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生命印跡

生命印跡（Biosignature），有時稱作化學化石或分子化石是指能提供過去或現在生命科學證據的所有物質如元素、同位素或分子等以及現象[1][2][3]。生命的可探測屬性包括其複雜的物理或化學結構以及對自由能的利用和產出的生物質及廢料。生命印跡可提供地外生物的證據，通過尋找它們獨特的副產品可直接或間接地檢測到它們的存在。

種類 

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一般來說，生命印跡可分為十大類[4]：

  1. 同位素模式：生物活動過程所需的同位素證據或模式。
  2. 化學：生命活動產生的化學特徵。
  3. 有機物：由生命過程形成的有機物。
  4. 礦物：表明生命活動成分和/或形態的礦物或生物礦物相（如生物磁鐵礦）。
  5. 微結構和組織：生物形成的膠結物、微結構、微體古生物和薄膜。
  6. 宏觀物理結構和組織：表明微生物生態系統、生物薄膜（如疊層石）或大型有機體化石的結構。
  7. 時間性變異：表明生命存在的大氣層氣體、反射率或宏觀外觀的變化。
  8. 表面反射特徵：可遠程探測到因生物色素引起的大範圍反射特徵。
  9. 大氣氣體：全球范內可能由代謝和/或水作用形成的氣體。
  10. 技術特徵：表明技術先進文明的特徵[5]。

生存能力

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確定一種潛在的生命印跡是否值得研究是一個非常複雜的過程。在此之前，科學家必須充分考慮所有可能的其它解釋，包括研究其區別於其他行星的獨特微小細節，以及對行星上出現偏離所預期非生物作用過程的理解。對於一顆有生命的行星來說，這些差異可能非常小，或者根本不存在，這就增加了發現生命印跡的難度。多年的科學研究最終形成了三個基本條件：可靠性、生存能力和可探測性[6][7][8][9]。

 
各類行星上氧的偽陽性機制狀況。每個大矩形框中的分子代表了行星大氣光譜的主要促成因素。黃圈中的分子，代表一旦檢測到它們，將有助於確認偽陽性生命印跡。此外，如果檢測不到紅圈所劃掉的分子，則也將可幫助確認偽陽性生命印跡。該配圖出自維多利亞·梅多斯的《2018年氧作為生物標記的研究》[9]。

可靠性

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生命印跡必須能支配所有其他可能產生類似物理、光譜和化學特徵的過程。當研究一個潛在的生命印跡時，科學家必須仔細考慮所有其他可能的生物信號來源。已知有許多生命形式可以模擬地球化學反應。事實上，關於生命起源的理論之一涉及到分子如何利用它們所釋放的能量來催化地球化學反應，其中的一些是已知最早的代謝產物（見產甲烷作用）[10][11]。在此情況下，科學家需要找出地球化學循環中的不平衡，這種不平衡表明一種反應發生的頻率比它應該發生的頻率要高或低，這種不平衡就可解釋為生命跡象[11]。

持久性

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生命印跡必須能維持足夠長久的時間，以便探測器、望遠鏡或人類能夠探測到它。生物有機體利用代謝反應獲取能量的結果是產生代謝廢物。此外，有機體的結構可作為化石被保存下來，我們知道地球上有些化石的年代長達35億年[12][13]。這些副產物可成為極好的生命印跡，因為它們為生命提供了直接的證據。然而，要成為一種可行的生命印跡，這種副產物隨後必須保持完整，以便科學家可以發現它。

可探測性

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作為所研究的生命印跡，它必須能夠被現有的技術檢測到，這似乎是一個顯而易見的基本前提。然而許多情況下，生命可能存在於某一星球，但受人為因素的限制，卻無法被察覺到。

偽陽性

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每一種可能的生命印跡都有與之相關的獨特偽陽機制，或能模擬可檢測生命印跡特徵的非生物過程。這方面的一個重要示例就是以氧作為生命印跡。在地球上，大部分生命都離不開氧，而氧氣是光合作用的副產品，而後被其他形式的生命用來呼吸。氧在光譜中也很容易被檢測到，在相對較寬的波長範圍內有多個波段，因此它是一種非常好的生命印跡。但是，因與之相關的偽陽機制，僅僅在行星大氣層中發現氧氣並不足以證實是一種生命印跡。有一種可能性是，如不可冷凝性氣體量較低或者失去大量水份，氧氣則可通過光解作用以非生物方式積聚起來[14][15]。發現並從其可能的偽陽機制中辨別一種生命印跡是生存能力測試中最複雜的部分之一，因為它需要依靠人類的智慧來打破非生物-生物簡併，如果大自然允許的話。

