天體生物學科普（付費）

在目前所有已知的系外行星之中，由恆星 TRAPPIST-1 組成的行星系統一直被視為研究類地行星大氣最理想的對象，而其中的一顆行星 TRAPPIST-1e，因為大小、質量都接近地球，又位在恆星的宜居帶內，被認為是最有機會在表面維持液態水的行星。不過，這一切推論都有一個前提，這顆行星必須真的還保有大氣。若沒有大氣，就不可能穩定存在液態水，也談不上任何宜居性。近期利用 詹姆斯·韋伯太空望遠鏡 （James Webb Space Telescope）進行的觀測，正是為了回答這個最基本卻也最困難的問題。 TRAPPIST-1 的繪圖，前面兩個黑點是行星（圖片來源：NASA/JPL-Caltech， CC0 1.0  公共領域）

在尋找地外生命的研究中，人們往往直覺地認為，只要能在遙遠行星上觀測到類似地球的環境特徵，例如同時存在氧氣、水與甲烷，就足以構成發現生命的強烈證據。其實真正的困難並不在於觀測技術是否足夠先進，而是在於我們是否具備一套能夠合理區分「生命造成的現象」與「非生命也可能產生的現象」的理論框架。若缺乏這樣的基礎，所謂的生命偵測，其實很容易陷入看似合理、實則無法被證實的假陽性困境。 對於系外行星研究，我們基本上不可能直接看到生物本身。與太陽系內的行星或衛星不同，系外行星距離極遠，就比如離我們太陽系最近的恆星 比鄰星 （Proxima Centauri），約在 4.25 光年遠，以目前太空科技來說，大概也要飛 7,000 年才能抵達。所以無法對系外行星進行地表採樣，也難以執行反覆驗證的探測任務。因此，天體生物學家能依賴的訊息，大多來自行星大氣的光譜特徵、反射率或隨時間變化的訊號。這些資料本質上只是顯示行星處於某種非平衡狀態，而非直接揭示背後的驅動機制。問題在於，非平衡並不是生命專屬的標誌，許多地質、化學或光化學過程同樣可以在沒有生命的情況下，產生看似生物風格的結

在土星最大的衛星 土衛六 （Titan）上，大氣中瀰漫的橘褐色有機薄霧，一直被視為可能提供前生物分子（prebiotic molecules）所需的分子原料。這些由氮氣與甲烷等分子在高能量作用下形成的粒子，成分複雜，含有胺基酸、核鹼基等許多與生物分子有關的物質。不過土衛六表面時常遭受彗星或小型天體撞擊，強烈的撞擊會產生高溫高壓，也會在冰雪覆蓋的地殼上形成可維持長達數萬年的融冰水池。這類環境可能促成前生命化學的反應，但劇烈撞擊如何影響薄霧粒子中的分子，過去並沒有清楚的實驗證據。

隨著太空探測器、無人探測車、電波望遠鏡、資料分析技術的進步，我們所能觸及的宇宙資訊愈來愈多，而人工智慧的加入，更讓龐雜的宇宙訊號與化學資訊得以在短時間內被整理與辨識。儘管如此，人類至今仍未能確認外星生命是否存在，但一系列來自隕石、太空探測、電波訊號、歷史記錄與 AI 分析的資料，正逐步堆疊起可能的線索，也揭示了生命或許不僅侷限於地球這個舞台。 第一類證據來自隕石。19 世紀在法國墜落的 奧蓋爾隕石 （Orgueil），是科學界最早引起激烈爭論的案例。這顆含有高比例有機物與水分的碳質球粒隕石中，不僅觀察到胺基酸、葉綠素降解物等被視為「強力生物指標」的分子，更在高倍顯微鏡下看到大量形態類似微化石的結構。雖然早期有研究者質疑這些構造可能來自地球污染或礦物生成的假象，但後續研究逐步排除了花粉等污染的可能性，表明這些有機分子與組織結構確實源自隕石本體，並在它脫離母體天體前就已形成。

金星今日的環境炙熱難耐，地表平均溫度高達約 750 K（476.9°C），任何已知生命都無法在這樣的條件下存活。但這並不代表金星自始至終都毫無生命可能。從太陽系形成至今，金星經歷漫長的變化，其早期面貌很可能與今日截然不同。當早期太陽仍較昏暗時，金星其實位在傳統宜居帶的中央位置，這讓科學家得以認真思考，金星是否曾經出現過可讓液態水長期存在的時期，甚至曾具備適合微生物繁衍的條件？這些問題不僅揭露金星本身的謎團，也讓我們有機會重新審視地球的早期狀態，並反思生命在行星上的存在條件究竟有多脆弱。

