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第10章 不可取代的碳原子

在一本讲生命的书里,以《星际迷航》作为某一章的开头似乎不是个好主意。从1966年开始播出的该系列电视剧和电影都是建立在吉恩·罗登伯里(Gene Roddenberry)的一个概念上,这也是当时普遍看法的一个缩影:生物学是不受限制的。在银河系中,星际飞船“企业号”的船员们跟着飞船四处游荡,遇到了奇怪的生命体,还尝试找出缓和它们暴躁脾气和侵略性倾向的方式。这个系列的主题是宇宙中包含着无尽的、不可预知的生物学潜能,这也是科幻小说里常见的思想。《星际迷航》几十年来的电视剧和电影作品都是从这个简单的概念衍生而来的。

我绝对不是《星际迷航》的铁杆影迷[1],但是我跟柯克船长的扮演者威廉·夏特纳都认为,1967年播出的“黑夜魔王”这一集是最棒的。在这一集中,杰纳斯行星上的50个矿工被一种恼怒的生物杀死,这种生物会向物体喷射腐蚀性物质。船员们找到这种生物后,发现它是一种硅基生命,由跟石头成分相同的硅酸盐物质组成。[2]当时矿工正在采集硅球(一个硅球就放在矿工主管的桌子上),这些硅球不是普通的大石头,而是奥尔塔这种生物的卵。经过企业号船员的调解,奥尔塔不再喷射腐蚀剂了。随着文化的交流,奥尔塔帮助矿工找到了贵金属,作为交换拿回了卵,皆大欢喜。

奥尔塔及其后代反映了生物学上的另一个基本问题:构成生命的元素,或者说生命的原子构成,是否可以跟我们地球上的不同?要弄清这些最基本的问题,我们将继续顺着生命的阶梯向下进入原子尺度,仔细研究在更基本的物质层面上,物理过程是如何塑造出这些结构的。

组成地球上生物的基本分子里的原子框架是由各种各样的元素组成的,但是构成巨大生物分子神殿骨架的主要元素是碳。该元素属于元素周期表的第四主族。它下方的硅元素也在同一族中,有相似的化学性质。那么有想象力的人就要问了,在生命中用硅代替碳,是否可行?宇宙里到处充满着硅元素,如果用它组成生命体,资源肯定很充足。正如柯克船长可能会考虑的那样,奥尔塔有什么不好的?

要回答这个问题,并解释生命为什么选择了碳元素,我们必须了解组成生命体的原子的结构。通过深入研究元素周期表和原子的物理学性质,我们将找到非常普适的物理学原则,最终的核心观点是:碳是构成生命形式最合适的元素。

1869年,德米特里·门捷列夫制作了第一张元素周期表。如今的元素周期表包含了已知的所有元素,包括自然存在的和实验室合成的。每一个元素的原子中心都有一个原子核,原子核里有带正电的粒子——质子。除了氢元素(它只有一个质子)之外,其他元素的原子核里都有一些中子,这些不带电的粒子能够维持原子核的稳定。在周期表中,元素按它们拥有的质子数量排序,有时这个顺序也被称为原子序数。所以只含有一个质子的氢就是1号元素。[3]它位于元素周期表的左上方,名字复杂的是118号元素,位于周期表的右下方。

原子中心的小型粒子团周围是电子,这种亚原子粒子也带有一些波的性质,就像光一样。与质子不同,电子带有负电荷。原子总是电中性的,它们不带电,因为质子带的正电与电子带的负电互相抵消。换句话说,一个原子中电子的数目与质子的数目必须是相等的。

现在,我们得到了一幅关于元素的简单图像,原子序数从左上到右下依次增加。原子核中的质子和周围轨道上的电子不断增加,逐渐形成了各种各样的原子,创造了每一种元素,宇宙和生命都是由它们组成的。

不过我刚才提出的观点中有一个小问题。在增加粒子个数时,我们不能直接把电子逐一增加到原子上。两个彼此完全相同的电子会相斥,就像生日会上互相较劲的同卵双胞胎,他们不喜欢被拿来比较,更喜欢朋友们把他们当作独立的个体。因此,电子是不能直接堆积到一起的。不能有两个或两个以上的电子处于完全相同的状态,这个定律是由奥地利物理学家沃尔夫冈·泡利提出的,并根据他的名字被命名为泡利不相容原理,遵守这条原理的粒子(包括电子)被称为费米子。[4]

那么,如何让一个原子中互斥的两个电子并排排列呢?一个方式是改变电子的自旋。如果两个电子的自旋方向不一样(比如一个向上,一个向下),那它们就是不同的。就像双胞胎有一些各自不同的特征,让他们感到自己是不同的,这样的两个电子并排并不违反泡利原理。[5]然而,泡利原理又让我们无法添加第三个电子,因为我们找不到其他性质可以改变,让第三个电子也不同。就像亚原子状态下的挪亚方舟,电子只能两个两个地增加。

当我们给原子增加电子时,它们会占据所谓的轨道,有时也叫作壳层。每个壳层或者每个轨道上的电子数都是2或者2的倍数,确保不会违反泡利不相容原理。

当电子排布完成后,进入最后轨道的最外层电子就异常重要了,因为它们是将来接触到另一个原子的先头部队,它们决定了化学键的性质,甚至决定了这个原子是否可以和另一个原子反应。电子轨道没有完全被填满的原子会得到或失去电子,最终形成一系列的完整电子对:空的电子位让原子具有反应活性。

泡利不相容原理解释了为什么惰性气体(比如氖、氩等)是惰性的。它们最外层电子层有4对电子对,没有多余的空间,这意味着它们没有空间接受其他原子的电子,即参与化学反应。因此,惰性气体很难发生化学反应。

原子中的电子排布决定了元素周期表中1~118号元素的排列方式。表中的同一列元素的原子,其最外层电子数目都相同,这意味着它们的化学特性非常相似。所以现在我们可以发现,原子的性质和它们构成物质世界的方式是由电子的排布方式决定的。一个简单的物理学原理决定了这一切:泡利不相容原理。

