外星生命探索面临问题 水是生命必须的吗?

　　【奇闻快递】7月16日消息，一个天文学家团队宣布在其他恒星的宜居带内发现了至少八颗行星，不热不冷的宜居带可以维持我们在地球上所知的生命形式。其中两颗名为开普勒438b和开普勒442b，是1900颗系外行星中最像地球的。

　　所谓“像地球”的部分意思是，这个行星可能有液态水——在宜居带内，这的确很有希望。“跟着水走”已经成了天体生物学家在宇宙中寻找生命的魔咒。随着技术能力的提升，对系外行星大气反光中水的特征进行探测已经指日可待，一些天文学家希望能够尽快找到有生命的外星世界。

　　水真的是生命所必须的吗?

　　人们坚信这一点由来已久。1913年，哈佛生物化学家Lawrence Henderson提出了一种奇特的反-达尔文进化论。进化论认为有机体是通过适应来“配合”它们所处的环境的。而Henderson在他的《环境的配合》一书中却说，宇宙环境本身会“配合”产生生命。

　　这非常令人费解。环境怎么会来配合生命?

　　Henderson指出，水看起来具有“生命中心”的特性，它似乎是一种独一无二的生命溶液。在地球上它确实是一种无处不在但又相当特别的液体。其他的简单氢化物分子——如甲烷、硫化氢、氨和氯化氢——在室温和常压下都是气体——除了“一氧化二氢(H2O)”水。水分子间似乎有一种额外的粘性，使之能够结合在一起。

　　水有很高的热容量(它可以吸收大量的热量但温度却不升高)，洋流能够把吸收的太阳热量扩散到全球各处，使行星整体环境变得更为一致和稳定。还有，大部分液体凝固时，体积会收缩，密度会增加，只有水会膨胀，密度会变小。，池塘不会从底部开始结冰，然后无法解冻;相反的，冰会像一个盖子一样把水隔绝在下面。

　　水的溶解性也非常好，从而可以给有机体提供基本的营养元素。假如水失去了携带离子(带电原子和分子)的能力，就不可能有光合作用和神经脉冲。因为水有巨大的表面张力，汁液才能沿着毛细管上升，植物才能长得又高又大。

　　这非常令人费解。环境怎么会来配合生命?行星的化学要素——水、岩石、空气——不会突变也不会繁殖，而突变和繁殖是达尔文主义者眼中所谓“配合”的关键。它确实具有维持生命所必须的特性。19世纪中叶，部分不列颠学者受布里奇沃特伯爵(Earl of Bridgewater)之托写了一系列书，宣称“万物的创生，明确地体现了上帝的力量、智慧和恩惠”——也就是说，想用科学的发现来证明上帝的智慧，亦即所谓的“自然神学”。1834年出版的一部布里奇沃特著作中，英国化学家William Prout宣称，接近冰点时水的膨胀就是神意的一例。

　　Henderson不准备向上帝让步，他也承认，要解释水这种明显的“配合”现象是不容易的，仍然没有更好的答案。他能说的只是“根据当前的假说和法则，无法对这些巧合作出任何解释。”假如这些现象能够被理解，他说，“那么将会是在未来，当我们对物质的特性有了更深入的了解之后。”

　　Henderson之后一个多世纪的研究成果表明，水和生命间的关系比之前想像的更为融洽和复杂。但也显示这种关系可能并不是专有的——生命和水之间的这种特殊的和谐，可能只是达尔文进化论“适应创造可能”的又一杰出范例。

　　以现代的观点来看，水绝不是一个被动的、衬托生命有机分子表演的背景。相反，它是一位积极的参与者。水分子间存在着一种脆弱的弱化学键网络，名为“氢键”，它能够把生物分子像织地毯一样“织”进液体分子里。生物分子和溶液的关系就像在跳一段互动的舞蹈。作为催化剂的蛋白质非常灵活，它能够改变形状，把反应导向正确的方向。蛋白质外形的改变会影响周围的水，使水起伏和晃动，而水的起伏和晃动又会给蛋白质注入“活力”。

　　这种相互作用的微妙可以达到非常惊人的程度。举例来说，德国波鸿鲁尔大学和以色列魏茨曼科学研究所的研究人员发现，当一个蛋白质分子和目标分子(称为“酶作用物”)结合在一起并准备转运它时，结合点附近的水分子运动就会慢下来，会变得浓稠，就好像要把酶作用物固定在原位一样。氢键作用的变化和周围自由水分子的运动，会导致能量以及熵发生细微增减，从而控制和驱动大量精巧且具高度选择性的生化反应发生。

　　在这些生化反应中，既有水从角落和缝隙间被逐出，让位给酶作用物，酶和它的目标分子，亦即酶作用物之间的结合;也有新制造出来的蛋白质链折叠成外形紧凑的酶;既有把蛋白质组装成复杂的生物分子结构;也有把脂肪分子组装成细胞膜。这些反应都受益于水的浸泡，以及水在隔水(疏水)分子间诱发的吸附作用。