近年天體生物學的研究逐漸意識到，生命的出現不只是環境能否讓生命存活，而是是否具備讓生命開始的條件。這個概念稱為 生命起源事件 （origin of life event），這與傳統的「適居性」有根本上的區別，前者強調生命從無到有形成所需的化學、能量與環境條件；後者則著重生命出現後是否能長期存活。 從 1970 年代 維京號 （Viking）任務開始， 美國國家航空暨太空總署（NASA）追尋火星生命跡象的過程使科學界首次正視到，要判斷一個世界是否有生命，絕不能只靠單一證據。維京號雖然沒有找到明確生命證據，但它為火星地表與大氣的基本認識奠定基礎。隨後的探索逐漸聚焦在「尋找水」，因為水是所有已知生命共同使用的溶劑。這些任務包括 航海家 1, 2 號 （Voyager 1, 2）看到 木衛二 （Europa）的表面地質特徵，懷疑可能有海洋、 卡西尼-惠更斯號 （Cassini-Huygens）在 土衛二 （Enceladus）的冰羽流裡偵測到水、氫氣與複雜有機物，以及在火星發現的冰與液態水地質證據。另一方面，系外行星研究在 1990 年代後蓬勃發展，從第

土衛二（Enceladus）是土星的第六大衛星，長期以來被視為太陽系最備受矚目的海洋世界之一，這片海洋是由水組成，而真正讓它成為焦點的，是來自南極裂縫的冰羽流（ice plume）。這些冰粒不是表面風化後的殘留物，是從地底深處的海洋中被推送上來，穿過大裂縫直接噴入太空。 卡西尼-惠更斯號 （Cassini-Huygens）在第五次（E5）對土衛二做近距離飛掠任務時，曾留下珍貴的冰粒質譜資料；那次掠過的速度高達 17.7 公里每秒，使冰粒在撞擊 宇宙塵分析器 （cosmic dust analyzer）時，以極高能量碎裂，產生了大量可被分析的離子。這些冰粒只離開海洋幾分鐘，因此可以視為直接來自海洋的原始樣本，未經太空風化。其化學成分能讓我們一窺土衛二海底世界的性質。 土衛二（圖片來源：Justin Cowart， CC0 1.0  公共領域）

近年生命起源研究的發展逐漸與行星科學結合，研究者開始重新審視不同星球是否具備適合生命萌發的條件。生命可能不是偶然出現在某個神祕角落，而是在明確的物理化學環境下，遵循著某些基本步驟逐步累積而成。所以理解生命起源的合理場景，不僅是為了回望地球自身的歷史，更是為了增加我們在火星、木衛二、土衛二甚至系外行星搜尋生命的成功率。 當前最受重視的兩大生命起源假說分別聚焦在截然不同的環境，一個是 深海海底熱泉 ，另一個則是 陸地淡水熱泉 。看似互相競爭的兩個說法，其實著眼點完全不同。海底熱泉模式關注如何在深海的化學與能量梯度中形成生命的基本原料；而陸地熱泉模式則著重於如何讓這些原料組裝成具有遺傳與能被環境自然篩選的 原始細胞 （protocell）。兩種環境都提供能量來源、化學梯度與豐富的礦物表面，但也各自帶來限制。因此，理解兩者的優勢與困難，能讓我們更準確評估生命在其他星球上是否可能出現。

若從事探索系外行星生命，人們最常想到的是尋找星球是否存在氧氣等生命正在製造或需要的氣體。但在真正的生命出現之前，行星的大氣其實已經可能充滿一些對生命誕生至關重要的分子。這些物質被稱為 前生物訊號分子 （prebiosignature molecules），它們不是生命本身的產物，而是生命的前置材料。例如在地球生命剛萌芽的那段時間裡，各種前生物反應需要水、甲烷、硫化物、氨、氰化氫等物質作為基礎。如今，希望透過太空望遠鏡，在遙遠的系外行星上找到這些分子的痕跡，藉此推測那顆行星是否具備生命可能出現的化學條件。這項工作並不簡單，因為這些分子通常含量很低，而且它們的光譜訊號會與大氣中的其他氣體互相干擾。有一項研究就是要知道如果我們用詹姆斯·韋伯太空望遠鏡觀測一顆行星，它的大氣中至少要有多少濃度的某種前生物訊號分子，我們才有機會真正看得出來前生物訊號分子是否存在於該行星大氣。