让我们说回到生命,考虑一下大部分生命分子中最核心的元素:碳。它有6个电子。为了满足泡利不相容原理,这6个电子必须以这种方式排布:2个电子在最低的轨道上,称为1s轨道;2个电子位于靠外的相邻轨道,称为2s轨道;剩下的2个电子位于同等高度的另一个轨道,2p轨道。[6]

那么,奥尔塔是什么情况呢?这种虚构的生物是由硅构成的,硅在元素周期表里跟碳属于同一族,不过在碳下面一行。硅的14个电子是怎么排布的?2个电子在1s轨道上,2个电子在2s轨道上,6个电子排布在3个2p亚轨道上,2个电子在相邻的更高3s轨道上,最后2个在3p轨道上。[7]尽管硅比碳拥有的电子更多,但是最外层的电子同样有2个在s轨道上,2个在p轨道上。这种相似性解释了为什么碳和硅有相似的化学性质,也解释了人们为什么会构想出奥尔塔。

现在我们已经掌握了一个基本原理,这是生物学的核心所在,位于生物学的最低层次——原子和亚原子组分的水平。下面让我们进一步探讨:是什么原因让碳元素成了生命分子优秀的组件,硅元素是否合适呢?

碳的大小刚好合适。它的最外层电子能够跟其他原子的电子配对成化学键,从而形成分子,但是这些电子仍受到原子核的紧密束缚,也就是说这种连接很牢固。它们之间的距离并不远,如果太远的话,电子就很容易脱离原子。生命体必须能够构建像DNA一样稳定的分子,还必须能够在不消耗大量能量的情况下分解旧分子,以形成新分子。碳元素完全符合上述要求。

最外层的电子(包括2p轨道上的2个电子和2s轨道上的2个电子)喜欢和其他原子上的电子配对形成化学键。在一个非常常见的碳原子反应中,它的一个电子会跟氢元素唯一的电子形成碳氢键,这种键出现在生命分子的各种形式里。碳还可以和其他碳原子以及硫、磷、氧、氮原子等形成化学键。这些键的强度相似,所以碳只需要花费很少的能量就能切换与之连接的原子种类。这种原子还有其他的排列方式:2p轨道上的2个电子可以和其他碳原子中2p轨道上的2个电子形成双键,还可以形成三键,这进一步增加了含碳分子的复杂性。

碳元素易于形成化学键,成键之后灵活多变,这些特性造就了碳链、碳环等多种结构:最简单的气体甲烷就是由1个碳原子结合4个氢原子组成,而复杂的DNA分子则拥有惊人的长度,一个人的DNA完全解开有2米长![8]因此,你可能会问,其他元素是否也可以像碳一样,以灵活的方式组装成多种多样的分子呢?我们不妨试试硅,它是地球上除了氧之外丰度第二高的元素,看起来是个相当好的选择。

尽管硅和碳最外层的电子构型相似,但是它们有一个关键的不同点。前面说过,硅有14个电子,碳只有6个,这意味着硅的外层电子离原子核更远,受到的束缚也比碳的外层电子小。硅的电子与原子核结合得不那么紧密,所以它们与别的分子形成的键也比碳要弱。硅硅键的强度只有碳碳键的一半,所以在自然界你很难找到超过三个硅原子相连的情况。[9]所以,硅几乎不能组装成复杂的链条和环,而我们在碳基生命里时常看到几十个碳原子相连组成链条或者环。电子和原子核结合不够紧密,就容易被别的原子或者同种原子夺走形成电子对,这就增加了原子的反应活性。硅形成的某些化学键是很不稳定的。比如硅烷(SiH4),结构跟生物学中的重要气体甲烷(CH4)很相似,但是它在室温下就可以自发燃烧起来。[10]

硅还有另外一个致命的弱点。碳原子与氧原子可以通过双键结合,一个碳原子与两个氧原子结合后会形成二氧化碳气体,这种气体用途很多,比如成为光合作用的原料。然而,因为硅的尺寸更大,所以它不容易和氧形成双键。这些氧原子仍然有一个单键是空闲的,可以跟其他硅原子结合。结果就是,硅和氧的连接能够形成一张大网。这张网大家都比较熟悉,就是硅酸盐的结构,硅酸盐也是组成玻璃、矿物、岩石的成分。不幸的是,不像很多其他硅化合物,硅酸盐非常稳定,一旦硅被锁入这个结构,它就只能待在原地了。只要看一眼岩石,我们就能直观感受到为什么硅基生命是不可能存在的。

岩石里的硅酸盐种类之多令人眼花缭乱,几乎可以媲美碳化合物。[11]但是硅酸盐是石头的原料,而不是生物化学反应的原料。它们内部的网络让它们难以发生化学反应,硅酸盐陶瓷可以用来制造隔热罩,在航天器进入地球大气层时起保护作用。上千度的高温依然没有办法动摇这种材料的结构,当然它也无法发生有趣的化学反应。

尽管在我们的星球上,大部分硅都被锁定在通常不与外界起反应的硅酸盐里,但这并不意味着生命中没有这种元素。硅藻是一种生活在海里和淡水中的藻类。硅藻细胞的细胞壁是由二氧化硅构成的。这种进行光合作用的微生物形状多样,有星状、桶状,还有船形。[12]植物也能收集并利用二氧化硅。[13]在某些情况下,硅的总量超过了植物总质量的1/10。植物很容易从土壤中吸收硅酸,硅在植物生长、维持机械强度和抵抗真菌感染中起了一定作用。硅在植物细胞中形成植硅体,有助于维持植物的刚性,而刚性是逆重力向上生长所必需的。二氧化硅结构(被称为针状体)甚至还出现在某些海绵的原始骨架中,这些海绵属于地球上最早的多细胞生物。[14]

任何明智的科学家都不会排除硅作为生命基础的可能性。即使是在地球(硅酸盐在地壳中占据90%)上,这种元素也没有全与氧结合形成硅酸盐。硅和碳形成的化合物——碳化硅(SiC)是自然存在的。[15]在星际空间中,许多硅化合物,比如硅氮化物、硅氰化物和硅硫化物,都被发现了,说明在宇宙的尺度上,硅形成了很多不常见的化合物。之前我们比较了解碳化学,而对硅化学知识不够了解,所以形成了某种偏见。当我们更深入地研究了硅化学后,我们收获了很多惊喜。跟碳一样,这种原子似乎也形成了形形色色的化合物,有些有机硅化合物也能形成链状结构。[16]也许,我们之前总是泾渭分明地看待这两种元素,却忽略了某些基于碳和硅相结合的骨架的生命形式。[17]