　　水分子还能作为附着在蛋白质表面的工具，扩展酶的势力范围，帮助它结合或转运小分子。从酶的通道中穿过的水分子链还扮演着“质子线”的角色，能够引导氢离子，允许细胞把氢原子搬运到新的位置或新的分子中，亦或积累和释放能够产生能量的氢离子浓度差异，就像山坡上利用水流转动的水车。穿过DNA双螺旋结构的水分子网络，任何细小的改变都可以影响DNA分子的弯曲程度，影响插入其中的蛋白质激活或关闭基因的方式。

　　所有这一切都表明水在生命中所扮演的角色，比Henderson的评价更为错综复杂。水究竟具有多少独特性?生命对水的这种能力有多大的依赖性?水所扮演的某些角色，如疏水吸引力，其他溶剂也能够扮演只要溶解的分子与溶剂的关联性不大，无论它们是什么，都会趋向于粘合在一起。而水线中氢离子的传导，虽然对地球生命来说十分重要，它的不可或缺性，对地外生化反应来说却不明显。

　　也可以这样问假如只把水当成一种普通的液体，情况又将如何?北爱尔兰贝尔法斯特大学的Ruth Lynden-Bell和新泽西普林斯顿大学的Pablo Debenedetti对所谓的“反事实水”模型进行了研究，这个模型所展示的，是使水展现出异常特点的核心特征——水中氢键的排列——在模型中，人们可以对它进行精细的调整，从而确定多大程度的调整是被允许的?多大程度的调整又会使水失去独特的属性?

　　水的独特属性并非都有助于生命——有些会造成明显的阻碍。

　　一种最简单的理论模型视氢键为单纯的静电作用带有微量正电荷的氢原子，会和邻近氧原子中带有负电荷的“孤对”电子产生吸引力，电荷相互作用，形成一个四面体。在这种吸引力的支配下，分子间会形成一种特别的几何学排列方式，并在顶层控制着原子和分子间更为一般的吸引力，也就是“范德华力(van der Waals)”(又名“色散力”)。在构造简单的液体，如液氩或液态二氧化碳中，唯一能够阻止分子飞散蒸发的，就是这种力。

　　Lynden-Bell和Debenedetti用计算机设计出了一个水的模型，在这个模型中，氢键的静电作用力(能够维持四面体的存在)和范德华力(这种力在所有方向上都是相同的)能够进行随意的改变。他们把这种假想中的东西戏称为“不是水(not-water)”。结果发现，水的异常特性并非只是作用力的程度问题。氢键的排列方式，和简单球状范德华力的排列方式——它们就像加农炮弹一样——明显是不相容的。在两种极端情况下，我们将得到两个最糟糕的世界无论由哪种力支配，分子的排列都是无序的。换言之，水和缺乏氢键的液体有着质的不同，后者的分子只会相互碰撞。水分子并不是唯一拥有氢键的分子——氨，甚至氯化氢也有。区别在于水分子能够形成巨大的三维网络，因为它们的分子可以粘合成四面体，而别的氢键只能形成长链。氢键的三维网络是水结冰后密度变低的原因，而这是氨和氯化氢做不到的。这是水的独特之处。

　　水的几何结构呢?假如我们改变水分子弯曲的角度，让氢键形成不了完美的四面体，或者让弯曲的程度变大，水的独特属性是否会消失?Lynden-Bell和Debenedetti发现，在这种情况下，只要改变的程度不十分剧烈，水的某些异常特性依然存在，比如水在到达冰点前密度仍然会变大。“这些(几何学)参数拥有足够的宽容度，”Lynden-Bell说。要使水的独特属性消失并不容易，Debenedetti说。

　　水的氢键结构也常被用以解释水中溶质的疏水吸引力。在审视了“不是水”氢键强度和弯曲角度的改变之后，Lynden-Bell、Debenedetti等人得出结论，疏水粒子之所以不溶于水(趋向于结团成块)，主要是因为水分子太小，其间存在的能量足以为这些粒子“挖”出空间，而非氢键本身的原因。几乎很多小分子液体应该都能做到这一点。

　　公平地说，水在某些方面是独一无二的，但在另一些方面并非如此它比较特殊，但并没有那么特殊。而且，它的独特属性并非都有助于生命——有些会造成明显的阻碍。其中之一就是，它太活跃。氧原子中的孤对电子能够吸引分子中带正电的部分，而它们也会破坏已经存在的氢键，并瓦解或重组分子，这就是所谓的“水解”。蛋白质链内氨基酸的结合要依靠肽键，但肽键中的碳原子容易受到这种攻击，通过水解，蛋白质可以被分解。糖分子链，如纤维素、淀粉之类的生物多糖复合物，也会遇到相似的情况。