生命會代謝、會成長、會反應環境刺激、能夠繁殖並傳遞遺傳資訊，具備某種內在的自我組織能力，也在一定程度上具備演化所需的複製與變異機制。這些看似明確的條件，其實都只是我們從地球生命的實際樣貌倒推出來的結論。其中真正值得深入思考的，不只是生命在地球上最初是什麼，而是生命在可能邊界內能成為什麼。也就是說，生命的起源問題並不是單純問「生命如何開始」，而是問「在物理與化學許可的範圍內，生命有哪些可能的形式，或許地球上的生命只是其中一個實現」。 而生命能夠存在，原因不在地球或生物分子的特殊命運，它的形成建立於一系列嚴格的化學與物理制約。要理解古代地球上生命能否誕生，必須先理解有哪些化學組合是被允許的，又有哪些根本不可能在當時的環境下形成。這些限制既來自物質層面的物理化學定律，也來自行星尺度的地質過程。我們必須同時考量能量來源、物質循環、化學穩定度，以及早期地球在高溫、高壓甚至高輻射條件下可能形成的化學反應路徑。

1977 年 8 月 15 日，俗稱大耳朵（Big Ear）的俄亥俄州立大學電波天文臺捕捉到一個至今仍無法複製的神秘訊號，著名的 Wow! 訊號。它以強烈的窄頻能量、靠近 1,420 MHz 21公分線（hydrogen line，氫線）位置，以及 72 秒的明顯強度，被視為可能來自地外文明的候選訊號。四十多年後，即使各種電波望遠鏡進行了數次追蹤，都未曾再度偵測到相同的訊號，讓這段僅出現一次的紀錄成為 SETI（搜尋地外文明計劃，search for extraterrestrial intelligence）歷史中的謎團。不過，阿雷西博 Wow!（Arecibo Wow!）計畫以阿雷西博天文台的觀測資料重新分析，提出一個完全來自自然天文現象的解釋，能同時符合 Wow! 訊號的所有特徵，也重新定義了我們對「假陽性技術訊號」的認知。

TRAPPIST-1恆星系統的推測圖示（感謝NASA/JPL-Caltech提供）

天體生物學顧名思義是一門研究宇宙生命的學科，目的是想知道除了地球之外，其他星球是否也存在著生命，或者適合人類移居。研究人員們致力於尋找符合上述條件的天體。這其中最常受到關注的就是行星了，不只在太陽系中，研究人員對於適居行星的尋找放到一切可觀測到的恆星系上。然而，事實上並不只行星有可能存在生命，衛星也是人類尋找地外生命的一個重要探索目標。 觀測衛星相較於行星來說困難許多，研究人員主要關注的衛星都集中在太陽系內。太陽系的各個衛星中有少數幾顆衛星被認為可能擁有生命，其中就包含了木星的木衛二與土星的土衛二。之所以認定這些衛星擁有生命，主要是其內部很可能含有液態水組成的海洋，而液態水是生物出現的必要條件。 木衛二（感謝NASA提供）

火星（圖片來源：ESA & MPS for OSIRIS Team MPS/UPD/LAM/IAA/RSSD/INTA/UPM/DASP/IDA，採用  CC BY-SA 3.0  授權） 太陽系中的適居帶（habitable zone）（圖一）範圍不僅包含地球，也涵蓋了火星。但由於火星的內核已經冷卻，無法產生熱對流，因此磁場消失，無法像地球一樣有效防禦太陽風的侵襲。使火星的大氣容易被太陽風剝離至太空中，導致大氣極為稀薄，進而使火星表面的環境變得寒冷而乾燥。儘管如此，火星上仍殘存部分水資源，主要以冰的形式存在，大氣中也含有少量的水蒸氣。美國國家航空暨太空總署（NASA，National Aeronautics and Space Administration）根據火星表面類似水流沖刷形成的條痕，推測約40億年前的火星可能擁有海洋（當時火星尚有磁場）（圖二）。這一推論讓人激起了火星是否曾經存在過生命的問題。