给它一个机会,硅能形成更多产物,有成为生命的可能。在硅的结构家族中,有一种名字拗口的笼形分子叫倍半硅氧烷(silsesquioxane)。我们可以把各种各样的结构加到这种分子的核心,制造出种类丰富的其他分子。在适宜的实验室条件下,其他硅化合物也能形成具有20个以上连续原子的硅链,就像构成生命分子的长链化合物一样。

尽管我们在探索复杂硅化合物时发现了它们的惊人的多样性,但是生命也没有闲着。它已经在很多情况下检验了这个元素,用它来实现各种功能,但是就我们所知,用硅元素还不能组成生命体中普遍存在的主要分子,形成我们所说的硅基生命。哪怕是充满硅元素的植物,也还是由细胞构成的,而组成细胞的糖、蛋白质和脂类都是碳基化合物。生命利用硅,是用它来制造坚硬如岩石的硅质支撑材料,比如植硅体和针状体。或许生命结构里的硅元素是地球生命演化的遗迹,但生命最终还是选择了碳。如果生物体发现利用硅化合物会增加一些生存机会,它们肯定早就用它了。地球的演化实验显示,在我们这个星球的条件下,在几乎所有的生化过程中,碳都要优于硅。

在碳、硅所在的第四主族中,随着原子大小的增长,其他元素的问题更大。硅下方的元素是锗,但是以锗元素为主的生命形式还没有被发现。[18]就我们所知,这种元素也不能形成构建生命系统所需要的一系列化合物,再往下的锡和铅更不可能支持奥尔塔的存在。

我们用了各种推理方法,在元素周期表里寻找哪些元素可能会形成生命,而碳元素无疑能够形成最大、最多的分子。很可能宇宙其他地方的生命过程也会聚焦在这个元素上,它是生命的基本组件。如上所述,碳是最好的选择,背后的原理是泡利不相容原理,它是量子层面上的普遍原则,建立了原子中电子排布的规则。

那些持怀疑态度的人可能还是不相信。如果其他生命形式不但改变了它们使用的核心原子,还改变了生命所需的溶剂呢?也许,假定生命只能以碳作为化学基础、以水为溶剂限制了我们的想象力。我们是否应该考虑,液体和生命关键元素之间能否有不一样的组合?想象一下,硅基生命会不会在液氮里产生和演化呢?[19]液氮能够提供足够低的温度,让复杂且不稳定的硅化合物保持稳定,比如硅烷和硅烷醇化合物,后者类似于我们这个世界里的醇类。[20]

根据上述假设,我们可以构建一个疯狂而离奇的地质循环。行星上岩石中的硅可以和二氧化碳、氨和其他化合物反应产生硅烷和硅烷醇。这些物质最终会被转运到液氮海洋里,在那里参与进一步的化学反应,为硅基生命奠定基础。发生这些奇妙生物反应的地点,可能是海王星的卫星海卫一,这里冰雪覆盖,表面有液氮的间歇喷泉,也许是从地下深处的寒冷液氮区喷出的。不过,任何有石头和液氮的地方都可能存在这种奇异的生命循环。

这种奇异化学过程和溶剂的组合会不会存在?把一种原子换成另一种会产生什么结果已经很难确定了,再加上溶剂就更难说了,因为我们对相关的化学知识还不了解。硅化合物在液氮里到底会怎么样?我们并不知道。根据我们目前对化学的认识,也不能排除在这些情况下会有生命的可能。

但是,即使我们想到了这些有趣的替代品,还是有充分的理由对碳元素寄予厚望的。不仅是因为碳的原子物理学特性有利于构成复杂的生命形式,而且这种形成大量分子的倾向保证了含碳分子在宇宙里含量很高,这意味着其他生命形式也很可能会利用它来演化。如果它们存在的话,从生命最早期的阶段就可以发现含碳分子是最容易获得的可以形成复杂结构的分子。

在每个晴朗的夜晚仰望天空,你所看见的宇宙和人类文明历史上数十亿双眼睛注视过的一样。黑色的画布上散布着闪闪发光的白点,那是各个天体在闪耀。它们恒定不变的位置偶尔会被动摇,那是彗星、超新星的明亮光辉或流星燃烧着穿过大气层的碎片,但除此之外,夜空在人类生命跨度中似乎是永恒不变的。

与我们这个小星球上丰富多样的物质相比,将宇宙空间视为无尽空虚也情有可原。自从我们第一次意识到天上的光点就是恒星,天空中的黑暗其实是宇宙的真空,“浩瀚的宇宙是贫瘠的”这种观点就主导了我们的思维,但这一观点却让我们忽略了在宇宙真空中发生着的惊人的化学变化。

在宇宙大爆炸开始的时候,事情很简单。随着温度的下降,在氢、氦、锂这几种原子和它们的离子之间,发生了一些化学反应,并放出了一些电子和放射线,元素完成了重排。然后,第一批气体旋涡在引力作用下坍缩到足够大的密度,从而触发恒星的聚变反应。在这些发光的球体中,氢原子可能互相结合,形成了更重的元素(包括碳)。

其中的低质量恒星最终消失了,它们耗尽了燃料,坍缩成白矮星(演化到末期的恒星),进入了平静的“退休”岁月。但是,一些质量更大、内部有更精细的洋葱状层次结构元素的恒星,则会在猛烈的爆发中坍塌,向内的引力大幅压倒了向外推进的气体和热能的压力,导致物质的剧烈脱落。这种大爆炸又被称为超新星,这个过程锻造了周期表中比铁更新和更重的元素,并把它们散布到宇宙中。

经过19世纪和20世纪天文学家的早期工作,人们对于生命必需的元素的来源已经有了更多认识。大部分轻元素,包括碳在内,主要在低质量恒星和高质量恒星的核心区形成,而一些生命所需要的重元素比如钼和钒,则在超新星内部合成。