偽陰性

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與偽陽性相反，偽陰性生命印跡會出現在其它可能存在生命情況的行星上，但那些地方有一些作用使得潛在的生命印跡無法被探測到[16]。這是一正持續不斷研究的問題和領域，以為未來能觀測到系外行星大氣的望遠鏡做進一步的準備。

人類局限性

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此外，探測器和望遠鏡是由大量各有不同關注點的科學家共同合作而成。因此，新的探測器和望遠鏡攜帶了各式各樣的儀器，實際是對所有人特定投入的折中。為了讓各類科學家能夠探測到與生命跡象無關的東西，就可能必須捨棄儀器搜索生命印跡的能力[17]。

示例

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地球微生物學

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深海鑽探計劃獲得的沉積物岩芯微化石電子顯微照片。

地球上的古代記錄讓我們了解到微生物生命產生了怎樣的地球化學特徵，以及這些特徵如何在整個地質期中被保存下來的。一些相關的學科如地球化學、地球生物學和地質微生物學，經常使用生命印跡來確定樣本中是否是或曾存在過生命（有機體）。這些可能的生命印跡包括：(a) 微體化石和疊層石；(b) 有機質中碳、氮和氫的分子結構（生物標記）和同位素成分；(c) 礦物的多種硫氧同位素比值；(d) 氧化還原敏感金屬（如鐵、鉬、鉻和稀土元素）的豐度關係及同位素構成[18][19]。

例如，在樣本中測得的特定脂肪酸可指示生活在這種環境中的是哪些類型的細菌和古菌。另一種示例是浮游細菌產生的含有23個以上原子的長鏈脂肪醇[20]，從這一意義上說，地球化學家通常更喜歡用生物標記這一術語。另一個例子是土壤或沉積物中以烷烴、醇類和脂肪酸形式存在的直鏈脂類，其碳原子數為20-36個。泥炭沉積表明其來源於高等植物的表皮蠟質。

生命過程可產生一系列的生命印跡，如核酸、脂類、蛋白質、氨基酸、油母質物質以及岩石和沉積物中可檢測到的各類形態特徵等[21]。微生物常常與地球化學過程相互作用，在岩石記錄中留下指示生命印跡的特徵，例如，碳酸鹽岩中微米級細菌孔隙在透射光下類似於包裹體，但具有不同的大小、形狀和模式（漩渦狀或樹枝狀），並且其分布不同於普通流體包裹體[22]。一種潛在的生命印跡既可能是由有機生命產生的跡象，但也可能有其他非生物的無機起源。

形態學

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一些研究人員認為，火星艾倫丘陵隕石84001上的這些微結構可能是細菌化石[23][24]。

另一種潛在的生命印跡可能是生物形態學，因為某些物體的形狀和大小可能表明過去或現在存在的生命。例如，火星艾倫丘陵隕石84001中的微磁鐵礦晶體[24][25][26]是該樣本數個可能的生命印跡中爭論最久的一個[27]。對火星艾倫丘陵隕石84001中可能的生物礦化研究，因其形狀類似於已知的細菌，曾被推定為微生物化石，一種可能的生命印跡，但大多數科學家最終得出的結論是，它們太小，不可能成為化石細胞[28]。

從這些討論中形成的一種共識，現在被視為一項關鍵的要求，就是除了支持這些特殊主張的所有形態數據外，還需要進一步的證據鏈[1]。當前，科學界的共識是「形態學本身不能單獨作為探測原始生命的工具」[29][30][31]。形態學的解釋是出了名的主觀，它的單獨使用就導致了無數的錯誤解釋[29]。

化合物

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沒有一種單一化合物能證明生命的存在，相反，單一化合物則是所有有機化合物中某種選擇作用所呈現的獨特模式[32]。例如，降解細胞留下的膜脂將被濃縮，具有有限的尺寸範圍，並且包含偶數個碳。類似地，生命只使用左手氨基酸 [32]。然而，生命印跡不必是化學的，也可以通過獨特的磁性生物信號來暗示[33]。

