在實(shí)驗(yàn)室探索外星生命

摩西

在美國系列電影《復(fù)仇者聯(lián)盟》中，大反派滅霸的老家是一個(gè)叫做泰坦的星球。實(shí)際上，宇宙中真的存在泰坦星，它是環(huán)繞土星運(yùn)行的衛(wèi)星中最大的一顆，不僅如此，泰坦星還被不少人稱為“另一個(gè)地球”。因?yàn)樗翘栂抵杏写髿鈱拥?顆巖石星球之一（另外3顆為地球、金星和火星），而且泰坦星上還有液態(tài)甲烷構(gòu)成的湖泊和河流。液態(tài)甲烷在整個(gè)泰坦星上，起到了類似地球上水的作用，它們不斷地蒸發(fā)到空中，冷卻成甲烷云，然后形成甲烷雨，回到湖泊和河流，構(gòu)成了完整的循環(huán)系統(tǒng)。

于是便有人開始思考，地球上充滿了生命，很大一部分原因是由于液態(tài)水的存在。但在宇宙的其他地方，生命很可能是由不同的化學(xué)物質(zhì)組成的，這些化學(xué)物質(zhì)或許可以在像甲烷這樣的液體中溶解和聚集。不只如此，現(xiàn)在天文學(xué)家們新確認(rèn)的系外行星越來越多，它們中的一些很可能擁有由己烷、醚類、氯仿或者其他的液體組成的海洋，這些液體很可能是未知的生命基礎(chǔ)。

目前，人類還不清楚這些星球上是否有新的生命形式，但是研究人員正在地球上的實(shí)驗(yàn)室里探索著一些可能性。

最基礎(chǔ)的生命模塊

對于簡單的生命來說，最基礎(chǔ)的組成部分是什么？

答案應(yīng)該是能夠攜帶遺傳信息的分子（DNA或RNA）以及能夠形成細(xì)胞膜的分子組合。因?yàn)檫z傳信息是生命的核心，也是生命延續(xù)和傳遞的媒介，而且生命的運(yùn)行需要一系列可控的化學(xué)反應(yīng)，細(xì)胞膜可以將生命物質(zhì)與外界環(huán)境分離開來，保證這些生化反應(yīng)的可控性。因此，研究者們尋找新的生命形式，首先就要從細(xì)胞膜和遺傳因子入手。

然而地球上的生命化學(xué)機(jī)制不能適用于像泰坦星上那樣的碳?xì)浠衔铮ㄌ荚睾蜌湓亟M成的物質(zhì)，比如甲烷、乙烷、氯仿等）形成的海洋。

在水分子中，氧原子所在的一端帶一點(diǎn)負(fù)電荷，而氫端帶一點(diǎn)正電荷，水分子不呈電中性，而是有極性的。這種極性會影響水和各種生物體組成成分的結(jié)合，比如，水能夠通過氫鍵（稍帶正電的氫與稍帶負(fù)電的其他原子間的相互作用）與蛋白質(zhì)結(jié)合，影響蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)以及生物學(xué)功能。

而大多數(shù)的碳?xì)浠衔锸欠菢O性的，分子兩端都不帶電荷，呈電中性，很難通過電荷的相互吸引作用，與其他化學(xué)物質(zhì)形成一些特別的化學(xué)鍵（比如，使水與蛋白質(zhì)結(jié)合的氫鍵）。因此如果在泰坦的甲烷湖中有生命，那將是完全不同的一套構(gòu)建體系。

關(guān)于新生命形式的各種試驗(yàn)

科學(xué)家要想在其他星球上發(fā)現(xiàn)異質(zhì)結(jié)構(gòu)的生命，先要嘗試在地球上創(chuàng)造一些異質(zhì)的東西。目前，世界各地的化學(xué)家和生物學(xué)家都在通過計(jì)算機(jī)模擬和實(shí)驗(yàn)室的實(shí)際操作，探索新的生命分子和結(jié)構(gòu)。

2015年，美國康奈爾大學(xué)的行星科學(xué)家喬納森·蘭尼爾與另外兩名化學(xué)工程師一起進(jìn)行了一項(xiàng)研究，探索在土衛(wèi)六充滿甲烷的低溫環(huán)境中，生命形態(tài)是什么樣的？他們使用計(jì)算機(jī)數(shù)字模型確定了一種名為丙烯腈的有機(jī)化合物，這種化合物在液態(tài)甲烷中，能夠組合在一起形成“空心球”，類似于組成生物體必須的膜結(jié)構(gòu)。然后在2017年，美國宇航局的科學(xué)家們利用光譜望遠(yuǎn)鏡在土衛(wèi)六的大氣中檢測到大量的丙烯腈，這增加了土衛(wèi)六上存在“另類生命”的可能。