理解了元素的形成方式,可以算是在理解生命适应宇宙过程的道路上取得了一项惊人的进步。有了天文学的知识,我们就可以知道生命元素的起源,从而将宇宙的物理学过程与生物的原子结构联系起来。不过,虽然很多科学发现日益清晰,但是对于我们身处这个宇宙的真正起源,还是存在着一些奇怪的令人不安且引人深思的东西。“我们都是星尘”已经成为老生常谈的观点,但是之所以感觉这种说法老套,只是因为我们对现代宇宙学和天文学的认识习以为常了。古人肯定会认为这样的说法太深奥,令人困惑。

我们开始理解生命与太空之间的联系,可能是对人类起源进行真正的天体生物学理解的第一步。从20世纪下半叶到现代,我们又进入了另一个阶段:我们了解了生命元素的普遍性,尤其是碳化学的普遍性。

我们可以将望远镜转向黑色的太空,但不是在你我熟悉的光谱范围(可见光)中观察,而是使用传感器在红外区中观察,传感器可以将观测数据转化为我们能够看见的图像。如果研究这些红外数据,我们看到的不是一团黑色,而是旋涡、无尽的美丽烟团和流动的气体,巨大的云层在夜空上飞腾而起。在黑色的太空里,我们观察到了物质。

现在可见的物质大部分是弥漫的星际云。之所以这么命名,是因为在它们内部,气体浓度可以低到每立方米仅有约108个分子或离子。乍一听可能很多,但是此刻在你周围,你呼吸的空气每立方米大约含有2.5×1025个气体分子。弥漫的星际云所包含的物质甚至比我们在地球实验室产生的真空里的还要少。然而,在这些云层中,仍然有足够的物质能进行某些惊人的化学反应。[21]

回忆一下上过的化学课,你可能还记得,要触发化学反应,你得准备好高浓度的反应物。将极稀的硫酸滴到日常用的糖上是没有任何反应的。让人兴奋的现象只有教室里才能看到,化学老师把黏稠的淡黄色浓硫酸加入放有糖的碟子中,我们马上能看到一座黑色的火山,同时看到了糖分子被剧烈分解而产生的辛辣烟雾,这些危险的情况在健康与安全人员那里都要被记录下来。所以,你可能会疑惑,既然星际云中的物质比典型实验室的真空中的还要更少,如何进行有趣的反应?

有一类事物是太空中常见而学校的教室里不常有的:辐射。质子、电子、伽马射线、紫外线辐射以及许多重离子(例如铁离子或硅离子)弥漫在星际空间(包括我们所在的星际云)中。[22]辐射将能量传递给离子和分子,虽然离子和分子的浓度很低,但是这些能量已经足以将它们分解,激发并驱动不同种类物质之间的反应,产生新的化合物。即使星际云非常寒冷,温度只有约–180℃,辐射也会轰击离子和分子,迫使其发生化学反应。

天文学家可以使用光谱观察星际化学反应的产物。当光穿过弥漫的星际云时,其中的化合物将吸收一部分光。更确切地讲,电子将吸收光的能量并跃迁能级,实质上是电子“抢走”了特定波长的光,在光谱中留下了一个“空白”。通过分析穿过星际云到达地球或太空望远镜的光谱,科学家可以识别云层中的物质。如果电子从光中吸收能量并把能量辐射出去,它们也会发出不同波长的光,这又是特定化合物的“指纹”。这两种光谱方法都能帮助我们了解星际云中到底有哪些化合物。但是,我们对这些复杂方法得到的结果的理解仍处于起步阶段。星际云中有无数的吸收和发射过程,我们对它们的起源只有模糊的了解,或者根本不了解。对于分类总结了星际云光谱的漫射星际谱带,我们仍然无法解释。[23]

尽管星际云里仍然有太多我们不了解的东西,不过天文学家已经成功鉴定出了不少简单的化合物,包括CO、OH、CH、CN和CH+离子。现在你会注意到,在这个最终候选者名单(还有很多其他化合物)里有很多含碳的化合物,非常显眼。低质量恒星和高质量恒星内部发生的聚变产生了碳元素,这些碳元素最终被抛射到宇宙空间中,随后在星际云里聚集,与很多其他元素起化学反应,形成了简单化合物,其中也包含有机碳化合物的原始结构。[24]

如果我们将注意力转移到宇宙中的其他物体上,事情就会更加有趣了,因为宇宙中有更大、更致密的云。我们随处都可以观察到巨大的分子云。这些物体的直径可以达到大约150光年,其质量可以达到1 000到1 000万倍太阳质量。这里是形成新恒星的摇篮,气体的密度足以使旋涡聚集,引发核聚变,促进新生天体的形成。这些分子云中物质的密度远高于弥漫的星际云,1立方米中约有一万亿个离子或分子,虽然仍远低于你日常呼吸的空气,但足以使化学变得更加有趣。

这些云团中的物质现在十分致密,可以屏蔽许多新生恒星和其他天体发出的紫外辐射。尽管少了辐射来驱动化学反应,但同时,形成的化合物也不太可能被辐射分解了。在巨大的分子云中,我们发现了100多种化合物,包括HCOOH、C3O、C2H5CN、CN、CH3SH、C3S、NH2CN等。现在,事情更加清晰了。我们看到,在宇宙的摇篮中,物质从一两个原子组成的简单分子变成了更惊人的复杂结构。在弥漫的星际云中观察到的惊人情况被放大了,碳化学的复杂性增加了。巨大的分子云里充满了碳基化学物质!

