天体生物学：历史，研究对象和重要性 - 生物学

该天体生物学或宇宙生物学是生物学的一个分支，与上下文中的生命的起源，分布和动态交易的两个我们的星球，因为整个宇宙。那么我们可以说，作为一门科学，天体生物学对宇宙而言，什么生物学对地球而言。

由于占星生物学的作用范围广，其他科学也汇聚其中，例如：物理学，化学，天文学，分子生物学，生物物理学，生物化学，宇宙学，地质学，数学，计算机，社会学，人类学，考古学等等。

图1.对生命与太空探索之间联系的艺术诠释。资料来源：NASA / Cheryse Triano

天体生物学将生命视为可能是“普遍的”现象。它处理其可能的上下文或场景；其要求和最低条件；涉及的过程；它的扩张过程；在其他主题中。它不仅仅限于智能生活，而是探索每种可能的生活。

天体生物学史

天体生物学的历史也许可以追溯到人类作为一个物种的起源，并开始质疑地球上的宇宙和生命。由此产生了今天仍然存在于许多民族的神话中的第一批愿景和解释。

亚里士多德的愿景

亚里士多德式的视野将太阳，月亮，其余的行星和恒星视为绕我们公转的完美球体，在我们周围形成同心圆。

这种构想构成了宇宙的地心模型，并且是标志着中世纪人类的概念。那时，在我们星球之外存在“居民”的问题可能还没有道理。

哥白尼观

在中世纪，尼古拉斯·哥白尼提出了他的日心说模型，该模型将地球放置为另一个行星，围绕太阳旋转。

这种方法深刻地影响了我们观察宇宙其余部分甚至观察自己的方式，因为它使我们处于一个可能不像我们想象的那样“特殊”的地方。然后，可能存在其他与我们相似的行星，以及与我们已知的行星不同的生命。

图2.哥白尼的日心系统。来源：公共领域，通过Wikimedia Commons

外星生命的最初想法

法国作家和哲学家伯纳德·勒·博维耶·德·丰特内尔（Bernard le Bovier de Fontenelle）在17世纪末已经提出生命可以存在于其他行星上。

在18世纪中叶，与启蒙运动相关的许多学者都在撰写有关地球外生命的文章。甚至包括莱特（Wright），康德（Kant），兰伯特（Lambert）和赫歇尔（Herschel）等当时的顶级天文学家都认为可以居住行星，卫星甚至彗星。

这就是19世纪开始于大多数学术科学家，哲学家和神学家的方式，他们共同相信几乎所有行星上都存在外星生命。基于对科学界日益增长的科学理解，这在当时被认为是合理的假设。

太阳系天体之间的压倒性差异（就其化学成分，大气，重力，光和热而言）被忽略了。

但是，随着望远镜功能的增强以及光谱学的到来，天文学家开始了解附近行星大气的化学性质。因此，可以排除附近的行星被类似于陆地生物的生物所居住。

天体生物学研究对象

天体生物学专注于以下基本问题的研究：

生活是什么？
生命如何在地球上出现？
生命如何进化和发展？
宇宙其他地方有生命吗？
地球和宇宙中其他地方（如果存在）的未来是什么？

这些问题引起许多其他问题，所有这些问题都与天体生物学的研究对象有关。

火星作为研究和太空探索的典范

红色行星火星一直是太阳系中外星生命假说的最后堡垒。在这个星球上存在生命的想法最初来自19世纪末和20世纪初的天文学家的观察。

他们认为，火星表面的标记实际上是一群聪明生物建立的通道。这些图案现在被认为是风的产物。

任务

Mariner太空探测器是1950年代后期开始的太空时代的典范，这个时代使得直接观察和检查太阳系中的行星和月球表面成为可能。因此排除了太阳系中多细胞且易于识别的外星生命形式的主张。

