终形成是否具备生命体存在可能的基本判断。也就是说,只能辨别出生命存在的可能性,但还做不到精准地监测生命体到底存不存在,或者存在哪个地方。

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    为了能更直接地探测出生命存在的“踪迹”,瑞士伯尔尼大学和国家研究能力中心共同组成的一个研究团队,打破了上述传统的生命探测模式,实施了一种全新的、直接的探测方法。

生命的“同手性”原则

    在化学领域,有个“手性”的概念,指的是一个物体及其分子,不能与它的镜像相重合的性质。之所叫“手性”,我们不妨抬起自己的双手,左手和右手在整体形状上几乎完全相同,但是却是左右相反的,他们不可能以相同的方向完全重叠在一起。左手和右手其实是一组镜像,当物体本身与它的镜像不能重叠时,我们称这个物体具有“手性”特征。

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    如果在分子层面,一种分子类型具备“手性”特征,那么它们就能够以两种不同的形式存在,不同形式的分子可以视为互为“镜像”,一个呈现左手性,一个呈现右手性,即使它们的原子种类和数目完全相同,但是分子的空间结构却完全不同,从而呈现出不同的物化性质。

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    构成生命体的基础物质,比如氨基酸和糖类,绝大部分的类型也都呈现出“手性”特征。比如,构成蛋白质的20种氨基酸,有19种都具备手性。令科学家感到震惊的是,在非生物反应中生成的氨基酸,其左手性和右手性基本上是等量的,而在活体生物中,氨基酸几乎全部是左手性的。

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    除此之外,构成生命体另一关键要素-糖类,几乎全都是右手性的,这里面就包括构成DNA的脱氧核糖。由于糖类手性的单一性,使得DNA呈现出只朝一个方向旋转,从而形成“右旋”DNA。在所有的碳基生命中,都遵循着这一规律。因此,生命体的“同手性”原则,使其成为了一种生命的“印迹”,为探测生命的存在提供了另外一种思路。

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用于探测生命特征的特殊仪器

    受到上述生命体“同手性”原则的启发,研究团队发现,当光线照射到生命体之后,发生发射时一部分电磁波将会以顺时针或者逆时针的方式螺旋式进行传播,在物理学上,这种现象叫“圆偏振”,它是由构成生命体分子的同手性引起的。而作为非生命体来说,光线照射上面发生反射后,则不会产生光的螺旋性。

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    由于这种光线的反射造成的“圆偏振”十分微弱,仅占到了总发射光线的1%左右,为了更好地进行观测,研究团队开发出了一种分光偏振计,由特殊的镜头以及光线接收器所组成,通过这种仪器,可以将发射的圆偏振光和其它光线完美地分开。

    这种观测仪器,在研制成功之初,监测的条件比较苛刻,只有在距离待测目标20厘米以内时,才能检测到信号,而且还得需要在同一地点、花费几分钟的持续观测,才能得到满意的结果,显然这样根本不能满足远距离的生命探测需求。后来,研究团队经过数年的攻关,将这一仪器进行了升级改造,观测的距离得到了大幅提升,而且信号接收也更快、更稳定,从而具备了从空中监测地面的圆极化测量。

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    研究团队将这种特殊的仪器,送上直升机,从距离地面数公里的高度,对地面进行了观测,结果发现,仪器在几秒钟的时间内,就收到了来自草地、森林以及人群的圆极化信号,而对于道路和建筑来说,则没有反馈任何这种信号。与此同时,使用相同的仪器观测模式,研究者居然还从湖泊中检测到了来自藻类发出的圆极化信号。该试验的成功,标志着科学家们已经掌握了从高空探测地面生命体关键特征的技术。

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这一技术的未来展望

    当然,这项生命体特征圆极化信号监测技术,绝不仅仅从地球的高空来检测地面上的生命信号(比如可以与卫星遥感相配合,探测地球表面的森林和草原覆盖度变化、植物病虫害、藻类数量及分布、珊瑚礁的演化等),而是有着更为远大的愿景,那就是发射到地外星体的轨道之上,来检测生命体存在的特征信号。

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    研究团队下一步的计划是,对监测仪器进行更加全面和系统的升级,使其能够从国际空间站上进行观测,来检视在几百公里的高度探测生命特征的能力,从而评估进行行星尺度生命体特征的可行性。

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    如果试验取得成功,那么这项技术,将在太阳系内各大行星、卫星上面寻找生命体的探测任务中,发挥出巨大的提质增效作用。未来,伴随着深空探测、能源应用领域技术的发展,在太阳系以外来寻找系外生命体方面,也将会大有作为。

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