在火星上，表面氧化劑和紫外線輻射將改變或破壞火星表面或地表附近的有機分子[3]。在此類研究中，一個可能會增加歧義的問題是，毫無疑問在整個火星歷史中，非生物性的富有機質球粒隕石曾雨點般地降落在火星表面。但與此同時，火星土壤中的強氧化劑以及電離輻射的暴露可能又會改變或破壞隕石或生物體的分子特徵[3]。另一種方法是尋找埋藏的結晶礦物豐度，如可保護有機物免受電離輻射和強氧化劑破壞的黏土和蒸發岩[3]。在地球上，生物有機質在古老的水沉積物中得以保存下來，而在火星上，由於也發現了表面和近地表存在同時代的水環境，因此，對火星生命印跡的探尋變得更有前景[3]。

大氣層

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系外行星大氣層的特徵特別重要，因為大氣提供了近期最可能的觀測結果，包括宜居性指標和生命印跡。在數十億年的時間中，行星上的生命過程會產生一種不同於普通化學平衡中形成的化學混合物[34][35]。例如，地球上的生命會產生大量氧氣和少量的甲烷。

由於獨特的生物源色素作用，如光養生物和光合生命形式色素[36][37]，一顆系外行星的顏色或反射光譜也可被用作一種生命印跡。

科學家以地球為例，將從遠處觀察到的它（見暗淡藍點）與太陽系外所觀測的星球進行比較[38]。紫外輻射下的生命形式也可能會誘發可見的生物熒光，這將能被正在開發的新一代空間天文台所探測到[39][40]。

一些科學家曾報告了探測地外大氣中氫和甲烷的方法[41][42]，宜居性指標和生命印跡必須在行星和環境背景下進行解釋[4]，例如氧和甲烷的共同存在可能表明生命產生的極端熱化學失衡[43]。在提出的14000種大氣生命印跡中，有兩種是二甲基硫醚和氯甲烷(CH
3Cl)[35]，另一種生命印跡是甲烷和二氧化碳的組合[44][45]。

金星大氣中探測到的磷化氫被認為是一種可能的生物標誌物。

火星上的甲烷

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主條目：火星甲烷
 
火星上的甲烷（CH4）—可能的來源和降解模式。

火星大氣層中的甲烷是一個正在研究中的領域，也是一個極具爭議的課題。由於大氣層中的甲烷有被光化學破壞的趨勢，而行星上過量存在的甲烷則可能表明必定有一個活躍的來源。由於地球上甲烷最強的來源是生命，因此，觀察另一顆星球上甲烷豐度的不平衡可能是一種探測生命印跡的可行手段[46][47]。

自2004年以來，軌道飛行器和登陸到火星表面着陸器上的各種儀器以及地面望遠鏡，已經多次探測到火星大氣中的甲烷[48][49][50][51][52][53]。這些任務報告的各地體積比（ppbv）「背景水平」變動範圍從0.24ppbv和0.65ppbv[54]直至高達45±10ppbv[50]。

歐空局-俄羅斯聯邦航天局聯合開展的「火星地外生物學任務」（ExoMars）中，「火星微量氣體任務衛星」（Trace Gas Orbiter）搭載的「大氣化學光譜測量組合儀」(ACS)和「掩日與天底點光譜儀」(NOMAD)，在火星兩半球經緯度範圍內都沒探測到甲烷。這些高度靈敏儀器可檢測到濃度為0.05ppbv的甲烷[55]，而這一檢測不到的結果與之前用不太靈敏儀器所觀察到的情況形成很大的矛盾。在目前有關火星大氣中是否存在甲烷的爭論中，這一結果仍將是一個強有力的論據。

此外，目前的光化學模型無法解釋火星大氣中甲烷的存在及它在空間和時間上的快速變化[56]，它的快速出現和消失都還無法解釋[57]。由於根據甲烷中碳-12和碳-14同位素比例可區分生物成因和非生物成因，因此，為排除甲烷的生物成因，未來的探測器或着陸器需要攜帶一台質譜儀，類似應用δ13C標準來辨別地球上生物成因的甲烷一樣[58]。

大氣失衡

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地球表面甲烷的主要來源是生物源產出。甲烷在大氣層中會發生光化學降解，但如果通量足夠大，它就會聚積起來。如在另一顆行星的大氣層中可探測到甲烷，特別是在G或K型主恆星中，就可能被解釋為一種可靠的生命印跡[59]。

