外星神秘生命很可能不同于我们已知的生命;生命可能存在于水之外的诸如氨水或甲烷的液体里。事实上,近年来的一些研究表明,在合适的条件下,生命也可能诞生于和我们在地球上所观察到的完全不同的化学环境中——

编者:最近,一则与外星生命有关的信息引起国内外很多人的注意:7月10日,美国国家研究委员会的科学家经过几年讨论,完成了一份名为“行星系统有机生命的限制”的研究报告。报告围绕“生命构成是否有别的样式”这个核心问题,反思了以地球为中心的思考方式,认为人类以自己习惯的对生命模式的理解、搜寻外星生命的努力迄今尚无进展,这至少提醒人类应该以某种新的眼光来理解“生命”,并以此扩大外星生命搜寻范围; 而不久前出版的英国《新科学家》周刊则报道了科学家对外星生命的新研究和新观点。

外星生命想像图一

“氨!氨!”正在匍匐穿越沙漠的外星人气喘吁吁地叫道。这一场景出现在1962年《纽约客》杂志上由罗伯特·格罗斯曼(Robert Grossman)创作的一组漫画中——意思是说如果水不是宇宙中唯一能够维持生命的液体的话将会是多么可笑。可以肯定的是,任何高中生物老师都会告诉你这个想法纯粹是异想天开。

从低等细菌到人类,一切已知的生物都依赖着两种基本的化学物质——碳和水。碳通常被认为是生命的支柱,因为它具有如此罕见的能力:能将基本元素结合为生命体所必需的复杂分子。而水则是所有这些复杂分子运动的媒介,生命体最基本的化学反应都在水中进行。到目前为止,人们还没有发现其他任何液体能取代水的地位。火星和金星探测器也都证明了这一点——它们所发现的贫瘠、无水的环境显然没有想象中的小绿人的踪影。

然而,关于外星生命可能存在于某种奇特化学环境的假设还远没有被否定。在格罗斯曼的白日梦过去45年之后,我们仍然不能排除这样的可能性:也许在宇宙的某个角落,一种奇怪的生物正渴望大喝一口液氨或者液体甲烷来滋润它干枯的嘴唇。事实上,近年来的一些研究表明,在合适的条件下,生命也可能诞生于和我们在地球上所观察到的完全不同的化学环境中。此类工作或许将为人们对地外生命的探寻打开全新的思路,同时也有助于我们更好地认识地球上生命的起源。

外星生命未必需要水

乍一想来,地外生命与地球生命具有相近的形式似乎是顺理成章的事。认为水、碳,甚至蛋白质和DNA这样的特殊分子是维持生命的最佳选择似乎也无可厚非。碳能够在复杂的生物分子中完美地扮演脚手架的角色。碳原子链和氧、氮、氢等元素组成了生命体中的各种大分子,如氨基酸、蛋白质、脱氧核糖核酸(DNA)以及在植物和昆虫体内储存能量和帮助形成牢固结构的多糖。

碳也是宇宙中最常见的元素之一,其含量仅次于氢、氦和氧,因此它总能满足生物的使用需求。在93种自然形成的元素中,只有硅有可能成为“生命支柱”的替代品(参见《沙魔入侵》一文)。

外星生命想像图二

诸如氨基酸和DNA碱基对这样的有机分子已被发现存在于陨石中,而它们正分别是蛋白质和DNA的组成材料。实验证明,这些关键分子能够自发形成于从-80℃到+160℃的广泛温度区间。由此看来,无论在何处碳都是生命核心的说法也不无道理。

接下来我们谈谈水,也就是美国航空航天局(NASA)费尽九牛二虎之力在其他星球寻找的那个东西。“水有太多的特殊性了,”前NASA工作人员、现任职于伦敦BioUpdate基金会的费利克斯·弗兰克斯(Felix Franks)说。水分子擅长运输氢原子,而后者能作为催化剂参与一系列反应,比如将糖进行分解得到能量的过程。同时,水在一个大气压下能以液态存在于一个较大的温度范围内。因此,它是生物分子活动的理想介质——它们总是在水中尽情地漂浮,直到随机碰上一个能和自己发生反应的分子为止。

