互动科普

没人知道生命是在何时、何地、如何起源的——至今，生命起源仍是科学界最大的谜题之一。我们唯一能肯定的是，35亿年前，微生物就在地球上出现了。然而对于更早以前出现过什么样的生命，由于缺乏可靠证据，科学界一直没有定论。

30年前，生物学家普遍认为，生命起源于一次偶然化学事件，由于发生几率太小，几乎不可能在已知宇宙中重复。1965年诺贝尔生理学或医学奖获得者、法国生物学家雅克·莫诺（Jacques Monod）就持这种观点，他在1970年的一篇文章中写道：“人类终于知道，在这个冷清而又广袤的宇宙中，他们是多么孤独，因为生命的出现纯属偶然。”但最近几年，关于生命起源的认识发生了戏剧性变化。1995年，比利时著名生物化学家克里斯蒂安·德杜夫（Christian de Duve）提出，生命是“宇宙必需的”，在任何类地行星上，“生命几乎注定会产生”。德杜夫的观点坚定了天体生物学家的信心：宇宙中散布着生命。美国纽约大学的罗伯特·夏皮罗（Robert Shapiro）把上述观点称为“生物决定论”（biological determinism），甚至还有科学家认为，这种观点可以表述为“生命已被写入自然法则”。

科学家怎样判定哪种观点才是正确的呢？最直接的办法就是在其他行星（如火星）上寻找生命的证据。如果在太阳系的两颗行星上，生命起源都是“从零开始”，我们就可以认为“生物决定论”的假设是正确的。不过，要找到火星生命（如果存在的话），并详细研究这颗红色星球的生物圈，可能还需要相当长的时间。

当然，寻找火星生命并非验证生物决定论的唯一方法。任何星球都不会比地球更“像”地球，如果生命能在类似地球的环境下产生，我们就可以假设，生命可能在地球上反复出现过很多次。这种可能性无疑让人充满遐想，为了验证它，科学家开始在沙漠、湖泊和洞穴中寻找外星生命的证据——这些生命可能与已知生物完全不同，因为它们是独立起源的。科学家们猜测，这类生物很可能与细菌一样微小，只有用显微镜才能观察到，因此他们开始研究新的检测方法，用于寻找很可能就隐藏在我们身边的外星生物。

虽然在科学界，对于生命的严格定义至今尚未形成共识，但大多数科学家都有相同的看法：新陈代谢（从环境中摄取营养物质，并将这些物质转变为能量，然后把代谢产物排出体外）和自我复制能力是生命的两个主要特征。关于生命起源的一种传统观点是，如果在早期地球上，生命起源曾不止发生一次，产生了多种生命形式，那么其中一种将迅速占据主导地位，消灭掉其他生命形式。我们也知道，当一种生命形式迅速占有全部可利用的资源，或“拉帮结伙”、仅在同类生物中交换优势基因，共同对付“弱势群体”时，情况就是如此。但这种论点无法让人信服。细菌和古细菌（archaea）是两种差异极大的微生物，它们的共同祖先要追溯到30亿年前，但在漫长岁月里，两种微生物一直“和平相处”，谁也没有灭掉谁。其他形式的生命体也许和已知生物没有竞争关系，因为这些“异形”占据的地方，是已知微生物根本无法生存的极端环境，它们需要的能源，也可能与现有生物需要的完全不同。

地球上有外星生命吗？

即使其他生命体已经从地球上消失，但在遥远的过去，它们可能曾在地球上风光一时。如果真是那样的话，科学家可以通过地质学记录，找到它们留下的、被岩石尘封了几亿年甚至几十亿年的生物学标志。如果这些生命体有着独特的新陈代谢方式，它们改变岩石成分或形成沉积矿物质的方式，将是已知生物活动无法解释的。某些现有生物无法产生的生物标志（比如一些特殊有机分子），可能就隐藏在古老的微生物化石中，科学家在太古代（25亿年以前）岩石中就发现过这样的化石。