大氣中各類氣體豐度的不平衡可以解釋為一種生命印跡。在地球上，生命極大地改變了大氣，其他任何作用過程都不大可能複製。因此，偏離平衡是一種生命印跡的證據[46][47][60][61]，例如，地球大氣中甲烷的豐度比平衡值高出一個數量級，這是因為地表生命不斷的釋放，使甲烷始終維持着恆定的流量[60][62]。根據宿主恆星的不同，另一顆行星上甲烷豐度的不平衡可能預示着一種生命印跡[63]。

不可知的生命印跡

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由於地球生命是唯一已知的生命形式，所以對生命印跡的尋找受到地球上生命產物的嚴重影響。然而，與地球生命不同的生命也可能產生出可被人類探測到的生命印跡，雖然對其特有的生物學一無所知。這種形式的生命印跡被稱為「不可知生命印跡」，因為它獨立於產生它的生命形式。人們普遍認為，所有生命—無論它與地球生命有多麼不同—都需要能量源才能茁壯成長[64]，這必然涉及到某種可用於新陳代謝的化學不平衡[65][46][47]。地質過程是獨立於生命的，如果科學家能夠很好地限定另一顆行星的地質，那麼就能知道該行星特定的地質平衡應該是什麼，而偏離地質平衡則可解釋為大氣失衡和不可知的生命印跡。

反生命印跡

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與探測到生命印跡一樣，找到生命不存在的證據也是對行星的一項重大發現。生命依靠氧化還原反應的不平衡將可用資源代謝成能量。證據表明，由於觀察到的氧化還原失衡，行星上沒有任何東西在利用「免費午餐」，這被稱為反生命印跡[56]。

火星大氣

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火星大氣中含有大量光化學產生的還原分子CO和H2，大部分大氣並非氧化性的，導致了一種生命可利用而未被利用的能量源，如果它們的新陳代謝與這些中的一種或兩種還原性分子相兼容的話。由於這些分子可被觀察到，因此，科學家們將其作為反生命印跡的證據[66][67]，並用這一概念來反駁火星上存在生命的論點[68]。

太陽系內的探索任務

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天體生物探索建立在這樣一個前提之上：太空中所遇到的生物信號將被認為是地外生命。一種生命印跡的可用性不僅取決於它是由可能的生命所創造，也取決於它決非由非生物（無機）過程所產生[69]。概括而言，被發現的地外生命形式（過去或現在）證據，需要證明該可能的生命印跡是由活躍生命或遺骸所產生[1]，與大多數科學發現一樣，生命印跡的發現需要證據積累，直止沒有其他解釋的存在。

一種可能的生命印跡樣本包括在無生命情況下，幾乎無法形成的複雜有機分子或結構[69]：

  1. 細胞和細胞外形態
  2. 岩石中的生物分子
  3. 生物有機分子結構
  4. 手性特性
  5. 生物成因礦物
  6. 礦物和有機化合物中的生物同位素模式
  7. 大氣層氣體
  8. 光合色素

「海盜號」火星任務

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主條目：海盜號着陸器生物探測實驗

上世紀70年代，海盜號火星探測任務進行了首次探訪，目的是尋找另一顆星球上的生命印跡。兩架海盜登陸器都進行了三次生命探測實驗，以尋找新陳代謝的跡象。然而，最終宣布的結果為尚無定論[21][70][71][72][73]。

火星科學實驗室

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主條目：火星科學實驗室任務年表

火星科學實驗室任務的好奇號火星車目前正在評估火星過去和現在環境可能的宜居性，並嘗試探測火星表面的生命印跡[3] 。火星科學實驗室所安裝的儀器包，可檢測以下類型生物信號：生物體形態（細胞、化石本身、鑄型）、生物纖維（包括微生物墊），診斷有機分子、同位素特徵、生物礦化和生物蝕變證據、化學中的空間模式以及生物成因氣體[3]。好奇號探測器的以露頭為目標，最大限度地尋找保存在沉積礦床中的「化石」有機物。 

火星天文生物學任務軌道器

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2016年火星天文生物學任務的火星微量氣體任務衛星是一顆火星通信軌道器和大氣分析儀。它在釋放斯基亞帕雷利EDM登陸器後，開始進入探測軌道，繪製火星上甲烷和其他氣體的來源圖，這將有助為2022年發射的羅莎琳德·富蘭克林號火星車選擇着陸地點[74]。羅莎琳德·富蘭克林號火星車任務的主要目標是通過一台能採集到2米（6.6英尺）深樣本的鑽機，在地表和地下尋找遠離地表輻射破壞的生命印跡[73][75]。

