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原文作者：Samantha Mathewson

翻譯：尹天任

校對(duì)：王茸

審閱：李宜驊

美編：徐玖坤

后臺(tái)：李子琦

地球上的生命或許要?dú)w功于一次不可思議的幸運(yùn)——在形成過程中，地球恰好處于一種大多數(shù)行星都錯(cuò)過的化學(xué)的“最佳狀態(tài)”。

一項(xiàng)新研究表明，地球在形成時(shí)處于一組異常精確的化學(xué)條件之下，這使得它能夠保留兩種我們所知生命所必需的元素：磷和氮。根據(jù)這項(xiàng)研究，如果沒有這兩種元素的完美平衡，一顆巖石行星可能表面上看起來適宜居住，但實(shí)際上卻根本無法支持生命。

“在行星核心形成期間，必須有恰好適量的氧存在，這樣磷和氮才能留在行星表面，”該研究的主要作者，瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的克雷格·沃爾頓在一份聲明中說道。

新生恒星周圍行星形成盤的藝術(shù)想象圖

來源：NASA/JPL-Caltech

研究人員表示，地球似乎在近46 億年的前形成期間，恰好處于這種微妙的化學(xué)最佳狀態(tài)，而這一新發(fā)現(xiàn)可能會(huì)改變科學(xué)家尋找外星生命的方式。

年輕行星形成時(shí)，通常會(huì)部分或全部處于熔融狀態(tài)。隨著重金屬向內(nèi)部下沉形成地核，較輕的物質(zhì)則停留在靠近地表的位置。在這一被稱為核形成的混亂階段，氧氣含量對(duì)其他元素最終去向、以及這些元素能否留存下來供未來生命使用起著決定性作用。

該研究表明，要讓磷和氮都留在行星的地幔和地殼中，氧氣含量必須處于一個(gè)出人意料的狹窄范圍內(nèi)。氧氣過少，磷會(huì)與鐵結(jié)合并被拖入地核，導(dǎo)致地表缺乏構(gòu)成 DNA、細(xì)胞膜和能量傳遞的關(guān)鍵成分。氧氣過多，氮?jiǎng)t更容易散失到太空中。因此無論哪種情況，生命所需的化學(xué)條件都無法完整形成。

通過對(duì)行星形成和地球化學(xué)行為的模型，研究人員發(fā)現(xiàn)，地球恰好處于這一中等氧氣含量的狹窄區(qū)間內(nèi)，他們將其稱為化學(xué)宜居帶（金發(fā)姑娘區(qū)）。最終，我們的行星保留了足夠的磷和氮，為后續(xù)生命誕生提供了條件 —— 這一結(jié)果在巖質(zhì)行星中可能極為罕見。

“我們的模型清晰表明，地球精準(zhǔn)地處于這個(gè)區(qū)間內(nèi)，” 沃爾頓在聲明中說，“如果在核形成階段，氧氣含量哪怕多一點(diǎn)或少一點(diǎn)，就不會(huì)有足夠的磷和氮來孕育生命。”

反之，研究人員還模擬了火星等其他行星的形成過程，這些行星的氧氣含量超出了這一化學(xué)宜居帶。聲明指出，例如在火星上，模型顯示地幔中的磷含量高于地球，但氮含量更低，這對(duì)我們所知的生命而言構(gòu)成了嚴(yán)苛的生存條件。

這些發(fā)現(xiàn)對(duì)傳統(tǒng)上只關(guān)注宜居帶（恒星周圍液態(tài)水能存在的區(qū)域）的觀點(diǎn)提出了挑戰(zhàn)。雖然水至關(guān)重要，但該研究表明，水可能只是其中一部分。一顆行星即便與恒星距離適中，也可能缺乏生命誕生所需的內(nèi)部化學(xué)物質(zhì)儲(chǔ)備。

關(guān)鍵在于，影響這一過程的氧氣條件，與宿主恒星本身的化學(xué)成分密切相關(guān)。由于行星與恒星由相同物質(zhì)形成，恒星的化學(xué)組成可以初步提示一個(gè)恒星系統(tǒng)能否產(chǎn)生適宜生命存在的行星。

如果研究人員的結(jié)論正確，地球可能并非宇宙中的常態(tài)，而更像是一個(gè)幸運(yùn)的特例—— 一顆在早期就中了罕見化學(xué)頭獎(jiǎng)的行星。以地球?yàn)榛鶞?zhǔn)，有助于科學(xué)家精準(zhǔn)鎖定那些最有可能擁有生命必需元素完美平衡的系外行星。

“這讓在其他行星上尋找生命的目標(biāo)更加明確，” 沃爾頓說，“我們應(yīng)該尋找恒星與我們太陽相似的太陽系。”

『天文濕刻』 牧夫出品

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地球

圖像來源：NASA

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