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泰坦是土星最大的衛(wèi)星土衛(wèi)六,，是有機(jī)分子的溫床,，孕育著復(fù)雜碳?xì)浠衔锏幕旌衔铮@些碳?xì)浠衔锉徽J(rèn)為在40億年前的原始地球上也有存在,。然而，泰坦表面在零下179攝氏度處于深度凍結(jié)狀態(tài),，科學(xué)家所知道的生命不可能存在于泰坦寒冷的表面,。在泰坦地下深處則是另一回事，美國宇航局卡西尼號宇宙飛船在飛行過程中進(jìn)行的重力測量顯示,，泰坦冰蓋下有一片海洋,、 在泰坦這片海洋中,，可能存在適合生命生存的條件。由美國國家航空航天局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家,，領(lǐng)導(dǎo)一個(gè)由美國國家航空航天局資助的研究小組，正在尋求更好地了解泰坦海洋中生命存在的可能性,，以及它與泰坦大氣和表面有機(jī)分子之間可能存在的關(guān)系,。泰坦豐富多樣的有機(jī)分子是太陽紫外線照射的產(chǎn)物，紫外線與泰坦大氣中的主要?dú)怏w(氫,、甲烷和氮)發(fā)生化學(xué)反應(yīng),。 由此產(chǎn)生的復(fù)雜碳?xì)浠衔锟赡苁巧M成部分，或?yàn)樯峁┗瘜W(xué)營養(yǎng),，而在其海洋泰坦內(nèi)部,，蘊(yùn)藏著這種生命的潛在棲息地。由噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的Rosaly Lopes領(lǐng)導(dǎo),，NAI團(tuán)隊(duì)的四個(gè)主要目標(biāo)是確定泰坦這些有機(jī)分子如何在大氣,、表面和海洋之間運(yùn)輸，然后在海洋中發(fā)生什么過程使其適宜居住,，然后海洋生物產(chǎn)生什么生物特征,，最后這些生物特征如何運(yùn)輸回表面，在那里它們可以被檢測到,。 泰坦衛(wèi)星項(xiàng)目探索計(jì)劃到2023年4月為止,，該項(xiàng)目已經(jīng)由印度國家自然科學(xué)研究院資助了5年。該項(xiàng)目圍繞有機(jī)分子和生物特征穿過大氣和海洋周圍冰層的路徑進(jìn)行組織,。該團(tuán)隊(duì)目前有30名科學(xué)家分布在多個(gè)機(jī)構(gòu),，在每個(gè)目標(biāo)下，有幾個(gè)研究,，每個(gè)研究有一個(gè)首席科學(xué)家,。每一項(xiàng)研究都是按照時(shí)間表進(jìn)行,，因此，對第一個(gè)目標(biāo)的研究（有機(jī)分子的運(yùn)輸）所產(chǎn)生的結(jié)果可以用于后續(xù)目標(biāo)研究,?？茖W(xué)是沿著有機(jī)分子的路徑，從形成的大氣層頂部向下穿過地殼進(jìn)入海洋,，如果那里發(fā)生了生物學(xué)現(xiàn)象,，那么這些有機(jī)分子是如何回到地表并變得可見的。 目標(biāo)1：運(yùn)輸該研究項(xiàng)目的初步科學(xué)成果來自康納·尼克松和在NASA戈達(dá)德團(tuán)隊(duì),，利用智利阿塔卡馬大型毫米/亞毫米陣列(ALMA)研究泰坦大氣的化學(xué)成分,。準(zhǔn)確地知道在大氣中發(fā)現(xiàn)的分子種類，使研究人員能夠建立一個(gè)全面的大氣光化學(xué)模型,，為了解什么有機(jī)物能夠到達(dá)表面并可能進(jìn)入海洋奠定基礎(chǔ),。科學(xué)家對土衛(wèi)六大氣層的了解大多來自卡西尼號飛船,，特別是CIRS紅外光譜儀,。然而有些分子物種在紅外光譜中太微弱而不能被CIRS探測到，但是它們對ALMA來說要亮得多,。 科學(xué)家們特別提到了幾種氰化物分子,，CH3CN、C2H3CN和C2H5CN,，它們是阿爾瑪能夠探測到的泰坦大氣中關(guān)鍵含氮分子,。