火星2020任務

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火星2020任務於2020年發射升空，旨在調查火星上與天體生物學相關的古老環境，調查其表面地質運動和歷史，包括評估過去的宜居性、過去曾存在過生命的可能性[76][77]。此外，它還將保存最有趣的樣本，以便將來可能送回地球。

土衛六蜻蜓號

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參見：土衛六生命

美國宇航局的蜻蜓號[78]着陸器/飛行器概念計劃於2025年發射，它將在土衛六富含有機物的表面和大氣層中尋找生命印跡的證據，並研究其可能的生命前原始湯[79][80]。土衛六是土星最大的衛星，並被普遍認為有一個由鹹水組成的巨大地下海洋[81][82]，此外，科學家認為土衛六可能具備促進生命起源所必需的化學條件，使其成為發現生命印跡主要的候選地[83][84][85]。

歐羅巴快船

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歐羅巴快船

美國航天局的歐羅巴快船是一艘計劃飛往木星最小的伽利略衛星—木衛二的探測器[86]，它定於2024年發射，以研究木衛二的潛在宜居性。木衛二是太陽系中發現生命印跡的最佳候選地之一，當前的科學共識是它擁有一個地下海洋，其液態水體積達到地球的兩到三倍。地下海洋的證據包括：

  • 旅行者1號（1979年）：拍攝了有史以來木衛二的首張特寫照片。科學家們提出，地表上類似構造的痕跡可能是由地下海洋造成的[87]。
  • 伽利略號（1997年）：探測器上的磁強計探測到了木衛二附近磁場的細微變化。這後來被解釋為由於木衛二上導電層中的電流感應導致預期磁場中斷，這一導電層的組成與鹹水的地下海洋相一致[88]。
  • 哈勃空間望遠鏡（2012年）：拍攝了一張木衛二的照片，顯示有證據表明有一股水汽從木衛二表面噴發出來[89][90]。

「歐羅巴快船」探測器將攜帶檢測地下海洋和厚冰層及其成分構成的儀器，此外，它還將繪製地表地圖，以研究可能由地下海洋所引起的構造活動特徵[91]。

土衛二

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土衛二表面水冰羽流圖，未來的任務將調查這些間歇噴流，以測定其成分並尋找生命跡象。

雖然目前尚未制定探尋土星的第六大衛星—土衛二上生命印跡的計劃，但在那裡發現生命印跡的前景令人興奮，足以推動未來數個可能資助的任務概念。與木星的衛星木衛二相似，有很多證據表明土衛二上也存在地下海洋。卡西尼號探測器於2005年首次觀測到水汽羽流[92][93]，隨後檢測出含有鹽和有機化合物[94][95]。2014年，使用土衛二重力測量獲得了更多證據，得出在木衛二的冰殼下面實際蘊藏着一座大型海洋的結論[96][97][98]。目前已設計的任務概念包括：

所有這些概念任務都有相似的科學目標：評估土衛二的宜居性並尋找生命印跡，與探索土衛二海洋世界的戰略路線圖保持一致[109]。

太陽系外搜尋

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距地球最近的可能宜居的系外行星是2016年發現的比鄰星b[110][111]，兩者相距4.2光年（1.3秒差距，40萬億公里或25萬億英里）。這意味着，一艘以朱諾號（25萬公里/小時）時速持續飛行的飛船，將需要1.81萬餘年才能抵達那裡[112]。換言之，目前派遣人類甚或探測器去尋找太陽系外生命印跡都是不可行的，鑑於這一事實，目前尋找太陽系外生命印跡的唯一方法就是用望遠鏡來觀測系外行星。

儘管它的波長範圍和分辨率仍無法與一些更重要的大氣生命印跡氣體波段（如氧氣）相兼容，但它仍能檢測到一些氧的偽陽性機制證據[113]。

新一代地面30米級望遠鏡（30米望遠鏡和歐洲極大望遠鏡）將能在不同波長下獲取高分辨率的系外行星大氣光譜[114]。這類望遠鏡將能區分一些更難辨別的偽陽性機制，例如通過光解的非生物性氧氣積累。此外，它們的大視場將實現更高的角度分辨率，使直接成像研究變得更為可行。

另請參閱

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參考文獻 

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