外星住的不是“人” 應以新的眼光重新理解生命

外星生命可能存在於諸如氨水或甲烷的液體裏

最近，兩則與外星生命有關的資訊引起國內外很多人的注意：

首先是美國宇航局研製的新一代火星探測器“鳳凰”號于8月4日成功發射，開始其為期10個月、長達6.8億公里的太空之旅，“鳳凰”號此行的使命是前往火星北極點取樣，以了解當地環境是否適合原始生命存在。這也是人類旨在搜尋外星生命的最新努力。

另一則是，美國國家研究委員會的科學家經過幾年討論，在今年7月10日完成了一份名為“行星系統有機生命的限制”的研究報告。報告圍繞“生命構成是否有別的樣式”這個核心問題，反思了以地球為中心的思考方式，認為人類以自己習慣的對生命模式的理解搜尋外星生命的努力迄今尚無進展，這至少提醒人類應該以某種新的眼光來重新理解“生命”，以此擴大外星生命的搜尋範圍。

“小綠人”始終沒找到

“氨！氨！”正在匍匐穿越沙漠的外星人氣喘吁吁地叫道。這一場景出現在1962年《紐約客》雜誌上由羅伯特·格羅斯曼創作的一組漫畫中——意思是說，如果水不是宇宙中惟一能夠維持生命的液體，那將會是多麼可笑。可以肯定的是，任何高中生物老師都會告訴你這個想法純粹是異想天開。

從低等的細菌到人類，一切已知的生物都依賴著兩種基本的化學物質——碳和水。碳通常被認為是生命的支柱，因為它具有如此罕見的能力，能將基本元素結合為生命體所必需的複雜分子。而水則是所有這些複雜分子運動的媒介，生命體最基本的化學反應都在水中進行。到目前為止，人們還沒有發現其他任何液體能取代水的地位。火星和金星探測器也都證明了這一點——它們所發現的貧瘠、無水的環境顯然沒有想像中的小綠人的蹤影。

然而，關於外星生命可能存在於某種奇特化學環境的假設還遠沒有被否定。在格羅斯曼的白日夢過去45年之後，我們仍然不能排除這樣的可能性：也許在宇宙的某個角落，一種奇怪的生物正渴望大喝一口液氨或者液體甲烷來滋潤它乾枯的嘴唇。事實上，近年來的一些研究表明，在合適的條件下，生命也可能誕生於和我們在地球上所觀察到的完全不同的化學環境中。此類工作或許將為人們對地外生命的探尋打開全新的思路，同時也有助我們更好地認識地球上生命的起源。

乍一想來，地外生命與地球生命具有相近的形式似乎是順理成章的事。認為水、碳，甚至蛋白質和DNA這樣的特殊分子是維持生命的最佳選擇似乎也無可厚非。碳能夠在複雜的生物分子中完美地扮演腳手架的角色。碳原子鏈和氧、氮、氫等元素組成了生命體中的各種大分子，如氨基酸、蛋白質、DNA以及在植物和昆蟲體內儲存能量和幫助形成牢固結構的多糖。

碳也是宇宙中最常見的元素之一，其含量僅次於氫、氦和氧，因此它總能滿足生物的使用需求。在93種自然形成的元素中，只有硅有可能成為“生命支柱”的替代品。（參見《“硅人”散步》一文。）

諸如氨基酸和DNA鹼基對這樣的有機分子已被發現存在於隕石中，而它們正分別是蛋白質和DNA的組成材料。實驗證明，這些關鍵分子能夠自發形成于從-80℃到+160℃的廣泛溫度區間。由此看來，無論在何處碳都是生命核心的說法也不無道理。

外星生命未必需要水

接下來我們談談水，也就是NASA費盡九牛二虎之力在其他星球尋找的那個東西。“水有太多的特殊性了，”前NASA工作人員、現任職于倫敦BioUpdate基金會的費利克斯·弗蘭克斯說。水分子擅長運輸氫原子，而後者能作為催化劑參與一系列反應，比如將糖分解得到能量的過程。同時，水在一個大氣壓下能以液態存在於一個較大的溫度範圍內，因此它是生物分子活動的理想介質——它們總是在水中盡情地漂浮，直到隨機碰上一個能和自己發生反應的分子為止。