一个更激动人心但也更“异想天开”的设想是：其他类型的生命体至今仍然存在，它们构成了一个“影子”生物圈(shadow biosphere)——这是美国科罗拉多大学的卡罗尔·克莱兰（Carol Cleland ）和谢利·科普利(Shelley Copley）发明的新词。乍看起来，这个想法似乎很是荒谬：如果外星生物就在我们眼皮底下（甚至就在我们的鼻子内）大量繁殖，为什么科学家一直没能发现它们？但我们不能轻易否定这个设想。地球上，微生物的数量超乎想象，仅通过显微镜观察，很难区分它们。微生物学家必须分析某个微生物的基因序列，才能确定它在进化树上的位置。到目前为止，有明确分类的微生物，只占已知微生物很小一部分。

可以肯定的是，我们仔细研究过的生物都来自同一个祖先。已知生物具有相似的生化特性，采用几乎完全相同的遗传密码，这使得生物学家能通过基因序列，找到它们在进化树上的位置。但是，科学家在分析新发现的物种时所使用的方法，是专门用于检测我们熟知的生物。这些技术能检测到与现有生命形式完全不同的外星生物吗？答案显然是否定的。如果外星生物被限定在微生物领域，科学家可能已经将它们遗漏。

可能存在外星生命的地方

我们在地球上的哪些地方可能找到外星生物呢？一些科学家把注意力集中在这样一些地方：生态学上完全孤立、已知生物永远无法涉足的小生态环境。近几年，一个令人惊讶的发现是，某些生物能在极端环境下生存。从滚烫的火山口到南极洲干涸的河谷，在这样的极端环境中，都能发现微生物。还有一些生存能力超强的微生物——嗜极菌（extremophile），竟然能在高浓度的盐湖中、被重金属污染的强酸性尾矿中以及核反应堆废料池中生存。

然而，再顽强的微生物也有耐受极限，因为所有已知生物都离不开液态水。智利北部的阿塔卡马沙漠(Atacama Desert)非常干燥，在那里找不到任何已知生物。虽然某些微生物还能在高温下繁殖，但在温度高于130℃的环境下，我们能找到的，最多是已知生物的尸体。不过，我们不能用这样的条件去衡量外星生命，因为它们也许能在更干燥或者温度更高的环境中生存。

科学家可以在一个生态学上完全孤立的区域寻找生命活动的迹象（例如土壤和大气层之间的碳循环），作为外星生命存在的证据。孤立的生态系统其实很容易找到，如地壳深处、大气层上部、南极洲、盐碱地以及被重金属或其他污染物污染的地带。研究人员还可以在实验室中“创造”孤立的生态系统：首先改变温度和湿度，将已知生物杀死，如果仍有生命迹象，可能就是外星生命在起作用。利用这种方法，科学家发现了一种耐辐射细菌（Deinococcus radiodurans），它们能承受的γ射线辐射剂量，是人类能承受的剂量的1,000倍。令人失望的是，最终结果表明，这种细菌和其他耐辐射生物一样，在遗传学上都与已知生物有关，并非外星生物。不过，这并不能排除利用这种方法找到外星生物的可能。

科学家已经找到一些几乎与其他生态系统完全隔离的环境。在地壳深处，微生物群落与光线、氧气和其他生物的有机产物完全断绝了联系。它们能生存下来的原因是，某些微生物可以将在化学或放射反应中释放出的二氧化碳和氢，用于新陈代谢、生长和复制。尽管迄今为止，科学家在这些生态系统中发现的微生物都与生活在地表的微生物有紧密联系，但我们对地壳深处的生物学探索还处于初级阶段，在更深的地方，或许有惊喜正等着我们。综合海洋钻探计划（Integrated Ocean Drilling Program）从深达1千米的海床采集岩石样本、探查岩石中的微生物，就是该计划的目的之一。陆地上的钻探工作还曾发现，即便在更深的地下，仍有生物活动的迹象。然而，科学界至今尚未制定系统、大规模地探索地壳深处生命的计划。