　　“这对于今天的系统性生命体而言，并不是一个太大的问题，酶可以修补水带来的伤害，”应用分子演化基金会的化学家Steven Benner说。对于生命的起源而言，这非常重要，他说，生物分子的原型要在水中形成并维持，它们并没有酶的协助。“如果说水是上帝设计出来的完美生物质溶剂，那这样的设计无疑是糟糕的，”Benner说。

　　他认为，在原理上不能排除氨、甲酰胺(CHONH2)，或液态烃——土卫六上大量存在的那些东西，也支持不同类型的生化反应。实验室和工业有机化学已经生产出大量非水溶剂(不是水的溶剂)，这些东西通常有非常强的针对性，因为水过于活跃。Benner对土卫六烃海洋中存在疏水生命的可能性特别感兴趣。他和同伴最近进行了一些实验，想看看是否可以制造出一种“基因聚合物”——一种能够把信息编码进分子序列中的物质，就象DNA和RNA那样——并使之在此类液体中工作。

　　他们发现，一种名为聚醚的链状分子在摄氏-70度左右能够很好地溶解在液态丙烷(C3H8)中，这种分子的主干由碳和氧原子交替组成。Benner认为，聚醚在这样的溶剂中能够起到基因数据库的作用。

　　土卫六的温度要低得多它的烃海洋主要由甲烷(CH4)和乙烷(C2H6)组成，温度只有摄氏-178度左右。在这样的极端低温下，大部分聚醚不能溶解。Benner推断说，土卫六上的液态甲烷“太冷，以致于几乎无法溶解一切对生命有意义的物质。”他说，这并不是因为烃是一种糟糕的溶剂——只是因为液态水的温度更高，温度高的液体溶解性更好。“一个温暖的土卫六，”他说，“一个位于太阳系宜居带内，大约相当于火星位置的行星，可能会有一个内含丙烷、丁烷甚至戊烷的烃海洋。”这些溶剂在相应的温度下将保持液态，并能够溶解大量物质。

　　Benner认为另一种理想的水替代品是甲酰胺，它可以由一氧化碳和氨，或氰化氢和水合成——而这些简单分子在星际空间和外星环境中都能够找到。“甲酰胺的溶解力以及保持液态的温度范围和水非常相似(甚至可能更好)，”Benner说在一个大气压下，甲酰胺的溶点是摄氏2度，沸点是摄氏210度。而且它没有水那种破坏聚合物的倾向。Benner和他的同事们最近向我们展示，在含硼矿物的催化作用下，磷酸盐类能够在甲酰胺里与腺苷分子结合，形成磷酸腺苷，磷酸腺苷是RNA和DNA的基本材料。与之相反，水会破坏磷酸腺苷，使之难以形成核酸。

　　假如在宇宙中，水之外的溶剂确实能够为其他形式的生命起到相似的作用，那么地球上生命和水的这种亲密关系可能只是环境和生命相“配合”的极端机会主义式的反映。地球生命已经习惯了这种奇怪液体所提供的一切。我们可能在天体生物学中高估了水的重要性，而与此又在地球生物学中低估了水的意义和精巧作用。

　　确实，我们在地球上发现的每一种适应性，都会提升水在生命中的重要性。生命可以生活在地球深处炽热高压出产石油的岩缝里，生命可以生活在南极冰湖下。微生物能够在炙热干旱的阿塔卡马沙漠活下来，也能够在滚烫的深海火山热液口周围繁殖。生命能在浓度极高的盐水中生存，能够忍受高浓度的有毒重金属，也能够暴露在高离子辐射的外太空而不以为然。当我们以为没有一种有机体能够离开水进行新陈代谢的，微生物却能够适应重水中的生活，某些隔离酶在完全无水的环境下，也能或多或少地工作。以上这一切，都在试图让我们相信，一旦达尔文式的进化开始，生命几乎能够在所有环境中前进。

　　Lynden-Bell也赞同，我们不应该低估自然选择在各种环境中使生命得以维持的能力。“我个人相信，演化能够利用它所发现的环境，而且很有可能存在着与我们完全不同的演化场景，”她说。生命也能改造环境，使之与自身相配。温哥华不列颠哥伦比亚大学的Col Goldblatt指出，如果以我们当前的视角来看，只有寒冷而潮湿的外星世界看起来才稍微那么宜居一点，那么宜居带究竟在哪里其实取决于行星的大气层内有什么在地球上，二氧化碳(在一定程度上由生命守护着)使我们行星的温度维持在冰点以上。换而言之，是“居住地决定宜居性，”他说。，在我们确知生命存在之前，不能对水是否能够维持生命作出草率的判断。

　　现在，让我们来算一算。根据目前的统计，平均来说，每一颗银河系里的恒星至少拥有一颗行星，在与太阳类似的恒星中，有五分之一的宜居带内存在着与地球类似的行星。，仅仅银河系内就至少有110亿个这样的外星世界——而可观测宇宙中至少有1000亿个星系。

　　在这样的前景面前，我们真的还能坚持水是生命必须的吗?