1964年，NASA的水手4号任务发送了火星表面的第一张特写照片，显示出基本上是沙漠的行星。

但是，随后对火星和外行星的飞行任务使这些物体及其卫星的详细视图成为可能，尤其是在火星的情况下，对它们的早期历史有了部分了解。

在各种外星环境中，科学家们发现的环境与地球上的人类居住环境没有太大不同。

这些首次太空任务的最重要结论是用化学和生物学证据取代了推测性假设，从而可以对其进行客观地研究和分析。

火星上有生命吗？使命

首先，水手任务的结果支持了火星上生命不存在的假设。但是，我们必须考虑正在寻求宏观生活。随后的任务使人们对缺乏微观生命产生了怀疑。

图3.维京任务的轨道和地面探测。来源：Don Davis，通过Wikimedia Commons

例如，在维京任务的地面探测器进行的旨在检测生命的三个实验中，两个为阳性，一个为阴性。

尽管如此，大多数参与维京探针实验的科学家都认为，没有证据表明火星上有细菌存在，而且结果尚无定论。

图4.维京任务的着陆探测器（兰德）。资料来源：NASA / JPL-Caltech /亚利桑那大学，通过Wikimedia Commons

任务

继维京号任务颇具争议的结果之后，欧洲航天局（ESA）于2003年启动了“火星快车”任务，该任务是专门为生物生物学和地球化学研究而设计的。

该任务包括一个名为“小猎犬2号”（与查尔斯·达尔文所乘船同名）的探测器，旨在寻找火星浅水面的生命迹象。

不幸的是，该探测器与地球失去了联系，无法令人满意地执行其任务。1999年，NASA的探测器“火星极地着陆器”也遭遇了类似的命运。

任务

经过这些失败的尝试，2008年5月，NASA的凤凰号任务到达火星，仅用了5个月便取得了非凡的成绩。他的主要研究目标是外生物学，气候学和地质学。

该探针能够证明以下各项的存在：

在火星大气中下雪。
冰的水在这个星球的上层之下。
pH在8到9之间的碱性土壤（至少在接近下降的区域）。
过去在火星表面的液态水

火星的探索仍在继续

如今，借助高科技机器人仪器继续进行火星探索。流浪者的任务（MER-A和MER-B）提供了令人印象深刻的证据，表明火星上有水活动。

例如，已发现淡水，沸腾的泉水，浓密的大气层和活跃的水循环的证据。

图5.火星表面上的火星漫游者MER-B（机遇）图。资料来源：NASA / JPL /康奈尔大学，Maas Digital LLC，通过Wikimedia Commons

在火星上，已经获得证据表明，在2004年至2018年活跃的MER-B（机遇）漫游者发现的液态水存在下，一些岩石已经成型，例如Jarosite。

罗孚MER-A（好奇号）测量了甲烷的季节性波动，甲烷的波动一直与生物活性有关（数据于2018年在《科学》杂志上发表）。他还发现了有机分子，例如噻吩，苯，甲苯，丙烷和丁烷。

图6.火星甲烷水平的季节性波动，由火星的MER-A（好奇号）测量。资料来源：NASA / JPL-Caltech

火星上有水

尽管火星的表面目前不宜人，但有明显的证据表明，在遥远的过去，火星的气候使液态水（我们所知道的生命必需成分）积聚在表面。

流浪者MER-A（好奇心）数据显示，数十亿年前，大风火山口内的一个湖泊包含了生命所必需的所有成分，包括化学成分和能源。

火星陨石

一些研究人员认为火星陨石是有关地球的良好信息来源，甚至暗示存在天然有机分子，甚至还有细菌的微化石。这些方法是科学辩论的主题。

图7. ALH84001陨石内部结构的显微图，显示了类似于杆菌的结构。资料来源：NASA，通过Wikimedia Commons

这些来自火星的陨石非常稀有，代表了唯一可直接分析的红色星球样本。

紫精，陨石和彗星

有利于研究陨石（以及彗星）的一种假设被称为泛精子症。这包括以下假设：过去，地球的殖民化是由这些陨石内部的微生物发生的。

今天，也有一些假说表明陆地水来自过去轰炸过我们星球的彗星。此外，据信这些彗星可能带来了原始分子，从而使生命得以发展，甚至使已经存在于其中的生命得以发展。

最近，2017年9月，欧洲航天局（ESA）成功完成了于2004年发射的Rosseta任务。该任务包括对67P / Churyumov-Gerasimenko彗星进行探测，并用费拉探测器进行探测并绕轨道运行，然后下降。该任务的结果仍在研究中。

占星生物学的重要性

费米悖论

可以说，激发天文学生物学研究的原始问题是：我们独自在宇宙中吗？

仅银河系就有数千亿个恒星系统。这个事实，再加上宇宙的年龄，表明生命应该是我们银河系中的一种普遍现象。

围绕这个话题，诺贝尔奖获得者物理学家恩里科·费米（Enrico Fermi）提出了一个著名的问题：“每个人都在哪里？”他在午餐时曾问过，在那里讨论了星系应该充满的事实。生活。

这个问题最终引起了以他的名字命名的悖论，它以下列方式陈述：

SETI计划和寻找外星情报

费米悖论的一个可能答案可能是，我们所考虑的文明确实存在，但我们并未寻找它们。

1960年，弗兰克·德雷克（Frank Drake）与其他天文学家一起启动了“搜寻外星智能（SETI）”计划。

该计划与NASA共同努力，寻找诸如无线电和微波信号之类的外星生命迹象。如何以及在何处寻找这些信号的问题导致了许多科学领域的巨大进步。

图8. SETI在波多黎各阿雷西博使用的射电望远镜。来源：JidoBG，来自Wikimedia Commons

1993年，由于对搜索含义的误解，美国国会取消了为此目的向NASA提供的资金。今天，SETI项目由私人资金资助。

SETI项目甚至催生了好莱坞电影，例如由演员朱迪·福斯特（Jodie Foster）主演的《接触》（Contact）等电影，并受到世界著名天文学家卡尔·萨根（Carl Sagan）创作的同名小说的启发。