分子云的复杂性是惊人的,除了只有几个原子的化合物以外,还有更多令人吃惊的结构。6个碳原子组成的环(包括苯)可以连接在一起,形成多环芳烃的分子家族。[25]有趣的是,6个原子的碳环在实验室中可以反应形成醌,醌从环境中收集能量时,会驱动周围环境中的电子来回穿梭。这些实验室反应提供了令人兴奋的证据,表明星际介质中的分子已经在成为生物能量产生和代谢途径中的有用前体的路上前进了一小段距离。

连在一起的碳分子层可以制造出更多不寻常的分子。把碳环组装成三维结构,可以造出一个碳球,例如包含60个碳原子的巴基球。这种足球状的C60化合物,是60个碳原子连接在一起构成的球体,具有32个面,其中20个是六边形,另外12个是五边形,这些球体可以聚结在一起形成洋葱状的分层碳结构。它们还可以以多种组合形式形成相互连接的碳原子的管和网格。[26]

尽管上述观察结果给我们对宇宙尺度上的化学过程及其产物的认识带来了一场革命,但是科学家仍不清楚,这么多种多样的化合物是如何形成的。他们对两个重要问题尤其感到困惑。首先,化合物必须彼此靠近才能发生反应。回想上文的硫酸实验,与水混合后,硫酸被稀释了,以至于很难发生激烈的化学反应。将这种稀酸与糖混合,最终糖只会溶解而已,形成弱酸性的糖溶液,不会出现教室里的惊人现象。与空气相比,宇宙中分子云是如此稀薄,怎么可能发生化学反应呢?还有更糟的情况:分子云很冷,很冷。我们从化学课上知道,加热是促进反应进行的好方法。一小条镁金属放在实验室工作台上基本不会有变化,但如果把它放在本生灯中燃烧,只要温度升至473℃以上,它就会发出明亮的白色光芒。但是在–260℃至–230℃的分子云中,激活化学物质,发生让化学家感兴趣的反应的可能性似乎很小。

然而,化学反应依然能发生,而且是在令人惊讶的地方发生。含有硅或富碳材料核心的物质被冰包围,形成了星际尘埃颗粒,散布在分子云中。云中的离子和分子会附着在这些颗粒上,并聚集起来。这样一来,就有了一种把它们组合在一起的机制,否则那些离子和分子就会在星际空间里飘散了。天体化学家认为,分子云中大部分的化学反应都是在那些尘埃颗粒上发生的。[27]每一粒尘埃都是一座工厂,更有趣的是,它们是制造有机化合物的微型反应器。

宇宙中的碳非常丰富,甚至还形成了一些富含碳的恒星。在“碳星”的边缘会发生大量的反应,含碳分子在其中形成、消失或改变,从而诞生了有机化学无穷的复杂性和多样性。距地球仅390至490光年之外的一颗恒星周围就存在着光晕,这说明它包裹着物质,其扩张速度超过每秒50千米。[28]在它的光晕壳内,科学家已经检测到60多种分子,其中包括链状和环状碳分子,有机化学物质实际上被吹入了太空。[29]在恒星的光晕周围,可以检测到简单的化合物,例如CO(一氧化碳)和HCN(氰化氢)。

这些观察结果相当粗略,不过足以得出一些显而易见的结论。宇宙不是一个寒冷、不能发生化学反应的地方,恒星也不是只会无精打采地围绕着银河系的中心旋转,产生并散布元素周期表上的基本元素,而生命的起源物质以及最终的生物也不是只能通过一些神秘莫测的机制集合在一起形成有机组分,组成能够复制、演化的实体。事实与此相反,在宇宙的每个地方,即使是在最稀薄的气体烟团中,也都发生着复杂的化学反应,其中就包含了巨大的有机化学神殿,碳原子和其他元素的原子通过化学键形成了大量排列方式。

在这种创造物质的景象中,我们看到了产生复杂碳化合物的必然性。碳可能与其他元素结合并产生大量分子,这并不是在地球温度和压力条件下的特殊产物。碳在一个复杂世界中占据了中心地位,成为生物的基本架构,这并不是特定行星环境下的一种有限的情况。在宇宙中最冷的地方,碳仍在起作用,与元素周期表中的元素(包括其自身)结合在一起,产生各种有机化合物,从而构成了我们星球上的生命。在宇宙中,通往碳基化学的道路似乎很普遍。

毫无疑问,我们最感兴趣的问题是这种化学过程能在组装生命的分子前体的道路上走多远。科学家试图在宇宙中找到构成生命的基本单体,如氨基酸、糖和碱基(它们分别构成了蛋白质、碳水化合物和遗传密码),结果喜忧参半。哥本哈根大学的研究人员在新形成恒星附近的星际介质中发现了乙醇醛。该分子可以参与甲醛聚糖反应,可以最终生成糖。[30]科学家还在星际介质中发现了可以作为氨基酸前体的异丁腈,还有参与生成氨基酸等化合物的甲醛(CH2O)。[31]

与HCN这样的简单化合物相比,复杂分子在星际云中可能更罕见、更难以找到。随着观测方法的改进,我们无疑会发现更多复杂的分子,但总的结论是明确的:星际介质中包含许多碳基分子,这些碳基分子可以充当合成生命物质的前体和中间体。

研究者在陨石中也发现了太空中能产生生命基本组成部分的证据,这是非常不寻常的,但又是令人信服的。[32]尽管在碳质陨石中发现的70多种氨基酸的浓度较低(约百万分之十至六十),但是这些化合物的存在说明,形成太阳的原行星云也非常适合进行碳化学反应。[33]

到目前为止,没有证据表明这些氨基酸已经聚合成了简单的蛋白质链。早期太阳系中的条件似乎适合形成氨基酸,但复杂性也到此为止了。如果要让这些链状的复杂分子与生命联系在一起,则需要行星表面上有一个更温和、潮湿的环境。

陨石中的氨基酸引发了一个明显的问题:为什么我们没有看到氨基酸遍布星际空间呢?为什么会有这种差异?[34]也许,它们的低浓度意味着当它们只有存在于一块岩石中时才可以在实验室中被轻易检测到,如果分散在星际介质中,混迹于其他化学信号里,它们就难以捉摸了。也许早期太阳系的物质盘为形成这类化合物提供了有利的场所。大量邻近的表面、温度梯度和挥发性物质(例如水)可能会使原行星盘上发生一些更有趣的反应,从而产生生命的组成部分。

陨石不只是氨基酸的仓库。人们还在其中发现了糖(碳水化合物的组成部分)、碱基(遗传物质的组成部分),它们与磺酸、膦酸和其他化合物混合在一起。[35]构成生命的四大类生物分子链是蛋白质、碳水化合物、核酸和膜脂质,它们的单体(基本组件)都存在于陨石中。

值得注意的是,我们在陨石中没有发现复杂的硅基化合物。如果有这类硅化合物的存在,我们就会怀疑,在这些物质着陆的地方,碳基生命和硅基生命间可能会爆发一场战斗。然而,陨石中的硅化合物绝大多数是反应性很差的硅酸盐化合物。陨石的存在说明复杂碳化学过程是普遍存在的。

