途中的通识课堂|我们身边有怪物或外星人吗？

我们该如何去识别根本就不了解的生命呢？鉴于生物进化所带来的巨大变化，本源不同的两种有机体几乎不太可能有相同的生化特征。微生物学家将已知的生物称作“标准生命”，而将猜想中可能存在的其他生物称作“怪异生命”（怪异生命有“非我们同类”的意思，也有天外来客的意思，因此怪异生命也可能是外星生命，比如来自火星的生命。正如我在前文中提到过的，在现阶段这二者的区别并不是特别重要）。

寻找怪异生命面临一个问题，即我们不知道到底要寻找什么。有一种策略可以解决这个问题，就是到怪异的地方去寻找，对所有活着的东西都加以注意。但到底怎样才算怪异呢？过去的30年里，生物学家不断惊奇地发现，在过去认为完全致命的地方发现有生命存在，而且这些生命还充满了勃勃生机。在20世纪70年代，人们在黄石国家公园等地的热温泉里发现有微生物存在。这些生命力顽强的生物可以忍受90℃的高温，并因此被称作嗜热微生物。能有上述发现本身就已经足够令人惊奇了，但是还有更令人惊奇的事情等在后面。阿尔文号（Alvin）潜水艇在对洋底火山口进行了一番勘察之后，向我们展现了一个完全处于黑暗中的完整的生态系统，而且这个生态系统就在“黑水喷口”--海底不断喷射暗色液体的矿物烟囱，温度通常都在350℃以上--附近。这条食物链底端的初级生产者是一些微生物，它们聚集在滚烫的水流周围，忍受着时常超过120℃的高温。这个温度比水正常的沸点要高很多（水之所以没有沸腾，是因为这里的压力很大）。这些能够适应极高温度的微生物被称作超嗜热微生物。它们能够在黑暗中生活，因为它们不需要光来提供能量。它们利用从地壳里喷射出的液体中溶解的气体来完成新陈代谢并直接制造生物量。人们还发现了很多其他生活在不同的极端环境中的微生物。比如说有一些生物体被称作嗜冷微生物，在极度寒冷的条件下--或许能低到零下20℃--才会停止生长。还有一些生物可以承受能够腐蚀肉体的强酸环境，而另有一些生物可以承受强碱环境。死海（The Dead Sea）这种称呼貌似用得很不得当，因为死海里生活着很多嗜盐微生物--一些在盐分很高的环境中能够快乐生活的生物体。或许最令人称奇的还要数耐辐射奇球菌（Deinococcus radiodurans）等耐辐射的微生物了，它们可以在高剂量的辐射中生活，人们还在核反应堆的废料池里找到过它们的踪迹。

这些奇怪的微生物总称为“极端微生物”。虽然这些微生物非常奇异，但经过分析发现，所有这些极端微生物都属于标准生命--它们和你我一样，都属于同一棵生命树。这些微生物的存在证明生命能够承受的环境条件比我们早先猜测的要广得多，但是环境条件的范围还是有一定界限的。比如说，所有的标准生命都需要液态水。单是这一点就限制了生命能够承受的温度和压力范围。

如果真有影子生物圈，那么其中居住的肯定是怪异的“超级-极端微生物”，其生存环境的恶劣程度就算是最顽强的标准生命也承受不了，并且由于人类未曾想过要在如此极端的环境中寻找生命，所以这种生物尚未被发现。温度条件就是其中很好的一个例子。标准超嗜热微生物能够承受的温度上限大约是130℃--这么说也是有充足理由的。酷热的环境会使重要的分子活动出现紊乱，甚至损坏生物的修复和保护机制，温度大幅超过120℃之后，DNA和蛋白质就开始解体和分裂。假设我们在深海火山口系统中没有发现任何生活在130--170℃之间的生物，但却发现170--200℃的环境中有大量微生物存在，这到底说明了什么呢？生物出现的温度范围有一定的不连续性，这点很有力地证明了我们正在处理的是与标准生命相对的怪异生命，正是这些怪异生命将生物生存的温度限制提高了。

另外一种限制条件是深度。20世纪80年代，特立独行的天体物理学家，康奈尔大学的托马斯?戈尔德（Thomas Gold）在苏丹指导了一次试探性的石油钻探项目，并宣称在数千米深的钻孔底部发现了生命的存在，引起了科学界强烈的反响。当时相信他的人并不是很多。不过，过了几年，其他研究者也陆续在地底深处的岩石孔洞中发现有生物存在，但是这还只是个开始。人们从海底钻孔里取出岩心，发现每立方厘米的岩心中就包含着数以百万计的微生物，一直到钻孔的最深处（大约1千米）都有微生物存在。很快人们就清楚地认识到，在我们的地球内部也有微生物居住的宽广空间。谁也不知道这个深入地底的、酷热的生物圈有多么宽广，也不知道它能深入地下多远；戈尔德推测地下的生物量和地表的生物量应该相当。如果实际情况真如戈尔德推测的那样，那么我很容易就能想象到有很多孤立，或近于孤立的隐秘生态系统存在，每一个生态系统都能够自给自足，而且大体可以算作与通常意义上的生态系统互相隔绝。