同時(shí)，卡西尼號和阿爾瑪號還發(fā)現(xiàn)了更多種類的分子,。后者探測到微量有機(jī)氣體的空間變化,，這些氣體是由太陽紫外線分解甲烷和分子氮而產(chǎn)生。隨著這些微量氣體在大氣中向地表漂移,，可以與其他有機(jī)分子發(fā)生反應(yīng),，形成越來越復(fù)雜的有機(jī)物。因此,，所觀察到的空間變化可能會(huì)影響表面有機(jī)物的豐度和類型,，以及哪些有機(jī)物接近進(jìn)入亞表面的通道。 卡西尼號觀測土衛(wèi)六半年,，從北方冬季到北方夏季,，到現(xiàn)在卡西尼號的任務(wù)早已經(jīng)結(jié)束，阿爾瑪將能夠觀察土星和土衛(wèi)六剩余年份的大氣變化,，以及有機(jī)分子豐度是如何變化的,。例如，美國國家地質(zhì)調(diào)查局團(tuán)隊(duì)對卡西尼號數(shù)據(jù)的分析發(fā)現(xiàn)，泰坦平流層中的丙烷和丙基等C3Hx碳?xì)浠衔锎嬖诩竟?jié)性變化,。作為目標(biāo)1的一部分,，剩下的研究包括了解分子在析出大氣層后是如何穿過表面運(yùn)輸，這是康奈爾大學(xué)亞歷克斯·海耶斯(Alex Hayes)領(lǐng)導(dǎo)的一項(xiàng)任務(wù),，下一步是了解有機(jī)物在表面是如何被修飾的,，然后它們是如何從表面移動(dòng)到海洋。 后一個(gè)問題產(chǎn)生了一種令人驚訝的可能性,。到目前為止,，該項(xiàng)目的主要成果之一是來自德克薩斯州西南研究所的Kelly Miller, Hunter Waite和NAI團(tuán)隊(duì)成員Christopher Glein的研究，該研究提出泰坦的氮大氣來自于在泰坦形成時(shí)被困在泰坦內(nèi)部的有機(jī)分子,，隨后這些氣體的加熱釋放出氮,，并滲透到地表。研究表明泰坦內(nèi)部已經(jīng)有有機(jī)物可以從下面進(jìn)入海洋,，所以即使有機(jī)物不能從表面進(jìn)入海洋，海洋仍然可以包含生命的構(gòu)建塊,。這些有機(jī)物實(shí)際上可能是通過低溫火山作用滲透上來,，這也為泰坦表面的一些有機(jī)物創(chuàng)造了一個(gè)可能的起源。 目標(biāo)2：宜居性如果泰坦存在有機(jī)物穿過冰層從表面進(jìn)入海洋的途徑,，那么下一步就是要弄清楚海洋,，或者在通往海洋旅程中冰層中的任何地方，是否有可能適合人類居住,，這就是研究高壓,、耐寒生物體生物學(xué)家們發(fā)揮作用的地方。在這之前,，科學(xué)家需要對海洋有更多的了解,，盡管卡西尼號通過重力測量證實(shí)了海洋的存在，但不知道海洋的確切組成,，如密度,，熱剖面，以及冰蓋的整體結(jié)構(gòu),。 為了更好地了解土衛(wèi)六泰坦海洋及其潛在的可居住性,，科學(xué)家從幾種可能存在的合理成分入手，然后逆向研究,，建立理論模型,。盡管直接探索土衛(wèi)六泰坦的深層或海洋可能是不可能的，但科學(xué)家們打算利用理論建模和實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)來模擬可能的條件,，以便更好地理解冰殼和海洋之間的界面,，以及巖石內(nèi)核的海洋和這些界面上氧化劑和還原劑的流動(dòng)，這些界面可能支持微生物。 目標(biāo)3：生命生存為了使生命能夠在泰坦海洋中或附近生存,，必須有一種化學(xué)能量的來源來代謝,。在目標(biāo)1和目標(biāo)2中所做的研究基礎(chǔ)上，科學(xué)家將研究有機(jī)物質(zhì)到達(dá)海洋的情況以及海洋環(huán)境,，然后將能夠構(gòu)建理論模型,，計(jì)算海洋中有多少能量可用，以及在這些條件下可能存在的代謝,，從而判斷生命在那里存活的可能性,。