陨石来自小行星和太阳系形成过程中的岩石残余物,但太空中还有同样重要的一类天体——彗星,它们占据了奥尔特云,这是一个球形的云团,离我们大约20 000至100 000天文单位[36]远。[37]就在海王星的轨道之外,在柯伊伯带,也有一圈这些冰冷的天体。与小行星一样,彗星是太阳系形成过程中剩余下来的物质。它们是岩石和冰的混合物,彗核中深色的部分可能含有有机化合物。在这些天体中,碳化学同样有着非同寻常的故事。

如今,我们有多种机会可以观察这些冰冻的小世界,我们可以利用地球或太空中的望远镜,还可以派遣航天器对它们进行拦截和探索。彗星不仅是一个大冰块,还含有一氧化碳、二氧化碳和一系列越来越复杂的化合物,包括甲烷、乙烷、乙炔、甲醛、甲酸和异氰酸。[38]尤为重要的是,罗塞塔号航天器还在彗星67P上探测到了甘氨酸。甘氨酸的存在引发了一些基本问题,彗星上是否存在其他氨基酸和生命所需的其他分子呢?

如果这些过程发生在我们的太阳系中,那么除非我们所在的位置非常不寻常(没有任何理由做出这一假设),它们就一定无处不在。在我们的银河系的另一侧,距地球数百万光年的仙女星系中,氨基酸、糖、核碱基和脂肪酸也正在行星上飘落。有机碳化学是普遍存在的,因此,其他地方碳基生命占据主导地位的可能性很高。[39]

这些太空中惊人的发现让我们不得不思考,地球也可能合成一些生命化合物。20世纪50年代,斯坦利·米勒(Stanley Miller)和哈罗德·尤里(Harold Urey)用一个绝妙的实验证明了高能环境可以产生复杂碳化合物。[40]当时,科学家们还不了解太空和陨石中充满了碳化合物,两位研究人员开始研究化学在从“原始汤”过渡到可复制形态的分子的过程中起了什么作用。他们在实验室进行了出色而简单的实验。他们在一个含有甲烷、氨和氢气的气体容器内引入了水蒸气循环,然后使用两个电极释放电火花来模拟地球上的早期闪电,这堪称真正的科学怪人装置。不过在他们模拟的潮湿的早期地球上出现的不是怪物,而是一种含有氨基酸的褐色黏稠物质。容器里居然产生了甘氨酸、丙氨酸、天冬氨酸以及许多其他化合物。不过,我们现在认为,他们的实验使用的气体在地球早期大气中并不那么丰富。如果改变原料气体的组成,那么氨基酸和其他产物的产量和类型也会改变。但是,只要有一定的能量、一些简单的起始气体和水,氨基酸就可以形成了,这个想法是开创性的,它证明了与形成生命有关的有机化学不是奇迹。实际上,如果你向含有碳原子的气体混合物中添加能量,要想不产生任何复杂的有机化合物反倒是不太可能的。

米勒实验证实,有机化合物可以在年轻行星的表面上形成,而不仅是在太空中。因此,现在我们已经有了在星际空间和行星表面上形成的有机分子。无论从哪个方面来看,年轻的行星都是熔炉,可以从多种有机化合物中选出一部分集合起来,为生命所用。[41]

在具有某些能量和基本成分的地方容易发生复杂的有机化学反应,土卫六就是一个完美的例子。它的甲烷湖是有机分子宇宙工厂的源头。[42]它的棕色大气烟霾是大气中甲烷与紫外线辐射反应生成的产物,分解成原子团,随后重整成乙烷和有机化合物的复杂链,其中一些化合物飘到高层大气中,从而产生不寻常的色彩。[43]

这些物质中的大部分会落在土卫六的表面上,产生广阔的有机化合物沙漠。在这个卫星上的某些地区,由复杂的碳化合物构成的沙丘在地表上绵延数百千米,高度可达100米。如果自太阳系诞生以来,在这里发生的化学反应一直在继续,那么理论上星球表面将有一层600米厚的有机物,包括乙烷(结构为C2H6的含碳分子)以及许多更复杂的有趣分子的前体!

土卫六的所有这些有机物质中包含生命的组件吗?目前我们还不知道。未来的机器人探测任务可能会回答这个问题,但是无论答案如何,它都不会妨碍这个简单的结论:在一个存在甲烷和辐射的星球表面,有机化合物正在生成,巨大的沙丘、湖泊和大气也在形成。[44]复杂的碳化学反应在星球上接连发生。

有人认为,地球上的条件刚好适合碳化学反应产生生命,这是非常不可思议的。不过,我们所看到的正好相反。在宇宙中的任何地方,在与地球完全不同的条件下,碳都形成了大量的多功能活性化合物。我们发现,在范围非常广的温度、压力和辐射条件下,碳是周期表中所有元素中产生分子的多样性最大的元素。当然,我们也发现了其他化合物。我们甚至在星际空间中发现了硅碳键和硅氮键,这表明在外星环境下,地球上的元素之间可以产生奇怪而有趣的新组合。这些事实让我们停下来思考我们的化学知识的局限性。然而,在这些数据中,最耀眼的还是一系列碳基化合物,这说明地球上含碳分子的多样性并不罕见。地球很可能为这些化合物形成长链并演化成可以自我复制的实体提供了环境。这一步骤可能需要特定的条件,在气体云和冰冻沙丘中不容易实现。但是在碳基化学无处不在的宇宙中,这类事件是一定会发生的。

当我们将视野扩展到碳元素以外,来思考已知会在生命中用到的其他元素时,就会产生一个更有趣的故事。要创造生命,我们需要的不仅是碳原子。在所有可以利用的原子中,有5种原子跟碳的结合无处不在,可以形成更复杂的排列,它们是氢、氮、氧、磷和硫。[45]这些化学物质和碳有时可以缩写成一个不太好记的形式:CHNOPS。为什么是这些原子?它们在生命中普遍存在,是否也是简单的物理原因造成的?