然而貌不驚人的水分子還蘊含了一個更大的驚喜：高表面張力和低黏度的完美結合。換句話說，雖然雨點打在汽車擋風玻璃上形成的是一顆顆的水滴，但它們流動的速度卻遠比油滴來得快。正是這個特點，使水能夠在蛋白質等大分子簇周圍形成保護型支架，同時又恰好不妨礙小分子（如糖）的自由穿行，直到它們被消耗為止。沒有其他的液體比水更擅長這個角色了。

作為最基本生化反應的搖籃，水毫無疑問是一個神奇的分子，但這並不意味著它必須是惟一的。“水究竟是否生命的必需，我認為值得懷疑，”任職于NASA的行星科學家克利斯多夫·麥凱說。華盛頓州立大學的天文生物學家德克·舒茨-馬庫表示同意，他認為地球生命對水的依賴只是偶然。他說：“地球上的生物學會依靠水生存，僅僅因為它是這裡惟一存量豐富的液體，我不認為這有多麼神奇。”在一個比地球溫暖的星球上，也許硫酸就能扮演同樣的角色，而在寒冷的環境下，這種液體則可能是甲醇、氨，甚至甲烷。

正當歐洲和美國的宇航局按部就班地在火星尋找和地球生命相似的、依賴於水的生命時，關於生命不需要水的證據也在日積月累。科學家們通過研究工業生產中?的使用，發現這些基本的生物催化劑在以液態烴（如乙烷）為溶劑的條件下也能發揮作用，也就是說，水可能不如我們想像中那樣至關重要。

與此同時，很多人都開始質疑水的獨特性。一些其他液體，包括氟化氫、硫酸、氨和過氧化氫等，都能像水一樣傳遞作為重要催化劑的氫離子，因此它們都被視作“生命之泉”的候選者。比如，已經有人推測火星的土壤可能被依賴過氧化氫的微生物佔領（參見《再問火星生命》一文），而金星上則可能居住著喝硫酸的外星生物。生命存在於非水溶劑世界並非不可能，至少因為?還能夠在無水環境下正常工作。

“幾十年前人們還普遍認為?一旦離開水就完全失效，”加州大學伯克利分校的生化工程師道格拉斯·克拉克說。“而現在令人吃驚的是，在一些特定條件下，?在某些非水溶劑中表現得十分活躍。”

克拉克正試圖掌握?的性質，以製備藥物合成所需的複雜分子。他在多種溶劑，包括丙酮、二乙醚、甲苯和乙烷中測試了?的活性，並成功地使一些?在這些溶劑中發揮和它們在水中一樣的作用。

誠然，克拉克的“無水溶劑”難免總會有幾個水分子混入其中，因此並不能說是絕對的無水環境。並且他還必須給?提供足夠多的鹽以增加帶電粒子，從而彌補水的匱乏。但是請記住：那些?都是40億年在有水環境下進化的結果。

況且一些研究已表明，?對非水溶劑的適應性很強。加州理工學院的一個課題組通過在枯草桿菌蛋白?（存在於酵母菌的一種?）中隨機引入突變，並在以濃縮的二甲基甲酸為溶劑的條件下篩選最具活性的突變體，得到了比原始?在該溶劑中活躍500倍的變種。整個過程只經歷了5次篩選，原始?的氨基酸序列也僅改變5%。“目前我們還沒有確定?的極限活性條件，也就是在什麼樣的溶劑、溫度和壓力下，?才能正常工作，”克拉克說。

也許很少有人會把二氧化碳和可能支援生命的液體聯繫在一起。在地球上，二氧化碳通常是氣體，而在90個標準大氣壓下——差不多也就是金星和海王星那樣大小的行星上的大氣壓——它以一種近似液體的狀態存在，化學家們稱之為超臨界狀態。簡而言之，一杯超臨界二氧化碳差不多和水一樣沉，而在一個充滿超臨界二氧化碳的池子中游泳卻和在空氣中飄浮沒什麼區別，因為在超臨界狀態下，二氧化碳分子並不像在普通液體中那樣結合緊密。研究者們在超臨界二氧化碳中也測試了?的活性，結果發現它們能和在己烷和二乙醚中一樣正常工作。