事实上，人们已经发现了3个几乎与生物圈完全隔绝的生态系统。这些异乎寻常的微生物群落深藏在地底，是以氢为能量源的生命代表。氢的产生有两种途径：一种是通过水与炙热的岩石接触时分解而来，另一种是通过放射活动产生的。这些生物体使氢和溶解在水中的二氧化碳化合，并以此获得能力和制造生物量，同时释放出废气甲烷。这些生物中很多都是嗜热微生物或超嗜热微生物，因为随着深度的增加，地壳会变得越发炙热。尽管这3个地下生态系统与外界的隔绝很完全，但最终研究结果证明其中生存的微生物还是标准生命。但可以明显地看出，科学家现在所观察到的微生物群落只是冰山一角。由此引出一个令人着迷的问题，在这些孤立区域中除了标准生命之外，到底有没有怪异生命存在。未来会有这样一个钻探项目--可能在陆地上，也可能在海中--会触及怪异生命生存的孤立区域。即使我们运气不够好，没能真正找到这样孤立的区域，但我们还是有可能找到证明这些藏在深处的怪异生命存在的间接证据。比如说，标准生命体内都有病毒寄生，而且多半时候都没有产生不良的表现。病毒会侵入植物、动物和细菌体内。因为病毒极其微小，因此其分布相比其他具有细胞结构的微生物要广泛得多。它们到处都是--在土壤中、空气中和水中都有。海洋几乎可以称作“病毒汤”，每升海水中包含着100多亿颗病毒颗粒。如果怪异微生物生活在地球的地下（可以是地球上的任何地方），已经与这些怪异微生物相适应了的“怪异病毒”很可能就分布在这个生物圈周围。这些怪异病毒也有可能和常规病毒一同出现在海水或空气中，但是可能性非常低。据我所知，至今还没有人想过要搜寻这类病毒。

另外还有很多可能成为怪异极端微生物生存的地点，这些地方的环境太恶劣，已经远远超越了标准生命能够适应的舒适区域。阿塔卡玛沙漠（Atacama Desert）的核心区就属于这一类区域。那里太干燥，氧化作用太强，细菌完全无法进行新陈代谢。NASA在那里设立了一个现场工作站，但至今仍未发现任何可能是由怪异生命引起的碳化学证据。其他可能存在怪异极端微生物的区域包括高层大气、寒冷干燥的高原和山顶（这里的紫外线通量是标准生命无法承受的），温度低于零下40℃的积冰内以及受有毒金属--对标准生命而言--严重污染的湖中。如果使用技术性的思维来总结上述内容的话，我们可以假想一个多维的“参数空间”，“参数空间”中包含着温度、压力、酸碱度（pH）、盐度、辐射等变量。尽管近年来的发现使“宜居区域”的界限出现了惊人的扩展，但我们已知的生命在这个参数空间中还仅仅是局限在某个有限的区域中。总之，已知生命的活动区域总有一个外围界限。从生态学上与常规生物圈完全隔绝的影子生物圈在这个参数空间中所占的区域应该也是独立的。我们不必将搜寻怪异微生物的工作局限在温度等单一的参数上；对温度和酸碱度的组合研究或许会更加有效。

我们面临的真正挑战是在怪异微生物的相对数量较低的情况下，准确地将其定位。我们在超越中心的研究中有一项是将吉尔?列文设计用于火星“海盗号”上的标记释放实验（LR实验）加以改进。毕竟，设计这个实验的初衷就是为了发现物种不明的生物体，实验使用的生命概念非常宽泛，仅需要生命系统具有碳循环的能力，而我们预计影子生命应该也是存在内部碳循环的。LR实验真正不可思议的地方在于其惊人的敏感性。正如我之前解释过的，这项实验是通过放射性碳元素（C14）标记的营养液实现的。任何由新陈代谢引起的碳循环都可以通过寻找排放的二氧化碳中是否含C14来判断。因为即使极微小的放射性也很容易检测出来，因此LR实验可以探测到极细微的生物活动。如果在高山顶或阿塔卡玛沙漠中心，或者别的什么地方（假定它们不会在精心制备的营养液中存在）有怪异生物存在，吉尔设计的实验就能找到它们。我们所做的第一步是要确定这些生物是属于标准生命树的一支--只不过比极端微生物还要极端--还是属于另外一种生命起源的后代。

