2019年9月9日 星期一

天體生物學和尋找外星生命|序

低調的人類從學會抬頭那一刻,就不斷在地球、月球、火星乃至其它銀河尋找自己不特別的證據。


一、Astrobiology 是什麼?


1. Astrobiology 簡介


除了地球生靈以外,宇宙中還有其他生命嗎?無論這個問題的答案是肯定還是否定,都能引發我們省思。假如能找到任何外星生命跡象,那麼我們肯定對其外型感興趣,也會想了解地球生命與外星生命的關係。但如果地球是唯一能孕育生命的星球,所有尋找外星生命的努力都注定是徒勞,這個問題也還沒完。因為我們勢必會感到疑惑,究竟地球有哪些獨一無二的特徵,容許生命在此發源繁盛?

雖然外星生命是想像作品的熱門題材,但在二十世紀中葉以後逐漸興起的天體生物學(Astrobiology,以下譯為天文生物學,理由見第三節)正是以事實與理論為基礎,試圖在太陽系乃至其他銀河搜尋地外生命的科學。

儘管目前未搜索到任何地外生命,鑒於宇宙龐大的規模以及地球生命形成的速度,存在地外生命仍然是合理的想像。何況,天文生物學除了尋找地外生命外,也肩負了解生命定義和地球生命起源的任務。

2. 天文生物學的研究方向


包含尋找地外生命在內,天文生物學有以下三個研究方向。

  • 釐清生命的定義與特質:雖然生命在地球隨處可見,卻難以為生命立下明確的定義,並區隔其與物質的差異。原則上,生命仍受制於物理和化學法則,但以人類目前的科技水準尚無法在實驗室中合成任何現今定義為生命的個體。生命與非生命之間的差異是什麼?人造生命的嘗試還欠缺何種要素?為了回答這些問題,天文生物學的首要目標即是研究生命的特質以了解生命究竟是什麼。
  • 了解地球生命形成的條件與機制:除了比較生命與物質的差異,研究無機物轉變為生命的過程亦有助於了解生命的特性。當物質隨時間逐漸變得複雜,哪一刻起可稱之為生命?在形成生命的許多反應途徑中,何者是關鍵的一步?哪種環境條件是生命形成所必須?哪種環境條件造就了地球生命的特色?天文生物學的目的不只是理解地球生命形成的條件與機制,也試圖以地球生命起源為基礎,探討其它宇宙生命的特徵。
  • 搜索地外的適居環境與生命跡象:理解生命的另一條途徑就是尋找地外生命。地球生命是目前已知唯一的生命形式,所以至今人類只能從僅有的樣本推論所有生命的普遍特徵。如果能夠找到任何地外生命,便能夠比較兩地生物的異同,得知生物的那些特徵是生命的通性,哪些又因形成環境而異,進而促進生命本質的理解。因此天文生物學的第三個研究方向,即是增加生命的樣本數。

總言之,天文生物學的研究方向是了解生命的本質,所以天文生物學一方面從地球生命的起源推論所有潛在生命的共同特徵,另一方面則試圖搜索地外生命以增加推論的依據。達成這些目標仰賴生物學、地球科學與天文學等學科知識,因此雖然天文生物學的主軸是生物,實際的研究課題卻跨越了不同領域。

3. 天文生物學的譯名


了解天文生物學的研究內容後,再來談談天文生物學的名稱。實際上這名稱曾讓許多初次接觸的人感到困惑,以為天文生物學只與望遠鏡有關和顯微鏡無關。

天文生物學在發展初期曾有許多不同的名字,例如萊德柏格 (Joshua Lederberg, 1925 - 2008) 即提倡以 Exobiology(地外生物學)表示研究生命在宇宙中發源、演化和分布的學科。然而國際生命起源研究社群卻對其中搜索地外生命的部分有異議,最終發明Bioastronomy(生物天文學)來描述以望遠鏡搜索地外生命的學問。

不過這兩個名稱的爭議在於,在找到地外生命之前「地外」或是「生物天文」等詞彙是否合宜?

於是到 1997 年,NASA 開始推廣以 Astrobiology 取代 Exobiology 等其它術語。在那之後還有許多關於名稱的爭議,可以閱讀 Lemarchand (2000) 的 A New Era in the Search for Life in the Universe  獲得其它細節。不過如今我們知道,Astrobiology 成為這個學科的主流名稱。

Astrobiology 結合了希臘字 astron(星星或天體)和德國字 Biologie(生物學),字面上解釋作「星星的生物學」,常見譯名有天體生物學、天文生物學或太空生物學等。雖然前述譯名中,天體生物學較其他兩者普及,但 Astrobiology 的研究範圍其實不限於特定天體,還涵蓋了生命在其他宇宙空間的分布與演變,所以我認為「宇宙生物學」較能反映其特質,但宇宙生物學應另指 Cosmobiology 一詞,因此為了顧及字根與學術含意,譯為天文生物學也還算恰當。


二、從天文生物學到廣義生物學


我已經說明了天文生物學的具體目標,接著我將解釋天文生物學的含意。

1. 生命之樹與生物學


如果以系統發生樹描繪歷史上曾經出現過的生物,會發現地球生命化作一棵大樹,真細菌、古菌和真核生物等枝枒最後匯集在名為最後共祖 (Last universal common ancestor, LUCA) 的根部。透過研究這棵樹上各式各樣的生物,造就了當今的生物化學、分子生物學還有演化學等學科。

也因為現今的生物傳承一段共同的演化歷史,所以研究細菌得出的分子機制往往能夠推廣到其他的生物。然而,如果生命在地球形成了數次,我們能否想像其中一支在不受干擾的情況下獨立演化,以至於這種生命形式與已知的生命毫無親緣關係?

