如果外星人是硅基生命，要如何寻找它们？

Daphane

來源:环球科学


“外星人”是孩童瑰丽玄奇的幻想，是影视作品经久不衰的主题，也是天体生物学家努力寻找的对象。如果在太空探索中出现了蛛丝马迹，我们该如何确定它来自外星生命的活动？一项直指“生命”本质的新研究，可能为寻找地外生命的事业开创了全新的思路。


撰文 | 纳塔莉·埃利奥特（Natalie Elliot）　　编译 | 郑昱虹
　　审校 | 李诗源


　　在搜寻地外生命的过程中，天体生物学家总是在寻找最简单、最强健的生命形式，因为它们最有机会在严酷的外星环境中生存。可是，与简单生物相关的化学物质，往往也可以通过非生物途径产生。所以，科学家们时而认为发现了外星生命，但又缺乏确凿的证据。
　　不仅如此，外星生命还可能与地球生命大相径庭。比如“硅基生命”就是科幻作品的常客，我们猜想它们的长链分子主要由硅而非碳构成，那么组成它们的化学成分也就与我们熟悉的生命截然不同了。既然如此，我们该如何寻找外星生命呢？“生命”本身是否有特殊之处，让我们能准确地知道它的存在？
　　发现了，又没发现
　　在上世纪70年代中期，美国航空航天局（NASA）的两艘海盗号（Viking）探测器飞往火星寻找生命，但得出的结论颇具争议。探测结果显示，火星上可能存在生命，其证据来自一项同位素标记实验：将微生物所需的食物用碳14标记，添加到火星土壤样品中；如果有微生物摄取被标记的食物，这些微生物就会释放出放射性的二氧化碳，从而被仪器检测到。
　　实验结果是，两个在火星上相距6500千米的海盗号着陆器，均在实验组土壤中检测到了放射性二氧化碳，而经加热灭菌后的对照组土壤则没有，这暗示在火星土壤中发生了微生物代谢。不过，两艘海盗号所开展的其他生命探测实验均没有发现任何生命存在的迹象。


1996年，科学家在南极洲发现了一块火星陨石，其中疑似存在微生物的微体化石（microfossil，利用显微镜才能进行研究的微小化石），似乎又为火星存在生命增添了证据。但随后的研究指出，几种非生物途径也很容易产生所谓的微化石痕迹。　　最近，一些科学家称在金星大气中发现了大量磷化氢，而在地球上，磷化氢主要由微生物产生。但另外一些科学家质疑这个结果，他们认为，即使磷化氢在金星大气中存在，也可能来自金星的某种奇异的火山活动形式，而非来自于生命活动。
　　这些寻找地外生命的故事有着相似的发展脉络：最初线索令人兴奋，接着疑点惹人怀疑，最后生命存在的假设被驳回。一次又一次，天体生物学家似乎只能找到生物征迹（biosignature），但令人沮丧的是，生物征迹不能作为地外生命存在的决定性证据。有什么指标，可以让我们确定发现了外星生命吗？
　　“复杂性”带来的新思路
　　一项发表于《自然·通讯》（Nature Communications）的研究提出了名为“装配理论”（assembly theory）的新思路。装配理论不再关注简单的生物征迹，转而关注生命本质的复杂性（complexity）。它基于一种理念：宇宙中任何形式的生物都会以复杂的分子组合编码生命信息，而这种复杂性与无生命物质迥然不同。
　　在天体生物学领域，呼吁关注“复杂性”的声音已经持续了一段时间。NASA在1994年给“生命”下了一个复杂的定义：生命是能够进行达尔文式演化的、自我维持的化学系统。问题是，这个定义包含的关键概念本身就很复杂、难以被测试和量化。正如NASA的首席科学家吉姆·格林（Jim Green）所说：“我总不可能制造出能够寻找‘演化’、‘繁殖’或‘新陈代谢’这些过程的机器吧。”
　　而装配理论提供了一种更清晰、更普适的生命的定义。装配理论假设，对任何环境中的任何对象（object）来说，当其丰度（abundance）和复杂性增加时，它来源于生命活动的可能性就会增加。丰度指该对象在环境中出现的频率，而复杂性可以通过估算装配出这种对象所需的步骤来衡量。
　　研究合著者、亚利桑那州立大学的生物物理学家萨拉·沃克（Sara Walker）认为，装配理论是天体生物学领域的一个里程碑，因为它首次提出了可操作的复杂性测量方法，使关于生命本质的理论有机会与实验观测数据相结合。


　　复杂的分子


　　尽管装配理论适用于多种尺度的对象，但研究人员重点关注它在分子层面的应用。因为无论在实验室还是在宇宙中，分子都是生物最基础的组成部分。为了衡量分子的复杂性，该团队定义了“物质装配指数”（mass assembly number， MA），通过算法为不同的分子赋值。
　　MA指的是理想情况下构建一个分子所需的步骤数。我们知道一个分子通常可以由多种方式合成，MA对应其中最短的装配路径。它只考虑价态规则，不考虑包括化学反应条件在内的其他限制，且每一步创建的对象可以在随后的步骤中被重复使用。因此，化学键种类越少、对称性越高的分子，其MA值越低，反之亦然。