除了上述數(shù)字模擬尋找細(xì)胞膜的方式，還有科學(xué)家在實(shí)驗(yàn)中尋找可能構(gòu)成細(xì)胞膜的化合物，美國康涅狄格州立大學(xué)的生物化學(xué)家莎拉·毛雷爾就是其中一員。她表示細(xì)胞膜參與了動植物細(xì)胞的化學(xué)反應(yīng)，膜除了使細(xì)胞與外界保持相隔外，還需要有選擇性地運(yùn)輸物質(zhì)進(jìn)出。

盡管甲烷和乙烷充滿了泰坦湖，但是這些物質(zhì)只有在極低的溫度下才會變成液體，所以研究人員使用己烷來代替它們，己烷可以在室溫下保持液態(tài)。至于如何驗(yàn)證某種物質(zhì)是否適合作為細(xì)胞膜呢？他們將實(shí)驗(yàn)測試的物質(zhì)制成膜狀后，再觀察磷酸鹽（構(gòu)成DNA和RNA主干的小分子）——一種帶有輕微負(fù)電荷的分子能否穿過細(xì)胞膜。一般情況下，作為遺傳物質(zhì)的重要組成部分，細(xì)胞內(nèi)的磷酸鹽應(yīng)該不能夠通過細(xì)胞膜。

雖然泰坦是尋找太陽系中其他星球的生命的最大焦點(diǎn)，但一些被冰雪覆蓋的星球上也有可能存在生命：木衛(wèi)二、土衛(wèi)八、土衛(wèi)二和海衛(wèi)三是可能存在生命的候選行星。

美國佐治亞理工學(xué)院的分子生物學(xué)家勞倫·威廉姆斯也計(jì)劃做類似的實(shí)驗(yàn)，他希望將液態(tài)基底更換為氯仿，用硅酸鹽替代磷酸鹽，從而使分子更容易溶解在碳?xì)浠衔镏小Ｋ膱F(tuán)隊(duì)還準(zhǔn)備用其他化學(xué)物質(zhì)來代替我們熟悉的腺嘌呤、胞嘧啶（DNA核苷酸中的堿基，組成部分之一）等，測試新的、可能的基因分子。

關(guān)于新的DNA分子的實(shí)驗(yàn)其實(shí)也有很多。復(fù)雜的DNA其實(shí)只有四種堿基排列組合而成，分別為鳥嘌呤、胞嘧啶、腺嘌呤和胸腺嘧啶，通常用字母G、C、A和T表示。四種不同類型堿基的排列組合，儲存著地球上所有生命的遺傳信息。

2019年2月份，美國佛羅里達(dá)州阿拉庫阿應(yīng)用分子進(jìn)化基金會創(chuàng)始人史蒂文·本納領(lǐng)導(dǎo)的研究小組在《科學(xué)》雜志上發(fā)表了一篇重要的文章。研究人員成功地將4種人工合成的堿基，與天然存在的四種堿基結(jié)合，創(chuàng)造出了由8種堿基組成的DNA分子，并且該DNA分子能夠像天然DNA一樣存儲和轉(zhuǎn)錄信息。該研究證明了，人工合成的堿基能夠相互識別并結(jié)合，并且它們形成的雙螺旋結(jié)構(gòu)能夠保持著穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。同時(shí)也證實(shí)了，宇宙中的確可能存在其他的生命基因系統(tǒng)。

另外，美國圣路易斯大學(xué)的布雷徹研究小組正在研究一種新的可能構(gòu)成遺傳基因的分子，這種分子的堿基不依靠氫鍵配對，而是通過共享一種叫做硫代脂的分子而配對。

尋找外星生命

上述實(shí)驗(yàn)都是科學(xué)家對于新生命形式的探索。在這些實(shí)驗(yàn)中，他們不會真的創(chuàng)造出外星生物，但實(shí)驗(yàn)也許可以回答“是否有一種新的生命形式可以在液態(tài)碳?xì)浜Ｑ笾猩妗边@一問題。

目前，人們尋找外星生命都是以水為前提的，如果上面問題的答案是肯定的，那么這意味著我們目前對生命的探索存在一個(gè)巨大的盲點(diǎn)。通過證明最基本的生命化學(xué)可以在其他的液體中產(chǎn)生，科學(xué)家可以開辟新的探索領(lǐng)域，或者指導(dǎo)我們?nèi)绾问崂砜臻g探測器收集到的大量數(shù)據(jù)。

例如，2005年，美國宇航局埃姆斯研究中心的天體生物學(xué)家克里斯·麥凱的研究指出，泰坦星上可能有生物通過代謝乙炔或乙烷生存，并表示它們會在泰坦星的大氣層中留下明顯的痕跡。然而在對環(huán)繞土星飛行、考察土星的卡西尼號空間探測器收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行篩查后，研究人員發(fā)現(xiàn)，衛(wèi)星的表面既沒有乙烷層，也沒有乙炔，從而在很大程度上推翻了這種說法。

也許在實(shí)驗(yàn)室中探索外星生命的意義就在于此，它可以指導(dǎo)我們到哪里，又該如何去尋找和驗(yàn)證外星的生命。