這種生命被稱為影子生物圈 (Shadow biosphere) ,牠們或由不同的元素構成,或採不同的遺傳機制和生化過程,奠立於已知生命的現代生物學可能無法直接適用於影子生物圈。

2. 人造生命與合成生物學


然而到目前為止,仍未找到任何影子生物圈存在的證據。原因可能是生命形成時遭逢浩劫導致僅有一支生命形式流傳下來,也可能是生命僅能以地球生命的形式萌生,或僅僅是我們選擇了錯誤的搜索方式。

究竟是何種原因仍未有定論,不過合成生物學的研究方向或許能為此帶來一絲線索。合成生物學涵蓋兩個目標:第一,重組既有生命的組件(例如基因、胞器或細胞等)實踐工程目標。第二,從複雜程度不等的物質試圖合成生命。

人造生命可以在兩方面促進生命的理解:第一,人造生命直接拓展我們對於生命可能形式的見解。第二,製造人造生命雖然不等同地球生命形成的真實過程,但卻可以作為測試生命起源理論的對象。

3. 地外生命與天文生物學


天文生物學則採取跟合成生物學相反的管道,直接搜索可能從地外天體萌生的生命。如同合成生物學,發現任何地外生命都能拓展已知生命的樣本數,也能從地外生命的演化歷程推論地球生命起源的條件與機制。

我想天文生物學家們多少心知肚明,如果我們沒有在太陽系內找到任何其他生命,即使其他恆星系統存在生命,以人類的科技水準也沒有直接研究的指望。因此,儘管天文生物學似乎一再強調「地外」或是「天體」,研究範圍從行星、太陽系以至其他銀河,但天文生物學的基礎不是建立在還沒找到的生命,而是是地球生命本身。

4. 生命之林與廣義生物學


在一系列討論中,我已經提及三種未知的生命形式:於地球上誕生的影子生命、於實驗室誕生的人造生命,還有其他星球誕生的地外生命。這些假設的生命形成了涵蓋許多潛在生命形式的生命空間(類似向量空間的概念。向量空間是給定向量的所有可能組合,生命空間則是給定物質和能量,所有可能形成的生命形式)

目前的生物學專注於生命空間中的地球生命,對於其他潛在生命的解釋能力有限。合成生物學和天文生物學分別透過製造生命和尋找生命拓展我們已知的生命空間,如果這些嘗試取得成果便會多出許多研究標的。如此一來,生物學將不再限於探討地球生命,而會推廣到其他的生命形式,衍生出「星際生態學」或「碳基與矽基比較生物學」等聽起來很科幻的學科。

換句話說,生物學將從研究生命之樹的學科轉變成研究生命之林的廣義生物學。從這個角度看來,合成生物學建造新的生命之樹,天文生物學則連結已經存在的諸多生命之樹,兩者都是廣義生物學的一部份。


三、關於〈天體生物學和尋找外星生命〉


1. 這門課都教些什麼?


〈天體生物學和尋找外星生命〉是愛丁堡大學天文生物學教授既英國天文生物中心的創辦人 Charles Cockell 於 Coursera 平台開設的入門課程,內容涵蓋生命起源、地球生物史以及搜索地外生命等天文生物學核心議題。雖然授課內容淺顯,隨堂考也很簡單,可是舉凡天文生物學的理論背景、科學問題的前提假設或是各項發現的衍伸含意都講得很清楚。

2. 為什麼想修這門課?


我之前註冊過這門課,但一直沒有跟完課程。所以我想趁著目前還沒課務纏身,在接下來幾周陸續在網站上彙整課堂筆記與學習心得,統整過往零碎學習的知識。

此外,這門課也是目前唯二完整涵蓋天文生物學中各項研究議題的線上課(另一門是聖塔菲研究所 Complexity explorer 平台上的 Origin of life),上完課還能申請證書或經選拔擔任助教,對志在攻讀相關學位的我而言,正好能補足過去經歷與目標無關的缺陷。

3. 想怎麼學習這門課?


由於先前已接觸過相關知識,我不想花費太多心思在課程細節上。畢竟回顧型論文或是科普專書的內容必然較通識課詳盡,專注在學過的初階知識無助於進步,想精通天文生物學仍得研讀專門的教材。其次,天文生物學的發展日新月異,課堂講授的內容起碼落後學界前沿十年,強記過時的知識會耽誤學習成效。

因此,我想學習重點聚焦在於天文生物學的理論基礎上。為什麼天文生物學包含了尋找地外生命和研究生命起源兩種分歧的目標?如果沒有找到外星生命,那麼天文生物學究竟在研究什麼?不同領域的知識與天文生物學的目標有何關係?教科書或課堂提及的知識有什麼隱藏含意?我希望自己能釐清這些問題,才不會在閱讀其它專書時見樹不見林。


四、結語


天文生物學的研究目標是了解生命本質,探討生命形成的機制和搜索地外生命。其與合成生物學的研究進展能促進我們對於其他生命空間的理解,將生物學推廣為廣義生物學。

為了統整瑣碎的知識並多加理解學科的理論背景,我註冊了 Coursera 平台上的〈天體生物學和尋找外星生命〉課程,接下來幾周將陸續彙整讀書筆記與心得於網站中。

我希望在這過程中,除了增進自己的知識以外也能留下努力的痕跡,同時幫助其他志於天文生物學的人。

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