研究人员为一个化学数据库中的250万种分子进行了MA赋值。被部分科学家视作的金星的生物征迹磷化氢，由1个磷原子和3个氢原子构成，以对称的磷-氢单键相连，其MA仅为1。相比之下，色氨酸分子由11个碳原子、12个氢原子、2个氮原子和2个氧原子构成，结构更为复杂，其MA为12。


为了验证MA的有效性，研究人员用真实的分子进行了检验。因为高MA的分子有更多化学键和相对更低的对称性，研究人员预测它们会在质谱分析中生成更多峰（每个峰代表混合物中的不同离子），而具有低MA的分子则相反。实验结果与他们的预测一致——峰数与MA之间存在线性关系，相关性为0.89。



生命的“门槛”

　　建立起理论与实际的联系之后，研究人员进一步检验他们的核心假设：高MA的分子几乎只能由生物产生。他们检测了多种混合物样品的质谱，包括大肠杆菌、植物生物碱、煤炭、花岗岩甚至啤酒，并根据线性关系估计它们的MA值。研究人员发现，只有具有活生物的样品MA高于15。
　　这项研究的领导者、格拉斯哥大学的化学家李·克罗宁（Lee Cronin）表示，当一个分子的MA大于15时，其在类地条件下产生于非生物过程的概率极低（小于6×1023分之一）。因此，MA值大于等于15的分子几乎只能由生命产生。也就说，我们可以通过MA大于某个阈值的混合物发现生命。
　　那么，15这个MA值是判定生命与非生命的绝对标准吗？不是的。首先，许多MA值较低的分子也可能是生物征迹，比如生物通过光合作用释放到地球大气中的氧气分子结构就很简单。其次，克罗宁指出，虽然在地球上，MA是否大于15似乎是存在生命与否的临界条件，但在与地球截然不同的行星环境中，这个临界值可能不同。
　　为了测试他们的理论，研究合著者、NASA戈达德太空飞行中心的天体生物学家希瑟·格雷厄姆（Heather Graham）向克罗宁寄送了一组盲样。其中一种是数百万年前的生物化石，另一种是默奇森（Murchison）陨石的样品。默奇森陨石是1969年坠落到地球上的一颗火流星，它富含有机的含碳化合物，但不含生物。


克罗宁通过实验发现，化石样品具有高MA值，被确定有生命的痕迹；而默奇森陨石虽然含有丰富的分子，但其MA值仍低于15。这是对装配理论的一次验证，其结果激动人心，表明仅仅是复杂的样品组成不代表有生命的参与，能体现化学组织复杂性的“复杂的分子”才是生命的关键要素。

　　付诸实践


　　NASA以往的星际任务已经在其他星球收集了一些质谱数据。格林与NASA的科学家好奇，是否可以用装配理论在其中寻找生命的迹象。
　　格林首先考虑是从土卫二（Enceladus）采集了水蒸气样品的卡西尼号（Cassini）飞行器。可惜的是，卡西尼号的质谱仪只能检测小于100原子质量单位（amu）的分子，但装配理论只对大于150 amu的分子适用。而NASA的好奇号（Curiosity）和毅力号（Perseverance）火星探测器虽然搭载了可以检测150 amu以上的分子的质谱仪，但它们缺乏研究单一分子的能力，不足以分析出MA值。
　　格林说，未来的太空探索任务都应该配备能测量更大的分子、进行更精确分析的质谱仪。将于2034年飞抵土星的卫星“泰坦”（Titan）的蜻蜓号（Dragonfly）有望实现这一目标。它将探测泰坦的大气和表面，寻找生命的组成成分。尽管蜻蜓号的质谱仪不具备实验室质谱仪的全部功能，但它有能力检测复杂的分子。


在太阳系中，还有可能存在生命的地方等待人类的探索，大型望远镜也为我们在浩瀚的宇宙中寻找着可能宜居的星球。装配理论提供了一个从分子的尺度看待宇宙的新视角，指引我们寻找地外生命时关注独属于生命的复杂性。此时此刻，就有不可计数的复杂分子在我们身体内合成着、流淌着、工作着，它们让我们在宇宙中如此不同。

　　原文链接：
　　https：//www.scientificamerican.com/article/life-is-complicated-literally-astrobiologists-say/
　　论文链接：
　　https：//www.nature.com/articles/s41467-021-23258-x
　　参考链接：
　　https：//doi.org/10.1089/ast.2015.1464
　　https：//www.nasa.gov/feature/dragonfly-launch-moved-to-2027