然而貌不惊人的水分子还蕴含了一个更大的惊喜:高表面张力和低黏度的完美结合。换句话说,虽然雨点打在汽车挡风玻璃上形成的是一颗颗的水滴,但它们流动的速度却远比油滴来得快。正是这个特点使水能够在蛋白质等大分子簇周围形成保护型支架,同时又恰好不妨碍小分子(如糖)的自由穿行,直到它们被消耗为止。没有其他的液体比水更擅长这个角色了。

作为最基本生化反应的摇篮,水毫无疑问是一个神奇的分子,但这并不意味着它必须是唯一的。“水究竟是否生命的必需,我认为值得怀疑,”任职于NASA的行星科学家克利斯多夫·麦凯(Christopher McKay)说。华盛顿州立大学的天文生物学家德克·舒茨-马库斯(Dirk Schulze Makuch)表示同意,他认为地球生命对水的依赖只是偶然:“地球上的生物学会依靠水生存,仅仅因为它是这里唯一存量丰富的液体,我不认为这有多么神奇。”在一个比地球温暖的星球上,也许硫酸就能扮演同样的角色;而在寒冷的环境下,这种液体则可能是甲醇、氨,甚至甲烷。

正当欧洲和美国按部就班地在火星寻找和地球生命相似的、依赖于水的生命时,关于生命不需要水的证据也在日积月累。科学家们通过研究工业生产中酶的使用,发现这些基本的生物催化剂在以液态烃(如己烷)为溶剂的条件下也能发挥作用。也就是说,水可能不如我们想象中那样至关重要。

与此同时,很多人都开始质疑水的独特性。一些其他液体,包括氟化氢、硫酸、氨和过氧化氢等,都能像水一样传递作为重要催化剂的氢离子,因此它们都被视作“生命之泉”的候选者。比如,已经有人推测火星的土壤可能被依赖过氧化氢的微生物占领(参见《再问火星生命》);而金星上则可能居住着喝硫酸的外星人。生命存在于非水溶剂世界并非不可能,至少因为酶还能够在无水环境下正常工作。

“几十年前人们还普遍认为酶一旦离开水就完全失效,”加州大学伯克利分校的生化工程师道格拉斯·克拉克(Douglas Clark)说;“而现在令人吃惊的是,在一些特定条件下,酶在某些非水溶剂中表现得十分活跃。”

克拉克正试图掌握酶的性质,以制备药物合成所需的复杂分子。他在多种溶剂,包括丙酮、二乙醚、甲苯和己烷中测试了酶的活性,并成功地使一些酶在这些溶剂中发挥和它们在水中一样的作用。

其他液体也可能维系生命

诚然,克拉克的“无水溶剂”难免总会有几个水分子混入其中,因此并不能说是绝对的无水环境。并且他还必须给酶提供足够多的盐,以增加带电粒子而弥补水的匮乏。但是请记住:那些酶都是40亿年在有水环境下进化的结果。

况且一些研究已表明,酶对非水溶剂的适应性很强。加州理工学院的一个课题组通过在枯草杆菌蛋白酶(存在于酵母菌的一种酶)中随机引入突变,并在以浓缩的二甲基甲酸为溶剂的条件下筛选最具活性的突变体,得到了比原始酶在该溶剂中活跃500倍的变种。整个过程只经历了5次筛选,原始酶的氨基酸序列仅改变了5%。“目前我们还没有确定酶的极限活性条件,也就是在什么样的溶剂、温度和压力下酶才能正常工作,”克拉克说。

也许很少会有人把二氧化碳和可能支持生命的液体联系在一起。在地球上,二氧化碳通常是气体,而在90个标准大气压下——差不多也就是金星和海王星那样大小的行星上的大气压——它以一种近似液体的状态存在,化学家们称之为超临界状态。简而言之,一杯超临界二氧化碳差不多和水一样沉,而在一个充满超临界二氧化碳的池子中游泳却和在空气中飘浮没什么区别。因为在超临界状态下,二氧化碳分子并不像在普通液体中那样结合紧密。研究者们在超临界二氧化碳中也测试了酶的活性,结果发现它们能和在己烷和二乙醚中一样正常工作。

当然,合适的溶剂只是众多前提中的一个。个别病毒除外,地球生命无不依靠DNA来编码信息,以繁衍后代并维持机体的运作。那么遗传信息的存储是否可能存在其他方式呢?