我们身边的外星生命

在上一节里，我探讨了一种想法，认为怪异生命可能局限于标准生命无法生存的孤立区域，因此要探测到这些生命还比较容易。如果怪异生命和标准生命混杂在一起，那么我们的探测工作将会更加困难。科幻作品有一个长盛不衰的主题，认为外星生物一直生活在我们中间，很难和人类区分开来。《夸特马斯2》（Quatermass 2）就是一个非常经典的例子。《夸特马斯2》是BBC电视台在20世纪50年代制作的一个系列恐怖片，片中有一些很不走运的人被外星人“绑架了”。另外还有20世纪60年代连播很久的美国电视系列剧《入侵者》（The Invaders），剧中的外星人伪装成人类，混居在我们的社会中。这种类型电视剧的流行有部分经济上的原因：人类演员化一点点装或根本不化装就能演外星人，可以节省很多成本。有数十年的时间，科幻作品中如此表现外星人还有一个原因是由于很多西方人对“冷战”的恐惧，他们变得草木皆兵，认为“床底就有红军间谍”。特效技术、服装设计和电脑合成图像等方面的进步使刻画外星人的方式发生了改变，因此在电影《星球大战》（Star Wars）和《异形》（Alien）上映之时，外星人的形象已经变得更加多样化，且也不再是人类的翻版了。

对科幻作品我们暂时只说这么多。从现在的角度看来，外星人潜入人类中间这个主题很可能是真实存在的，只不过潜入的是一些微型变种的“外星人”。如果怪异微生物和标准细菌看起来很像，而且与我们生存在相同的环境中，那么或许这些怪异微生物早就被人观察到，但是由于缺乏明确的标准来判断这些微生物的存在，所以它们的出现并没有激起人类的反响--它们还会继续隐藏在微生物群落中。从某种意义上讲，可能在我们鼻尖底下（甚至在我们的鼻子里！）就有外星生物存在，但是尚无法辨识它们的存在。因此，棘手的问题在于如何辨识它们。

其中一种方法是利用生物化学手段来进行辨识。两种微生物的外观可能很相似，但是它们内部的化学结构肯定有很多不同。如果我们能预先知道外星生命的生物化学特点，我们就可以对微生物样本进行测试，寻找这些生化特点。这种方法的关键在于猜测要准确。由于我们并不知道到底要寻找什么，所以这种做法是非常有挑战性的。但我们可以依据现有经验做出一些猜测。其中最明显的一个例子就是手征性--挑选右旋的糖类和左旋的氨基酸，而不是它们的镜像形象。如果生命重新开始，很有可能会选择相反的手征性。即使这种“镜像”生命和标准生命的各个方面都非常相似（比如说，由同样的核酸和蛋白质构成），还是会因其生物化学特点而显得与众不同。我们需要的是制作一种能够过滤标准生命的化学滤器，过滤出镜像生命。几年前，我和我的妻子波林（Pauline）探讨过这个问题，当时她有一个非常好的提议。她说，镜像生命当然不会对标准生命喜欢的培养基感兴趣的，它们更喜欢“镜像汤”--在这类培养基中标准的糖类和氨基酸被其镜像形象所取代。而对标准生命而言也是同样的道理。通过这种方式，我们就能像分清绵羊和山羊一样分清两种不同的微生物了。我们说服理查德?胡佛（Richard Hoover）和艾琳娜?皮库塔（Elena Pikuta）在位于阿拉巴马州亨茨维尔（Huntsville）的马歇尔航天中心（Marshall Spaceflight Center）完成了一次先锋性的镜像汤实验。实验的结果非常有趣。胡佛和皮库塔在加利福尼亚的一座高碱度湖中发现了一种新的极端微生物。他们将这种微生物命名为aerovirgula multivorans（意为不足为奇的小家伙）。很遗憾，这次发现的不是我们期望的镜像微生物，而是一种适应了镜像汤的标准微生物。实验结果表明标准生命有时也会使用镜像分子（比如说在细胞膜中），而一些标准微生物体内含有特殊的酶，可以将手征性“错误”的分子分解，并转化成有效的产物。胡佛通过研究认为aerovirgula multivorans可以消化镜像阿糖生长，但是却不能消化标准阿糖获得生长的能量，这个结果非常令人惊奇。因此利用手征性研究的方法变得有些令人费解了，而且明显比我们预想的要复杂很多。但是，利用手征性作为研究怪异生命的一种方法仍然是一种简单有效的技巧。