假設(shè)泰坦海洋是可居住的，有化學(xué)能源和健康的有機(jī)物供應(yīng),，高壓和低溫環(huán)境可能會(huì)限制那里可能存在的各種生命形式,。 然而，科學(xué)家認(rèn)為一個(gè)合適的例子是乙炔桿菌,，它可以依靠乙炔作為唯一的代謝能量和碳源生存,。科學(xué)家的研究目標(biāo)是把乙炔桿菌作為模型生物,，它可能存在于土衛(wèi)六的深層地下,。將進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)，將乙炔桿菌等微生物置于上述理論模型所描述的模擬環(huán)境中,，觀察微生物是否能在其中茁壯成長,，了解它們?nèi)绾芜m應(yīng)以生存，以及這些適應(yīng)可能產(chǎn)生何種新型生物分子,。 這些生物分子可能會(huì)留下生物特征——生命的分子痕跡,。然而，盡管土衛(wèi)六泰坦海洋中可能存在生命是很好的,，但科學(xué)家還需要能夠通過生物特征探測到生命,。因此，了解生命可能留下的生物標(biāo)志物是目標(biāo)3的第二部分,，并將建立一個(gè)潛在生物特征數(shù)據(jù)庫,，包括碳、氮和氧的同位素,，以及細(xì)胞膜中的脂質(zhì)等生物結(jié)構(gòu),。 目標(biāo)4：檢測當(dāng)然，如果這些生物特征仍然存在于土衛(wèi)六泰坦海洋中,，就不可能從軌道或表面探測到,。因此，最終目標(biāo)是尋找一種方法,，通過這種方法,，這些生物特征可以被運(yùn)送到海洋表面——這與目標(biāo)1探索有機(jī)物從海洋表面到達(dá)海洋的方式相反。主要運(yùn)輸方式可能是向上上升的對流冰(即較暖的泥狀冰)，或者可能是低溫火山作用,。大氣中的甲烷會(huì)被紫外線破壞,，所以必須有一些補(bǔ)充，而且可能還在排放毒氣,。雖然還沒有在泰坦上發(fā)現(xiàn)活躍的低溫火山活動(dòng),，但已經(jīng)確定泰坦表面的幾個(gè)特征可能是低溫火山。 科學(xué)家們已經(jīng)在研究低溫火山作用運(yùn)輸物質(zhì)的理論方法,，期待著當(dāng)目標(biāo)3的結(jié)果可用時(shí),。到地表的運(yùn)輸過程中也能創(chuàng)造適宜居住的環(huán)境。深層冰層,，不僅指的是海洋,，還指沿著有機(jī)物質(zhì)進(jìn)出冰層路徑上可能存在的儲(chǔ)藏庫。特別是在地表以下7到30公里的地方,，在堅(jiān)硬,、易碎的冰和更有韌性、更軟的冰之間的邊界上,，溫度和壓力可能與南極洲地下2到3公里處的溫度和壓力有些類似,，在冰蓋冰粒之間可能存在微小的空間，在那里,，乙炔桿菌等微生物可以茁壯成長。比冰蓋更接近地表也意味著從這些地下生命口袋中得到的生物標(biāo)記物更容易到達(dá)地表,。 當(dāng)生物特征在冰殼中上升時(shí)，遇到不同環(huán)境（液態(tài)水,、淤泥狀冰和固態(tài)冰）將如何在化學(xué)上發(fā)生改變,，從而影響在表面上所能探測到的東西。最后,，一旦到達(dá)地表,，未來的泰坦探測任務(wù)將如何探測到這些生物標(biāo)志物？科學(xué)家研究的最終目標(biāo)是描繪出土衛(wèi)六泰坦上潛在的生物圈,，這樣科學(xué)家們就知道當(dāng)再次土衛(wèi)六泰坦時(shí),，應(yīng)該尋找什么，設(shè)計(jì)什么儀器來探測,。這是科學(xué)家們的大目標(biāo),，試圖評估土衛(wèi)六泰坦是一個(gè)潛在的宜居系統(tǒng)，將創(chuàng)建一個(gè)潛在生物標(biāo)志物的列表,，并試圖指出在火星表面的哪個(gè)地方，可能是尋找生命的好地方。
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