众所周知,DNA呈双螺旋结构,形状就像一把扭曲的梯子。梯子上的每个横挡都由一对叫做碱基的分子组成。碱基正是DNA中被用于基因编码的那部分。它们共有4种,分别是G、A、C和T,也就是组成所有遗传密码的字母。梯子的支柱则由脱氧核糖组成,它们之间通过带电荷的磷酸基团相连。

生物学家曾乐此不疲地尝试替换DNA分子的不同组成部件,以观察哪些部分才是真正不可或缺的。他们已经发现了几个更换后并不影响DNA正常工作的部分,例如,苏阿糖可以替换脱氧核糖,甚至碱基对也能被其他分子所取代。

DNA之外的选择

但是“目前已知的替换自由度也仅限于此,”来自分子进化基金会的合成生物学家史蒂芬?伯纳(Steven Benner)说。伯纳发现,用电中性基团取代DNA中的磷酸基团将会导致灾难。双螺旋结构变得不稳定,最终“梯子”坍塌成球状并沉淀到溶液底部,就好像酿酒桶里的糟粕。

在这些实验之前,很多人都不明白磷酸基团有什么用,怀疑它们只是进化中留下的又一根鸡肋。现在它们的重要角色终于水落石出。磷酸基团所带的电荷吸引了水分子沿着双螺旋链排列,从而使DNA的形状得以维持。如果没有这些电荷,DNA分子很快就会蜷缩成一团——这恰好又证明了水对我们所熟悉的生命是多么的重要。因此,一个依靠氨或甲烷生存的外星人的“DNA”必然具有迥然不同的结构。DNA中的带电磷酸基团必须被一种油乎乎的东西(比如链烃或芳香烃)所取代,哈佛大学的分子生物学家杰克·索兹塔克(Jack Szostak)说。

有人认为不管在哪里发现生命,遗传规律总不会改变。“(遗传规律的)细微的差异可以想象,但生物界的选择规律毕竟强大,只有最好的才能生存下来,”科罗拉多大学波德分校的生物化学家诺曼·佩斯(Norman Pace)说,他也是美国科学院的天文生物学顾问。这种现象也被研究者们称为“殊途同归”:尽管在生命诞生的初期有很多种生化机理共同存在,但随着时间的演进,进化总是留下最合适的物种,这就给不同星球上生命的存在形式留下了非常有限的可能性。

即使我们发现了一个基于完全不同的化学体系的生命形式——比如基于硅而非碳化学——这种生命可能还是看起来很眼熟。“就算它们由完全不同的原子构成,我敢打赌它们的细胞机理还是和人类的相似,”西雅图华盛顿大学的天文生物学家彼得·沃德(Peter Ward)说。

多数科学家认为外星生命假如存在的话,也只是简单的微生物。如果存在像土豚和斑马那样复杂的物种,那么就更像地球生物了。“(生物的)复杂性依赖于神经系统,”沃德说,“而神经系统需要氧气。”神经细胞是出了名的能量消耗大户。地球上的那些厌氧微生物虽然能以二氧化碳或铁矿为生,但它们从每分子消耗物中获得的能量还不及每分子氧气的一半,有时还不到5%。因此,一个存在类似于脊椎动物的世界多数还是离不开氧气,而温暖的气候才使快速的新陈代谢成为可能——这就又增加了水的必要性。

那么,太阳系里哪里才可能找到真正奇特的生化机制呢?麦凯和舒茨-马库斯都提出土星的卫星泰坦上的微生物——如果存在的话——可能依靠气态乙烯生存,同时释放出废气甲烷(这些微生物的细胞可能充满了液体甲烷或乙烷)。很多人认为,在我们正式向泰坦发射探测器之前,还是应该先进一步了解那里正在发生的与生物无关的化学反应——由此我们才能辨认出哪些是生命的征兆。“泰坦上如果有生命的话,很可能与地球上的截然不同,”舒茨-马库斯说,“只有了解更多信息,我们才能知道要去寻找什么。”