土星的海洋卫星土卫二可以支持生命

土星有146颗已确认的卫星——比太阳系中任何其他行星都多——但一颗名为土卫二的卫星脱颖而出。它似乎具有生命的成分。

从2004年到2017年，卡西尼号——美国宇航局、欧洲航天局和意大利航天局的联合任务——调查了土星、土星环和卫星。卡西尼号取得了惊人的发现。土卫二的直径只有313英里(504公里)，其冰冷的地壳下蕴藏着液态水海洋，横跨整个卫星。

月球南极的间歇泉将海水形成的气体和冰粒喷射到太空中。

尽管卡西尼号工程师没有预料到会分析土卫二主动排放的冰粒，但他们确实在航天器上安装了灰尘分析仪。该仪器单独测量了发射的冰粒，并告诉研究人员有关地下海洋的成分。

作为一名研究土卫二冰粒的行星科学家和天体生物学家，我对这颗卫星或其他冰卫星上是否存在生命感兴趣。我还想了解像我这样的科学家如何检测到它。

生命的成分

就像地球的海洋一样，土卫二的海洋也含有盐，其中大部分是氯化钠，俗称食盐。海洋还含有各种碳基化合物，并且有一个称为潮汐加热的过程，可以在月球内产生能量。液态水、碳基化学物质和能源都是生命的关键成分。

2023年，我和其他科学家在土卫二海洋的冰粒中发现了磷酸盐，这是另一种维持生命的化合物。磷酸盐是磷的一种形式，对地球上的所有生命都至关重要。它是DNA、细胞膜和骨骼的一部分。这是科学家首次在外海中检测到这种化合物。

土卫二的岩石核心可能通过热液喷口与海洋相互作用。这些炽热的间歇泉状结构从海底突出。科学家预测，类似的环境可能是地球上生命的诞生地。

检测潜在寿命

到目前为止，还没有人探测到地球以外的生命。但科学家们一致认为，土卫二是一个非常有希望寻找生命的地方。那么，我们该如何寻找呢?

在2024年3月发表的一篇论文中，我和同事进行了一项实验室测试，模拟航天器上的灰尘分析仪器是否能够检测和识别排放的冰粒中的生命痕迹。

土星卫星土卫二的内部。图片来源：表面：NASA/JPL-Caltech/空间科学研究所;内饰：LPG-CNRS/U。南特/U。昂热。图形构成：ESA

为了模拟太空灰尘分析仪记录冰粒时的检测，我们使用了地球上的实验室装置。使用这种装置，我们将含有细菌细胞的微小水束注入真空中，水束在真空中分解成液滴。理论上，每个液滴都含有一个细菌细胞。

然后，我们向单个液滴发射激光，从而从水和细胞化合物中产生带电离子。我们使用一种称为质谱法的技术来测量带电离子。这些测量帮助我们预测，如果航天器上的灰尘分析仪遇到冰粒中含有的细菌细胞，它们应该发现什么。

我们发现这些仪器可以很好地识别细胞材料。设计用于分析单个冰粒的仪器应该能够识别细菌细胞，即使来自类似土卫二间歇泉的冰粒中的单个细胞成分只有0.01%。

分析仪可以从细胞材料中获取许多潜在的特征，包括氨基酸和脂肪酸。检测到的氨基酸代表细胞蛋白质或代谢物的片段，它们是参与细胞内化学反应的小分子。脂肪酸是构成细胞膜的脂质片段。

在我们的实验中，我们使用了一种名为Sphingopyxisalaskensis的细菌。这种培养物的细胞非常小——与可能能够装入土卫二发射的冰粒的细胞大小相同。除了体积小之外，这些细胞还喜欢寒冷的环境，它们只需要少量的营养物质就能生存和生长，类似于生命适应土卫二海洋条件的方式。

卡西尼号上的特定灰尘分析仪不具备识别冰粒中细胞物质的分析能力。然而，科学家们已经在为未来潜在的土卫二任务设计具有更强大功能的仪器。我们的实验结果将为这些仪器的规划和设计提供信息。

未来的使命

土卫二是美国宇航局和欧洲航天局未来任务的主要目标之一。2022年，美国宇航局宣布，在选择下一个重大任务时，土卫二任务具有第二高优先级，天王星任务具有最高优先级。

该欧洲机构最近宣布土卫二是其下一个重大任务的首要目标。该任务可能包括用于冰粒分析的高性能灰尘分析仪。

土卫二并不是唯一拥有液态水海洋的卫星。木星的卫星欧罗巴在其冰冷的地壳下也有一个横跨整个月球的海洋。木卫二上的冰粒漂浮在地表之上，一些科学家认为木卫二上甚至可能有像土卫二那样的间歇泉，可以将冰粒喷射到太空中。我们的研究还将有助于研究来自木卫二的冰粒。

美国宇航局的木卫二快艇任务将在未来几年访问木卫二。快艇计划于2024年10月发射，并于2030年4月抵达木星。航天器上的两台质谱仪之一，表面尘埃分析仪，专为单个冰粒分析而设计。

我们的研究表明，如果细菌细胞只存在于少数发射的冰粒中，该仪器将能够找到哪怕是极小的部分。

根据这些航天机构的近期计划和我们的研究结果，即将到来的访问土卫二或木卫二的太空任务的前景令人难以置信的令人兴奋。我们现在知道，利用当前和未来的仪器，科学家应该能够查明这些卫星上是否存在生命。

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