这些元素也像碳一样,遵循泡利不相容原理。比如氢总是倾向于与其他原子结合,氢可获得一个电子,形成完整的电子对,并填充其唯一的电子层。在生命世界的各处,它都会与碳结合。氢可以被粗略地看成是一种“单电子扫荡者”,所以它可以出现在所有生物中。

像螺母和螺栓一样,氮、氧、磷和硫4种元素可以通过碳网络将生物结合在一起。有趣的是,在元素周期表上,它们都在碳附近,挤在一起形成了一个小四边形。在大的化学尺度上,我们可以理解这种不同寻常的亲和力。这4种元素的原子都有不完整的电子轨道,它们可以跟其他原子结合,把轨道填满。它们在元素周期表中也处于原子大小合适的区域。由于电子形成的键不需要太多能量就能分解,因此这些元素可以不断组装和拆卸,而组装和拆卸正是生物构建和生长的特征。但是,这些原子间的电子连接得又足够紧密,使它们的结构比较稳定。概括地说,这4种元素非常擅长形成具有多种特性的多种化合物。与碳形成键时,它们会促成各种各样的化学反应,而这些化学反应是能够成功繁殖并演化的生命形式所必需的。

从表面上看,氮似乎不太可能成为一种生命元素。它会与另一个氮原子形成极其紧密的三键,这就是地球大气中占比78.1%的氮气(N2)。但是,固氮微生物中的催化剂或闪电等非生物过程可以把氮从三键这个“化学监狱”中释放出来,一旦获得自由,氮就可以与碳形成多种有用的键。它的一种稳定结构是在两个碳原子之间,这种结构是形成肽键的关键,肽键将各个氨基酸结合在一起形成蛋白质。所有氨基酸都含有氮,它们可以通过这种方式串在一起。事实证明,氮也擅长在碳原子之间形成环,因此我们可以在生物包含的许多重要的环状分子中找到它,包括DNA碱基对。核酸中的氮与骨架中的糖连接,将整个遗传密码的大厦结合在一起。

现在让我们在元素周期表中向右走一小步,看一下氮旁边的氧。氧气无处不在,对动物至关重要。氧原子的作用与氮相似,能够与碳原子连接成环,并将含碳分子(如糖)连接起来,从而形成长长的糖分子链,即碳水化合物。含氧的糖类也是对生命至关重要的核酸骨架的一部分。我们在一系列有机分子(如羧酸)中发现了氧,这些分子参与了蛋白质等复杂分子的合成。

磷和硫是这个组合中的另外两种元素,分别位于氮和氧的下方,它们有更多的自由电子可以和外界结合。

我们大多数人熟知的磷存在于火柴头上,可助燃,但其实磷元素已经渗透到对生命至关重要的多种分子中。[46]由于磷比CHNOPS中的其他元素的原子大,并且外部电子所成的键更容易形成和断开,因此磷成为与生命中能量需求有关的多种反应的关键成分。将氧与磷相连就得到了一种特殊的化学键,断开这个键可以从水解反应中快速释放能量。三个磷原子和一个氧原子串在一起形成的ATP分子,已成为地球上所有生命中最典型的储能分子之一,就像一个微型生命电池。[47]

从细胞本身的结构里,我们也可以发现磷有非常多的功能。磷原子也出现在脂类的末端,脂类是构成细胞膜的长链碳化合物。即使在遗传密码中,该元素也大量存在。[48]在DNA的骨架上,磷原子把核糖连接起来,保持了DNA的结构,让分子稳定存在。与磷连在一起的氧原子带负电荷,所以DNA也带负电,因此与脂质膜内部的负电荷排斥,从而阻止了DNA分子离开细胞。这些负电荷还有一个作用:有助于防止DNA水解,使分子更加稳定。

磷的右边是硫,即圣经中的硫黄石,也就是“燃烧的石头”,这种黄色的物质覆盖着活火山的火山口和火山陷落区。同磷一样,人们总是把它与火和暴力联系在一起,忽略了它在生命中的有益之处。硫元素存在于蛋白质中。氨基酸长链中不同部分的两个含硫氨基酸可以连接在一起形成二硫键,也就是两个硫原子连接在一起。[49]二硫键有助于蛋白质三维结构的形成,因为它们将氨基酸链的不同部分连接成正确的构象,以便在细胞中完成催化反应。

以上只是CHNOPS中4种元素用途的一小部分,但已经证明了这些原子的适应性及其作为生命机器的一部分在细胞中的不同特性。它们非常实用,存在于许多复杂的长链分子中。

氮、氧、磷和硫似乎在生命中很有用。考虑到它们的普遍性,以及它们属于CHNOPS元素,演化过程经常用到它们是可以理解的,但是其他元素呢?我们可以排除它们吗?

在元素周期表中氧元素右侧是氟。该元素通过水的氟化过程广为人知,“二战”后,美国通过向公共供水中添加少量氟化物来减少蛀牙。然而,除了这样悄悄地进入人类社会外,氟没有被生命体广泛利用。它最外面的电子层有7个电子,几乎要满了,要是有8个电子就能形成4对电子对。7个电子紧密地结合在原子核上,而氟原子非常渴望最后一个电子,就像一个小孩兴奋地四处奔跑,为了获得整套彩色玩具的最后一个颜色一样。这种性质使氟很容易发生化学反应,当它与其他原子结合后,也不会轻易松开。碳氟键是有机化学中第二强的键。[50]所以碳氟键极其坚固,难以发生反应,因而无法在生命中有很多用途。

但是氟原子在生物学上并非一无是处。在热带地区,许多植物和微生物都使用氟化合物作为有毒物质来威慑捕食者。[51]像周期表中其他非CHNOPS元素一样,如果含有该元素的化合物的某些特定化学性质可以在生存斗争中派上用场,那么生命就会在演化中利用它。关键是由于其电子结构的特性,氟的化学性质决定了它的用途有限。氟算不上生命中的通用原子。

在氟下方的氯元素也存在类似的问题。虽然它的电子更多,原子更大,对最后一个电子的渴求没有那么强烈,但是它仍然想要形成电子对,这种倾向使氯元素具有较强的反应活性,所以氯基漂白剂可以杀死浴室中的微生物。不过,它也没有被生命丢弃。它存在于细胞中,负责平衡不同离子的浓度,但它的化学性质限制了其使用范围。[52]