德雷克方程

弗兰克·德雷克（Frank Drake）使用以他的名字命名的表达方式估算了具有沟通能力的文明数量：

N = R * xf _p xn _e xf _l xf _i xf _c x L

其中N代表具有与地球交流能力的文明数量，并表示为其他变量的函数，例如：

R *：与我们的太阳相似的恒星形成速率
f _p：这些具有行星的恒星系统的分数
n _e：每个行星系统的类地球行星的数量
f _l：生命发展的行星比例
f _i：产生智力的分数
f _c：符合通信条件的行星所占的比例
L：这些文明的“生命”期望。

Drake将该方程式公式化为“确定”问题的工具，而不是进行具体估算的要素，因为其许多术语都很难估算。但是，已经达成共识，它倾向于抛出的数字很大。

新场景

我们应该注意，当制定德雷克方程时，几乎没有证据表明太阳系外的行星和卫星（系外行星）。在1990年代出现了系外行星的第一个证据。

图9.开普勒望远镜。资料来源：NASA，通过Wikimedia Commons

例如，美国国家航空航天局（NASA）的开普勒（Kepler）任务检测到3,538位系外行星候选者，其中至少1,000名被认为处于考虑中的系统的“宜居区域”（允许液态水存在的距离）。

天体生物学与地球尽头的探索

占星术的优点之一是，它在很大程度上激发了探索我们自己星球的愿望。希望通过类比来理解其他环境中生活的运作。

例如，对海底热液喷口的研究使我们第一次观察到与光合作用无关的生活。就是说，这些研究向我们表明，有些系统中的生命不依赖阳光，而阳光一直被认为是必不可少的要求。

这使我们可以设想在可能存在液态水但在厚厚的冰层下的行星上可能存在的生命，这将阻止光到达生物体。

另一个例子是对南极干旱谷的研究。在那里，他们获得了能够在岩石内部庇护的光合作用细菌（内分解细菌）。

在这种情况下，岩石既可作为支撑又可抵御该地点的不利条件。在盐滩和温泉中也发现了这种策略。

图10.南极的麦克默多干旱谷，地球上最类似于火星的地方之一。资料来源：美国国务院，通过维基共享资源

天体生物学观点

迄今为止，科学探索地球外生命的努力还没有成功。但是随着天体生物学研究产生新的见解，它变得越来越复杂。未来十年的天体生物学探索将看到：

加大力度探索火星以及木星和土星的冰冷卫星。
观测和分析太阳系外行星的空前能力。
在实验室中设计和研究更简单的生命形式的更大潜力。

所有这些进步无疑将增加我们在类地行星上寻找生命的可能性。但是也许，地球外生命不存在或如此分散，以至于我们几乎没有机会找到它。

即使后一种情况是正确的，对天体生物学的研究也日益拓宽了我们对地球生命及其在宇宙中的地位的看法。

参考文献

Chela-Flores，J。（1985）。进化是一种集体现象。理论生物学杂志，117（1），107-118。doi：10.1016 / s0022-5193（85）80166-1
Eigenbrode，JL，Summons，RE，Steele，A.，Freissinet，C.，Millan，M.，Navarro-González，R.，…Coll，P.（2018）。火星大风火山口中30亿年前的泥岩中保存的有机物。科学（Science）360（6393），1096-1101。doi：10.1126 / science.aas9185
高盛（AD）（2015）。天体生物学：概述。在：科尔布，维拉（eds）。天体生物学：一种进化方法CRC出版社
Goordial，J.，Davila，A.，Lacelle，D.，Pollard，W.，Marinova，MM，Greer，CW，……Whyte，LG（2016年）。接近南极干旱山谷永久冻土中微生物生命的寒冷极限。ISME杂志，10（7），1613-1624。doi：10.1038 / ismej.2015.239
弗吉尼亚州的克拉斯诺波尔斯基（2006）。与火星上甲烷的起源有关的一些问题。伊卡洛斯，180（2），359–367。doi：10.1016 / j.icarus.2005.10.015
LEVIN，GV，&STRAAT，PA（1976）。维京标记释放生物学实验：中期结果。科学194（4271），1322-1329。doi：10.1126 /科学194.4271.1322
伊利诺伊州十凯特（2018）。火星上的有机分子。科学（Science）360（6393），1068-1069。doi：10.1126 / science.aat2662
韦伯斯特，华润，马哈菲，公关，阿特雷亚，SK，摩尔，JE，弗莱希，GJ，马勒斯平，C。，…瓦萨瓦达，AR（2018年）。火星大气中甲烷的背景水平显示出强烈的季节性变化。科学（Science）360（6393），1093-1096。doi：10.1126 / science.aaq0131
怀特威（JA），康姆（Komguem），L。迪金森（Dickinson），库克（Cook），伊尔尼基（Illnicki），M。，西布鲁克（Seabrook），J….史密斯（PH）（2009）。火星水冰云和降水。科学，325（5936），68-70。doi：10.1126 / science.1172344

天体生物学：历史，研究对象和重要性 - 生物学 - 2025