如果外星人是硅基生命，要如何尋找它們？

在搜尋地外生命的過程中，天體生物學家總是在尋找最簡單、最強健的生命形式，因為它們最有機會在嚴酷的外星環(huán)境中生存?？墒牵c簡單生物相關的化學物質，往往也可以通過非生物途徑產生。所以，科學家們時而認為發(fā)現(xiàn)了外星生命，但又缺乏確鑿的證據(jù)。

不僅如此，外星生命還可能與地球生命大相徑庭。比如“硅基生命”就是科幻作品的?？?，我們猜想它們的長鏈分子主要由硅而非碳構成，那么組成它們的化學成分也就與我們熟悉的生命截然不同了。既然如此，我們該如何尋找外星生命呢？“生命”本身是否有特殊之處，讓我們能準確地知道它的存在？

發(fā)現(xiàn)了，又沒發(fā)現(xiàn)

在上世紀 70 年代中期，美國航空航天局（NASA）的兩艘海盜號（Viking）探測器飛往火星尋找生命，但得出的結論頗具爭議。探測結果顯示，火星上可能存在生命，其證據(jù)來自一項同位素標記實驗：將微生物所需的食物用碳 14 標記，添加到火星土壤樣品中；如果有微生物攝取被標記的食物，這些微生物就會釋放出放射性的二氧化碳，從而被儀器檢測到。

實驗結果是，兩個在火星上相距 6500 千米的海盜號著陸器，均在實驗組土壤中檢測到了放射性二氧化碳，而經加熱滅菌后的對照組土壤則沒有，這暗示在火星土壤中發(fā)生了微生物代謝。不過，兩艘海盜號所開展的其他生命探測實驗均沒有發(fā)現(xiàn)任何生命存在的跡象。

1996 年，科學家在南極洲發(fā)現(xiàn)了一塊火星隕石，其中疑似存在微生物的微體化石（microfossil，利用顯微鏡才能進行研究的微小化石），似乎又為火星存在生命增添了證據(jù)。但隨后的研究指出，幾種非生物途徑也很容易產生所謂的微化石痕跡。

最近，一些科學家稱在金星大氣中發(fā)現(xiàn)了大量磷化氫，而在地球上，磷化氫主要由微生物產生。但另外一些科學家質疑這個結果，他們認為，即使磷化氫在金星大氣中存在，也可能來自金星的某種奇異的火山活動形式，而非來自于生命活動。

這些尋找地外生命的故事有著相似的發(fā)展脈絡：最初線索令人興奮，接著疑點惹人懷疑，最后生命存在的假設被駁回。一次又一次，天體生物學家似乎只能找到生物征跡（biosignature），但令人沮喪的是，生物征跡不能作為地外生命存在的決定性證據(jù)。有什么指標，可以讓我們確定發(fā)現(xiàn)了外星生命嗎？

“復雜性”帶來的新思路

一項發(fā)表于《自然?通訊》（Nature Communications）的研究提出了名為“裝配理論”（assembly theory）的新思路。裝配理論不再關注簡單的生物征跡，轉而關注生命本質的復雜性（complexity）。它基于一種理念：宇宙中任何形式的生物都會以復雜的分子組合編碼生命信息，而這種復雜性與無生命物質迥然不同。

在天體生物學領域，呼吁關注“復雜性”的聲音已經持續(xù)了一段時間。NASA 在 1994 年給“生命”下了一個復雜的定義：生命是能夠進行達爾文式演化的、自我維持的化學系統(tǒng)。問題是，這個定義包含的關鍵概念本身就很復雜、難以被測試和量化。正如 NASA 的首席科學家吉姆?格林（Jim Green）所說：“我總不可能制造出能夠尋找‘演化’、‘繁殖’或‘新陳代謝’這些過程的機器吧。”

而裝配理論提供了一種更清晰、更普適的生命的定義。裝配理論假設，對任何環(huán)境中的任何對象（object）來說，當其豐度（abundance）和復雜性增加時，它來源于生命活動的可能性就會增加。豐度指該對象在環(huán)境中出現(xiàn)的頻率，而復雜性可以通過估算裝配出這種對象所需的步驟來衡量。

研究合著者、亞利桑那州立大學的生物物理學家薩拉?沃克（Sara Walker）認為，裝配理論是天體生物學領域的一個里程碑，因為它首次提出了可操作的復雜性測量方法，使關于生命本質的理論有機會與實驗觀測數(shù)據(jù)相結合。

復雜的分子

盡管裝配理論適用于多種尺度的對象，但研究人員重點關注它在分子層面的應用。因為無論在實驗室還是在宇宙中，分子都是生物最基礎的組成部分。為了衡量分子的復雜性，該團隊定義了“物質裝配指數(shù)”（mass assembly number, MA），通過算法為不同的分子賦值。

MA 指的是理想情況下構建一個分子所需的步驟數(shù)。我們知道一個分子通?？梢杂啥喾N方式合成，MA 對應其中最短的裝配路徑。它只考慮價態(tài)規(guī)則，不考慮包括化學反應條件在內的其他限制，且每一步創(chuàng)建的對象可以在隨后的步驟中被重復使用。因此，化學鍵種類越少、對稱性越高的分子，其 MA 值越低，反之亦然。