生化機制可能很奇特

當然，合適的溶劑只是眾多前提中的一個。個別病毒除外，地球生命無不依靠脫氧核糖核酸(DNA)來編碼資訊，以繁衍後代並維持機體的運作。那麼遺傳資訊的存儲是否可能存在其他方式呢？

眾所週知，DNA呈雙螺旋結構，形狀就像一把扭曲的梯子。梯子上的每個橫擋都由一對叫作鹼基的分子組成。鹼基正是DNA中被用於基因編碼的那部分。它們共有4種，分別是G、A、C和T，也就是組成所有遺傳口令的字母。梯子的支柱則由脫氧核糖組成，它們之間通過帶電荷的磷酸基團相連。

生物學家們曾樂此不疲地嘗試替換DNA分子的不同組成部件，以觀察哪些部分才是真正不可或缺的。他們已經發現了幾個更換後並不影響DNA正常工作的部分，例如，蘇阿糖可以替換脫氧核糖，甚至鹼基對也能被其他分子所取代。

但是目前已知的替換自由度也僅限於此，來自分子進化基金會的合成生物學家史蒂芬·伯納說。伯納發現，用電中性基團取代DNA中的磷酸基團將會導致災難。雙螺旋結構變得不穩定，最終“梯子”坍塌成球狀並沉澱到溶液底部，就好像釀酒桶裏的糟粕。

在這些實驗之前，很多人都不明白磷酸基團有什麼用，懷疑它們只是又一根進化留下的雞肋。現在它們的重要角色終於水落石出。磷酸基團所帶的電荷吸引了水分子沿著雙螺旋鏈排列，從而使DNA的形狀得以維持。如果沒有這些電荷，DNA分子很快就會蜷縮成一團——這恰好又證明了水對我們所熟悉的生命是多麼重要。因此，一個依靠氨或甲烷生存的外星生物的“DNA”必然具有迥然不同的結構。DNA中的帶電磷酸基團必須被一種油乎乎的東西（比如鏈烴或芳香烴）所取代，哈佛大學的分子生物學家傑克·索茲塔克說。

有人認為不管在哪發現生命，遺傳規律總不會改變。“（遺傳規律的）細微差別還可以想像，但生物界的選擇規律畢竟強大，只有最好的才能生存下來，”科羅拉多大學波德分校的生物化學家諾曼·佩斯說，他也是美國國家科學院的天文生物學顧問。這種現象也被研究者們稱為“殊途同歸”：儘管在生命誕生的初期有很多種生化機理共同存在，但隨著時間的演進，進化總是留下最合適的物種，這就給不同星球上生命的存在形式留下了非常有限的可能性。

即使我們發現了一個基於完全不同的化學體系的生命形式——比如基於硅而非碳化學——這種生命可能還是看起來很眼熟。“就算它們由完全不同的原子構成，我敢打賭它們的細胞機理還是和人類的相似，”西雅圖華盛頓大學的天文生物學家彼得·沃德說。

多數科學家認為外星生命假如存在的話，也只是簡單的微生物。如果存在像土豚和斑馬那樣複雜的物種，那麼就更像地球生物了。“（生物的）複雜性依賴於神經系統，”沃德說，“而神經系統需要氧氣，”神經細胞是出了名的能量消耗大戶。地球上的那些厭氧微生物雖然能以二氧化碳或鐵礦為生，但它們從每分子消耗物中獲得的能量還不及每分子氧氣的一半，有時還不到5%。因此，一個存在類似于脊椎動物的世界多數還是離不開氧氣，而溫暖的氣候才使快速的新陳代謝成為可能——這就又增加了水的必要性。

那麼太陽系裏哪才可能找到真正奇特的生化機制呢？麥凱和舒茨-馬庫都提出土星的衛星泰坦上的微生物——如果存在的話——可能依靠氣態乙烯生存，同時釋放出廢氣甲烷。這些微生物的細胞可能充滿了液體甲烷或乙烷。很多人認為在我們正式向泰坦發射探測器之前，還是應該先進一步了解那裏正在發生的與生物無關的化學反應——由此我們才能辨認出哪些是生命的徵兆。“泰坦上如果有生命的話，很可能與地球上的截然不同，”舒茨-馬庫說。“只有了解更多資訊，我們才能知道要去尋找什麼。”

（資料來源：《新科學家》 江澤淳 編譯）