生命的第一項重大突破，或許沒有想像中那麼戲劇化。真正揭開生命存在證據的關鍵，很可能來自火星岩石中的幾種分子、木星或土星衛星冰層中的一小粒冰晶，甚至是從冰封海洋下方噴出的水柱。

最近發表於《Nature Astronomy》的新研究提出了一種辨識全新的「生命特徵（biosignature）」的方法。這項研究由以色列與美國團隊合作、並由以色列魏茲曼科學研究院（Weizmann Institute of Science）執行，提供了一種相對簡單的新策略，有望協助科學家回答人類長久以來最深層的問題之一：宇宙中只有我們嗎？

長久以來，科學家一直試圖尋找所謂的「生命特徵」，也就是能夠作為生命存在證據的化學或物理訊號，藉此區分哪些物質源自生物活動，哪些只是一般的非生物化學反應。目前常見的方法包括分析分子的左旋與右旋比例（手性分子），或比較不同同位素的比例。可惜地是要正確解讀這些訊號，通常必須先了解樣本是如何形成、又經歷了哪些演化過程，而這些資訊在地球外的樣本中往往難以取得。此外，太空探測器能攜帶的分析儀器有限，從其他星球取得的樣本也很少是完整且未受污染的；宇宙中的輻射可能改變分子結構，地質作用有時也會產生與生物活動相似的化學特徵；隨著時間推移，有機物還可能分解、混合或遭受污染。更大的挑戰在於「有機物」並不等於「生命」。像胺基酸等有機化合物，即使沒有任何生物參與，也可能單純來自於化學反應的自然形成。

研究共同主持人、魏茲曼科學研究院地球與行星科學系教授Itay Halevy表示，他們的方法所具有的價值，在於它能夠更容易判斷有機物究竟來自生命活動，還是只是太陽系形成初期自然生成的有機化學物質。這項研究由魏茲曼科學研究所博士後研究員Gideon Yoffe博士主導，他結合統計學、生態學與行星科學等不同領域的方法進行研究。團隊成員還包括美國加州大學河濱分校（University of California, Riverside）的Fabian Klenner博士，以及以色列耶路撒冷希伯來大學（Hebrew University of Jerusalem）的Barak Sober博士。Yoffe博士指出，目前許多搜尋地外生命的方法都有一項共同限制：它們通常需要對有機物進行繁複的前處理，或依賴高度專業的分析技術，而這些工作目前還無法直接在太空探測任務中完成。研究團隊因此提出的新方法，刻意避開複雜的化學分析，改以觀察分子的統計規律作為判斷依據。這套方法源自於生態學，原本是用來評估不同棲地中物種多樣性的分析工具。具有統計學與資料科學背景的Yoffe，則將它重新應用到天體生物學（Astrobiology）領域。

研究的核心概念在於分析分子多樣性（molecular diversity）。

生命會依照不同功能重新組織化學物質。有時會增加分子的多樣性，有時則會降低，使特定分子更加集中。研究團隊認為探索地外生命，不能只關注某一種特定分子是否存在，而是分析整體分子群的統計分布、種類豐富度，以及各類分子的相對豐度，藉此判斷樣本是否曾受到生命活動影響。為了驗證方法的可靠性，研究團隊分析了超過100種有機與無機樣本，其中包括距今約30億年的地球岩石、恐龍蛋殼、封存在琥珀中的恐龍羽毛化石，以及日本「隼鳥2號」與美國「OSIRIS-REx」任務分別從龍宮（Ryugu）與貝努（Bennu）兩顆小行星帶回的珍貴太空樣本。

研究團隊首先將焦點放在胺基酸，也就是構成蛋白質的基本單位。即使沒有生命存在，胺基酸也可能透過較簡單分子彼此碰撞而自然形成。然而在太空環境中，這類碰撞發生的機率相當低，因此越複雜、分子量越大的胺基酸，自然生成的可能性也越低。換句話說，在沒有生命參與的化學反應中，最容易形成的通常是結構較簡單的胺基酸，而愈大型、愈複雜的胺基酸則會隨著複雜度增加而愈來愈少見。生物體為了維持正常功能，即使必須消耗更多能量，也會持續合成生存所需的各種分子。生命活動所留下的分子組成，不會只是隨機或由機率決定，也不一定會由最簡單的胺基酸為主構成蛋白質，而是呈現具有功能性的特殊分布。