鉴别外星生命

人们可能认为，如果外星生物不是生存于隔离环境，而是存在于我们的生物圈中，找到它们就比较容易了。但如果影子生物只是一些外星微生物，而且与常见微生物混合在一起，我们就很难在不经意的探查中发现它们。微生物的形态是有限的，大多数微生物的形态呈小球或小杆状，而外星生物的生化性质却可能非常特殊。科学家提出了一种寻找外星微生物的方法：猜测在它们生命过程中可能发生的化学反应，再去找寻这些生物特有的特征。

一个简单的例子就是手性(chirality)特征。生物大分子都有特定的手性特征：一个分子中的原子都可以呈现两种镜像结构——左旋或右旋，但每个分子必须具有与其他分子相匹配的手性，才能组装成更复杂的结构。在已知生命中，氨基酸是左旋的、糖是右旋的、DNA则是右旋的双螺旋。化学法则不会偏爱左旋和右旋中的任何镜像结构，如果生命重新从零开始，构成生命体的每个结构元件都有50%的机会成为手性相反的分子（比如一个分子原来是右旋的，生命重新开始后，则有50%的机会成为左旋的）。理论上，影子生物的生物化学原理应当与已知生命完全相同，只是它们由镜像分子组成。这样的镜像生命不会同已知生命直接竞争，两种生命体也不会交换基因——相关分子是不能相互交换的。

幸运的是，研究人员能用一种非常简单的方法来鉴别镜像生命。一份标准的微生物培养基包含多种大分子，如果利用这些大分子的镜像分子制备一种营养液，把新发现的微生物放进去培养，最终能生存下来的肯定是镜像生物，因为只有它们能以镜像分子为生。美国航空航天局（NASA）马歇尔太空飞行中心的理查德·胡佛（Richard Hoover）和埃林娜·皮库塔(Elena Pikuta)最近就完成了这样的试验：他们将多种新近发现的极端微生物放进用镜像分子配制的营养液中，检测是否有生物活动的痕迹。结果发现，一种从美国加利福尼亚州的一个盐碱湖中的沉积物中分离出的微生物，能在营养液中生长。但经过检测，科学家发现这种微生物并非镜像生物，而是一种特殊细菌，它拥有令人吃惊的能力，可以转变氨基酸和糖的手性结构，然后消化这些营养分子。

另一种可能是，影子生物的生化系统与已知生物并没有差别，但它们使用了另一套氨基酸或核苷酸。所有已知生物都用同一套核苷酸来储存生命信息——A、G、C、T或U（腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶、胸腺嘧啶或尿嘧啶）；除了个别生物，负责执行细胞功能的各种蛋白质均由20种常见氨基酸构成。遗传密码以核苷酸三联体（密码子）为基础，不同的密码子代表不同的氨基酸（如UUU就代表苯丙氨酸）。一个基因中的密码子序列决定了氨基酸序列，氨基酸必须依次连接在一起，才能构建出特定蛋白质。不过，化学家也能合成出许多已知生物体内没有的氨基酸。默奇森陨石（Murchison）是一个彗星残骸，1969年坠落到澳大利亚。这颗陨石不仅含有许多普通氨基酸，还有一些稀有氨基酸，如异缬氨酸(isovaline)和伪亮氨酸（pseudoleucine）。（科学家不能确定陨石中的氨基酸是怎样形成的，但大多数人认为，这些化学物质不是生命活动的产物。）某些稀有氨基酸可能成为外星生命的结构元件。为了寻找这类生命，科学家需要鉴别一些特殊的氨基酸：不被任何已知生物所利用，也不是普通生物新陈代谢或腐败后的产物。