研究人員為一個化學數(shù)據(jù)庫中的 250 萬種分子進行了 MA 賦值。被部分科學家視作的金星的生物征跡磷化氫，由 1 個磷原子和 3 個氫原子構成，以對稱的磷-氫單鍵相連，其 MA 僅為 1。相比之下，色氨酸分子由 11 個碳原子、12 個氫原子、2 個氮原子和 2 個氧原子構成，結構更為復雜，其 MA 為 12。

為了驗證 MA 的有效性，研究人員用真實的分子進行了檢驗。因為高 MA 的分子有更多化學鍵和相對更低的對稱性，研究人員預測它們會在質譜分析中生成更多峰（每個峰代表混合物中的不同離子），而具有低 MA 的分子則相反。實驗結果與他們的預測一致 —— 峰數(shù)與 MA 之間存在線性關系，相關性為 0.89。

生命的“門檻”

建立起理論與實際的聯(lián)系之后，研究人員進一步檢驗他們的核心假設：高 MA 的分子幾乎只能由生物產生。他們檢測了多種混合物樣品的質譜，包括大腸桿菌、植物生物堿、煤炭、花崗巖甚至啤酒，并根據(jù)線性關系估計它們的 MA 值。研究人員發(fā)現(xiàn)，只有具有活生物的樣品 MA 高于 15。

這項研究的領導者、格拉斯哥大學的化學家李?克羅寧（Lee Cronin）表示，當一個分子的 MA 大于 15 時，其在類地條件下產生于非生物過程的概率極低（小于 6×10²³ 分之一）。因此，MA 值大于等于 15 的分子幾乎只能由生命產生。也就說，我們可以通過 MA 大于某個閾值的混合物發(fā)現(xiàn)生命。

那么，15 這個 MA 值是判定生命與非生命的絕對標準嗎？不是的。首先，許多 MA 值較低的分子也可能是生物征跡，比如生物通過光合作用釋放到地球大氣中的氧氣分子結構就很簡單。其次，克羅寧指出，雖然在地球上，MA 是否大于 15 似乎是存在生命與否的臨界條件，但在與地球截然不同的行星環(huán)境中，這個臨界值可能不同。

為了測試他們的理論，研究合著者、NASA 戈達德太空飛行中心的天體生物學家希瑟?格雷厄姆（Heather Graham）向克羅寧寄送了一組盲樣。其中一種是數(shù)百萬年前的生物化石，另一種是默奇森（Murchison）隕石的樣品。默奇森隕石是 1969 年墜落到地球上的一顆火流星，它富含有機的含碳化合物，但不含生物。

克羅寧通過實驗發(fā)現(xiàn)，化石樣品具有高 MA 值，被確定有生命的痕跡；而默奇森隕石雖然含有豐富的分子，但其 MA 值仍低于 15。這是對裝配理論的一次驗證，其結果激動人心，表明僅僅是復雜的樣品組成不代表有生命的參與，能體現(xiàn)化學組織復雜性的“復雜的分子”才是生命的關鍵要素。

付諸實踐

NASA 以往的星際任務已經在其他星球收集了一些質譜數(shù)據(jù)。格林與 NASA 的科學家好奇，是否可以用裝配理論在其中尋找生命的跡象。

格林首先考慮是從土衛(wèi)二（Enceladus）采集了水蒸氣樣品的卡西尼號（Cassini）飛行器?？上У氖?，卡西尼號的質譜儀只能檢測小于 100 原子質量單位（amu）的分子，但裝配理論只對大于 150 amu 的分子適用。而 NASA 的好奇號（Curiosity）和毅力號（Perseverance）火星探測器雖然搭載了可以檢測 150 amu 以上的分子的質譜儀，但它們缺乏研究單一分子的能力，不足以分析出 MA 值。

格林說，未來的太空探索任務都應該配備能測量更大的分子、進行更精確分析的質譜儀。將于 2034 年飛抵土星的衛(wèi)星“泰坦”（Titan）的蜻蜓號（Dragonfly）有望實現(xiàn)這一目標。它將探測泰坦的大氣和表面，尋找生命的組成成分。盡管蜻蜓號的質譜儀不具備實驗室質譜儀的全部功能，但它有能力檢測復雜的分子。

在太陽系中，還有可能存在生命的地方等待人類的探索，大型望遠鏡也為我們在浩瀚的宇宙中尋找著可能宜居的星球。裝配理論提供了一個從分子的尺度看待宇宙的新視角，指引我們尋找地外生命時關注獨屬于生命的復雜性。此時此刻，就有不可計數(shù)的復雜分子在我們身體內合成著、流淌著、工作著，它們讓我們在宇宙中如此不同。

原文鏈接：

https://www.scientificamerican.com/article/life-is-complicated-literally-astrobiologists-say/

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41467-021-23258-x

參考鏈接：

• https://doi.org/10.1089/ast.2015.1464

• https://www.nasa.gov/feature/dragonfly-launch-moved-to-2027

本文來自微信公眾號：環(huán)球科學 （ID：huanqiukexue），撰文：納塔莉?埃利奧特（Natalie Elliot），編譯：鄭昱虹，審校： 李詩源

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