研究結果顯示，與非生物形成的樣本相比，生命所產生的樣本在分子組成的多樣性上始終更高。更重要的是，這項差異不僅存在於胺基酸，也同樣出現在脂肪酸（fatty acids）之中，顯示這種多樣性訊號反映的是生命合成化學物質時所留下的一種普遍特徵，而非僅適用於某一類分子。Halevy教授言簡意賅地描述此研究的核心概念：生命會製造自己運作所需要的各種基本分子。

這套新方法，源自一項名為「Eureka」的以色列太空任務構想。Kaspi教授，Halevy教授，Yoffe博士及其合作團隊，正與以色列航太產業共同推動這項計畫，希望未來能發射一艘小型太空探測器，前往太陽系一至兩顆冰封衛星，首要目標是木星的木衛二（Europa），另一個可能目標則是土星的土衛二（Enceladus）。在這兩顆衛星厚厚的冰層下，都被認為隱藏著廣闊的地下海洋。參與任務規畫的還包括以色列航太工業公司（Israel Aerospace Industries，IAI）太空部門，目前正負責探測器的設計工作。Kaspi教授表示，這些隱藏在冰層下的海洋格外引人注目，因為其中的環境條件很可能適合生命誕生。未來的探測任務，有機會直接取得地下海洋中的物質樣本，包括來自海底熱液噴口附近所產生的各種分子。地球上的深海熱泉，被認為是生命可能起源的重要場所之一，因此若在其他天體發現類似環境，也將成為尋找地外生命的重要目標。

Kaspi教授指出，這項方法另一項優勢，在於不需要昂貴且複雜的分析設備。只要能測量不同分子的相對含量，例如質譜儀（mass spectrometer），就足以應用這套分析方法。研究團隊規畫中的實際探測方式，聽起來仍帶有幾分科幻電影色彩。探測器將利用雷射照射外星冰層，再觀察冰中的分子受到激發後所發出的螢光訊號。透過分析這些光譜，科學家便能辨識是否存在複雜胺基酸及其他可能攜帶生命特徵的化合物。

這項方法最大的優勢之一，在於即使樣本曾歷經漫長而複雜的演化過程，依然有機會辨識生命留下的訊號。無論樣本曾受到高溫、宇宙輻射、長時間風化，或冰層作用改變，都不會讓這套方法完全失效。太空是一個極其嚴苛的環境，尤其是木星附近。由於木星擁有非常強大的磁場，高能粒子會持續轟擊衛星表面，不斷改變冰層中的化學成分。一套能夠在樣本遭受嚴重改變後，仍能辨識生命跡象的方法，對未來的太空探測而言顯得格外重要。

以色列航太工業公司（IAI）也表示，除了科學研究價值之外，也希望前往木星與土星冰封衛星的探測任務，能成為激勵下一代科學家與工程師的重要契機。IAI發言人表示他們相信每一位關注探測器旅程的兒童，都將因此受到啟發，進一步探索宇宙，並在未來推動以色列下一波科學與科技創新。

研究團隊也強調，這套分析方法並不限於冰封衛星。未來同樣可以應用於隕石、小行星採樣，甚至是火星古老岩石等各種地外樣本。從某種角度來看，這項研究將串聯起目前搜尋地外生命的各種嘗試與努力，包括望遠鏡分析遙遠系外行星大氣中的星光訊號、太空探測器前往小行星與彗星採樣、墜落地球的隕石分析，以及火星探測車鑽探數十億年前形成的岩石。

如果有一天，人類真的發現地外生命，「第一次接觸」的定義或許將被徹底改寫。它未必伴隨來自外星文明的訊息，也不一定會聽見任何問候，更可能不是電影中描述的人類與外星人面對面相遇。真正的第一次接觸，或許只是靜靜地發生在一組科學數據之中，由研究人員從一群分子的統計分布，辨識出生命存在的蛛絲馬跡。即使沒有任何聲音，也沒有任何來自星際的問候，那仍將是人類史上最具震撼性的發現之一。凡是與尋找地外生命有關的事物，都深深吸引著許多人，也包括Yoffe博士，他認為如果真的能利用這種方法發現地球之外的生命，那將會是人類有史以來最令人振奮的科學發現之一。

資料來源：

https://wis-wander.weizmann.ac.il/space-physics/aliens-amino-acids