一个刚刚兴起的研究领域——人造生命，或许可以帮助科学家寻找线索。生化学家试图在蛋白质中插入外来氨基酸，构建新型生物。美国佛罗里达州盖恩斯维尔应用分子进化基金会的史蒂夫·伯纳（Steve Benner) ，是人造生命领域的先驱之一。他提出，一种名为α－甲基氨基酸（alpha-methyl amino acid）的分子可用于构建人造生命，因为这类分子能正确折叠。不过，在研究过的任何一种天然生物中，科学家都未发现α－甲基氨基酸存在。对于研究人员来说，在鉴定新型微生物时，利用质谱分析仪等先进设备，分析蛋白质的成分、了解生物中所含氨基酸的种类，还是比较简单的工作。如果分析结果中出现任何不同寻常的数据，都预示着某种微生物可能是有待确认的影子生物。

即使这种策略获得了成功，科学家也将面临新的困难：鉴别出的新型生物到底是独立起源的外星生物，还是已知生命系统中的一个新的分支（例如古细菌，直到上世纪70年代末，我们才知道它是细菌的一个分支）。换句话说，科学家怎样才能确信，一个看起来拥有独立进化史的物种，并不是已知进化树上未被发现的分支？这个分支可能在很早以前就从进化树上伸出，但迄今仍未引起我们的注意。而且，早期生命很可能与现有生物完全不同，密码子的变化就能说明问题：因为自然选择的压力，密码子编码氨基酸的效率在进化中得到了优化。生命起源初期，生物体内可能存在一种原始的密码系统，每两个核苷酸组成一个密码子，全套密码子只负责编码10种氨基酸，而不是现在的20种。一些原始生物至今可能仍在使用原始密码，这样的微生物不是真正的外星生命，更像是记录地球变迁的活化石。

实际上，如果我们更大胆地设想外星生物的生化特征，它们的进化树与普通生物（包括已经和没有被发现的生物）的进化树分支相混淆的几率就很小了。天体生物学家推测，某些生物或许不需要水维持生命，取而代之的是某些溶剂（例如乙烷和甲烷），尽管在地球上难以找到能提供这些物质的环境（乙烷和甲烷仅在非常寒冷的地方才会是液态的，如土星的最大卫星泰坦的表面）；另外一个较为普遍的推测，与组成已知生物体的基本化学元素有关：如果其他元素取代了碳、氢、氧、氮、磷中的一种，生命还有可能产生吗？

科学家对于磷的作用还有一些疑问。相对而言，磷是一种存量偏低的元素，在地球形成初期，它并不是主要以可溶物质的形式存在（只有溶于水，磷才能被生物体利用）。美国哈佛大学的费利萨·沃尔夫－西蒙(Felisa Wolfe-Simon) 曾提出假设：砷（arsenic）不仅能取代生物体内磷的位置，在远古环境中，还能赋予生物体显著的化学优势。磷能完成的工作，砷也能完成，比如稳定结构和储存能量；某些磷无法胜任的工作，砷同样能完成，比如促进新陈代谢。（砷对普通生物是有毒的，因为它能模仿磷的作用。同样，磷对于以砷为基础的生物也将有毒害作用。）以砷为基础的生命，是否仍然存在于缺乏磷而富含砷的封闭地域，如海底火山喷口和温泉中呢？

体积也是一个重要参数。已知生物都有核糖体，因为这个细胞机器是专门负责制造蛋白质的——它能将单个氨基酸连接在一起。容纳核糖体的需要，就决定了普通生物必须要有几百纳米宽。病毒非常小（宽度仅为20纳米左右），容纳不了核糖体，它必须借用被它感染的细胞的细胞器（核糖体只是其中一种），才能完成复制。由于这种依赖性，病毒不能算作外星生命，况且没有任何证据可以说明它是独立起源的。但多年来，有不少科学家宣称，生物圈中存在大量的无法容纳核糖体的小体积细胞。1990年，美国得克萨斯大学的罗伯特·福克(Robert Folk)的发现引起了广泛关注：他在意大利维泰博（Viterbo）温泉的沉积岩中，发现了很小的球状和卵状物体。福克推测，这些物体是一种“纳米细菌”（nannobacteria）的化石，即仅有30纳米宽的微生物的钙化残骸。最近，澳大利亚昆士兰大学的菲利帕·尤温斯(Philippa Uwins)在澳大利亚西海岸的深海底凿孔采样时，在采集到的岩石样品中发现了与“纳米细菌”化石相似的结构。如果这些结构的确来源于生命活动（很多科学家对此展开了激烈讨论），它们就可能成为外星生命存在的证据。这类生命体不需要用核糖体制造蛋白质，因此突破了对已知生物最小体积的限制。