另外一种线索可以通过怪异生命可能使用的生命组成材料来获取。如我之前提及的，标准生命利用21种氨基酸制造蛋白质，但除此之外还有很多其他种类的氨基酸存在。1969年，一块不同寻常的陨石降落在澳大利亚默奇森（Murchison）小镇附近，这块陨石属于极为罕见的碳粒陨星。默奇森陨星中含有大量的有机物质--含量非常高，陨星闻起来有石油的味道--其中还有很多标准生命不会使用的氨基酸。有一部分人直接得出结论，认为这块陨星上曾经有外星微生物寄居，现在它们的尸体已经分解腐烂了，只留下一些独特的氨基酸成分供我们调查。但这种结论有一些推测的成分；这些有机分子更可能是在宇宙空间的某个地方形成的。正如我在第二章中提及的，在实验室中制备氨基酸并不是很困难，因此推断也有很多自然方法可以形成氨基酸。地球形成早期，外表可能布满了碳质材料，这些碳质材料源自从天而降的陨星和星际颗粒，很可能为最早的生命提供了基础材料。如果这种说法是正确的话，那么原始的细胞形成时可能会从这些混杂的有机混合物中加以选择。据我们现有的知识可知，现有已知生命所选择的21种氨基酸并非仅有的一种组合；其他的组合也是有可能出现的，而且如果生命的起源不止一次的话，其他的组合也可能已经出现过。

史蒂芬?伯纳（Steve Benner）是一位生物化学家，同时也是一位闻名世界的合成生物学专家。他对含有“非自然”成分--由他自己嵌入细胞中--的细胞形成过程非常了解。其中有一类名为2-甲氨基酸的分子在标准生命中是不存在的，而伯纳则认为这类分子很适合合成生命。如果我们在生物体中发现这类氨基酸，那么这种生物体很可能是一种新的怪异生命。事实上，我们根本就不需要找到这种微生物的本体：含有2-甲氨基酸的有机碎屑--特别是在手征性也和预想的情况一致时--也可以成为断定怪异生命存在的一种信号。伯纳这种通过氨基酸来判断的方法是一种很普遍的策略：列一张已知生命不会产生的有机分子列表，这些有机分子在已知生命的遗骸中也不会出现，最好还是通过非生物方式也无法合成的有机分子。然后，去寻找就可以了。至今尚无人尝试过这种方法：还没有人对怪异有机物进行过系统性的搜寻。

与氨基酸相关的还有遗传密码，正如我此前解释过的，标准生命的遗传密码是具有普遍性的。我们可以想象有另外一种生命，DNA和21种氨基酸都与标准生命相同，但所适用的遗传密码却是不同的。我们很容易就会忽略这种和标准生物“近乎一致”的生化特征，但在分子生物学家的细致研究之下，它们就很容易显露出真面目来。如果怪异生命与标准生命的形成过程完全是互相孤立的，那么更可能的情况是，怪异生命会使用一套完全不同的氨基酸，并因此需要采用一套完全不同的基因密码。我们甚至可以想象G、C、A和T四种核苷酸中有两种不存在，或者被其他核苷酸取代，或者有更多种类的核苷酸（比如说是6种，而不是4种）。这些情况在合成生命中都是可能的，因此在其他起源的自然生命中也是可能出现的。因为基本生化特征与标准生物不同的怪异微生物有机体几乎不太可能对标准的生化探测技术产生任何反应，因此怪异微生物很可能就在我们身边，只不过暂时没有检测出来罢了。

另外还可能有一种更为特殊的怪异生命，组成有机体的化学元素都与标准生命不同。我们所知道的生命都是建立在碳化学的基础上的，但另外还有几种非常关键的元素，如氢（H）、氮（N）、氧（O）、磷（P）和硫（S）。有推测认为硅可以取代碳，这种推测在《星际迷航》中出现过，但生物化学家对这个推测并未进行过严肃的研究，因为硅不能像碳一样形成丰富多样的复杂分子。另外，我的合作伙伴费利萨?沃尔夫-西蒙（Felisa Wolfe-Simon）提出过一种更加可行的替代方案，他认为砷可以取代磷。砷可以完成磷同样的构架结构和储存能量的工作，而且更好的是，砷还可以成为能量（即食物）源。事实上，已经发现有微生物利用过砷，但是并没有将砷吞入体内，也就是说：砷化合物的能量被榨干之后，遭到抛弃。砷之所以有毒，完全是因为我们的身体无法将其与磷区分开来。费利萨希望能够找到以砷为主体构架的怪异微生物，在那些微生物体内，成为毒药的将变成磷。