在所有猜测中，最引人注意的，可能是外星生命就栖身于我们身体内。1988年，芬兰库奥皮奥大学的奥拉维·卡俨塔（Olavi Kajander）和同事用电子显微镜观察哺乳动物细胞时，在很多细胞内看到了一些极小的颗粒。这些颗粒的直径仅有50纳米左右，大约为普通细菌的十分之一。1998年，卡俨塔和他的同事提出，这些颗粒是能在尿液中大量繁殖的生物体，它们能使自身周围的钙和其他矿物质沉淀，从而导致肾结石的形成。尽管这种说法仍存在争议，但我们可以设想，在这些微小颗粒中，至少有一部分很可能是具有独特生物化学性质的外星生物。

生命是什么？

如果我们发现了一种怪异的微生物，它能否作为另一次生命起源，或外星生物存在的证据，完全取决于它与现有生物到底有多大的差别。在我们还不知道生命是怎样起源的时候，这种区分并没有简明可靠的判断标准。一些天体生物学家推测，生命也可能起源于硅化物而不是碳化物，但由于在生物化学层面，碳处于最核心的位置，因此很难想象，以硅和碳为基础的生物会具有共同的起源。另一方面，如果某种生物和已知生物一样，使用同一套核苷酸和氨基酸，只是使用不同的遗传密码来编码氨基酸，就不能证明这种生物是独立起源的，因为这种差别可以用进化漂移来解释。

另一个问题也值得我们去思考：在相似环境中，不同的生物受到的外界压力，将使它们的性质趋于同化，以便最大限度地适应当前生存条件。如果这种进化趋同的力量足够强大，就可能抹去生物独立起源时的证据。例如，氨基酸的选择就可能在进化中得到了优化。最初，一些外星生物可能采用一套与现有生物不同的氨基酸，但经历了长期进化后，又采用了常见生物使用的一套氨基酸。

两种对立生命起源理论的存在，使得确定一种生物是否外星生命的难度进一步加大。第一种理论是：生命起源于突然和剧烈的转化，就像物理学上的相变，当一个系统的化学复杂度达到某个临界点时，转化就会被启动。这个系统不一定是单个细胞。生物学家已经提出，原始生命起源于互相交换物质和信息的一群细胞，细胞自主性和单个物种则较晚才出现。另一种理论是，从化学到生物学之间，存在一种平滑延伸的连续过渡，没有绝对的分界线可以认定为生命的起点。

我们很难准确定义“生命”。只有当生命具有某种独特属性（例如储存和处理特定信息的能力），可以作为无生命与生命间的界限时，讨论一种或多种生命起源事件才有意义。然而，如果将生命笼统地定义为某种有组织的复合体，可能会模糊生命与普通分子集合间的界限。因此，证明不同类型的生命分别具有独立的起源，将是一个棘手的任务，除非这两种类型的生物相互完全隔离，完全没有接触的机会（如果它们位于不同星系的行星上）。

显然，我们研究的微生物，只是地球上微生物群体中很小的一部分。每个新发现都会带来惊喜，迫使我们扩展“生物”的概念。人们探查的环境越多，越有可能发现新的、更奇特的生命类型。如果这种探索能为第二种起源提供证据，关于生命是宇宙的普遍现象的理论，会得到更有力的支持，我们也更加确信，人类在宇宙中并不孤独。