对于氮、氧、磷、硫下方的元素,情况如何呢?在它们组成的四边形下方有两个有趣的元素,分别是磷下方的砷和硫下方的硒。两者都广泛地存在于生物中,这再次表明,生命永远不会放弃某一种元素。尽管与较小的CHNOPS原子相比,砷原子和硒原子的尺寸较大,导致它们对电子的束缚较弱,与其他原子形成的键也更容易断裂,然而,这种松散结合的特性并没有削弱人们的想象力,人们依旧在探索它们在其他生命形式中可能发挥的作用。

如果用元素周期表下方的砷来代替磷,那么可能就会出现外星人一般的怪异生命——主要分子中含有砷的微生物。2010年《科学》杂志上发表的一篇文章声称,在加利福尼亚州的碱性的、含砷的莫诺湖中的一种细菌,其DNA中的磷竟然被砷替代了。[53]一石激起千层浪,这个发现仿佛成为生命的生物化学研究史上的新转折,引发了人们的狂热热情。但是,在不到几天的时间里,众多科学家在网络和媒体上都表达了怀疑。为什么?由于砷原子较大,含砷化合物在水中容易迅速水解,使DNA分子难以结合在一起。进一步研究发现,该微生物(实为一种细菌)在DNA中使用的还是磷酸,它不过是我们了解和喜爱的生命谱系中的另一个普通成员。[54]

可能这就是科学发展的过程:收集数据,提出主张,有时也会被反驳。虽然这个过程有时令人不快,但是科学方法就是这样逐步推进人类知识水平的。但是,上述论文刚刚发表,就迅速引来了质疑的声音。科学家估计,含有砷酸根离子的DNA键半衰期约为0.06秒。[55]而如果把砷酸根换成磷酸根,则半衰期将跃升至约3 000万年。因此,要想把DNA中的磷原子换成砷原子,要么需要非常特殊的条件,要么需要大量的能量,许多其他含磷分子的情况也是如此。[56]所以,使用砷的细菌似乎从一开始就不可能存在。

不过,从积极的一面看,它也表明位于CHNOPS元素旁边的元素由于具有相似的化学性质,所以似乎可以在特定条件下相互取代,科学家也因此认为微生物可以用砷代替其DNA中的磷。和所有的研究一样,它激发了人们对生命中砷元素的更多研究。任何科学主张的提出总是能带来进步。

尽管有这么一个小插曲,但我们也知道了生命体中可能含有砷。虽然人们暂时不知道它的用途,但在某些海藻中发现了含砷的糖,在某些鱼类、藻类甚至龙虾中发现了含砷的分子——砷甜菜碱。[57]但是一般来说,砷是有毒的。它有强烈的共享电子的倾向,这意味着它会干扰其他分子,与其他分子发生反应并破坏新陈代谢。许多生命形式都有减少或消除砷元素毒性影响的途径。

砷右边的邻居硒可能可以替代其上方的元素硫。这一点在生命体中得到了证实:有一种不常见的氨基酸中含有硒元素。硒代半胱氨酸,即所谓的第21种生命氨基酸,出现在某些特定蛋白质中。蛋白质要包含这种氨基酸,需要消耗能量、修改遗传密码,这意味着硒进入生物中不仅是硒元素偶然跟硫元素发生交换的结果。[58]硒肩负着重要的任务。比如,含有硒的某些蛋白质(例如谷胱甘肽还原酶)可防止由氧自由基引起的损害,氧自由基是一种具有反应活性、可能会伤害生物的氧原子状态。硒原子比硫原子大,它失去电子更容易,可以中和氧自由基中有害的自由电子。执行了这一重要任务之后,硒原子也更容易恢复到原来的状态,继续进行类似的反应。这一可逆性也是由于硒比硫更容易获得和失去电子,这一特性使它在抗氧化过程中非常有用。此外,由于氧化就是由各种化学攻击引起的失去电子的过程,含有硒的蛋白质似乎有更强的抗氧化性。

我们又看到了相同的模式:虽然砷和硒没有完全被生命体排斥,但是它们的大小和电子特性决定了它们只能在某些情况下有专门用途,在许多情况下是没有用的。

我们围绕CHNOPS元素形成的四边形游览了一圈,最后来到了碳旁边的一个格子,迄今为止我们一直忽略的元素——硼。硼原子虽然小,但很有趣,在最外层轨道上有3个电子,可以与其他元素共享。它可以与氮形成键,生成类似于苯的环状化合物,如硼吖嗪。硼缺乏碳的化学多功能性,但与周期表中CHNOPS周围的其他元素一样,它也具有生物学用途。硼是许多植物、微生物和动物体内必不可少的微量元素,可以稳定细胞膜功能并运输糖。[59]它起的作用可不只是瞬时的:硼缺乏是农作物主要的微量元素缺乏症之一,可导致苹果、卷心菜等作物歉收。不过,我们对硼在生物学中作用的了解仍比较初步。

现在,我们对泡利不相容原理如何影响生命有了大致的了解。一些核心元素的电子结构足以形成稳定的键,但是也可以轻松断裂,形成大量对生命有用的化合物。这些核心元素在元素周期表中形成了一个小小的“五重奏”——碳、氮、氧、磷和硫,再加上小小的无处不在的氢,随时能提供一个备用电子。这些元素的原子大小和备用电子数量都正合适,能够彼此结合,并与某些其他元素结合,从而产生足以构建自我复制系统的“分子汤”。

“五重奏”周围是具有相似化学性质的元素,但是原子大小和电子数量使它们要么太稳定,要么太活泼,无法在稳定性和反应性之间取得良好的平衡,也就无法形成生命分子。尽管它们不能完成生命体中各种各样的工作,但如果其化学性质恰好适合某些特定用途,它们也能找到用武之地。

元素周期表的其余部分中的元素,由于它们的电子性质,或多或少地能得到应用。比如铁能转运电子,这是从环境中获取能量进行生长和繁殖的核心过程,所以它在为生命收集能量的过程中处于中心地位。钒和钼等元素的电子比较活泼,因此它们会出现在有助于加速反应的蛋白质的辅因子中。[60]

从钠到锌,除CHNOPS之外的许多元素(尤其是金属)都更容易形成盐,例如食盐(氯化钠)。虽然这些原子可以形成较大的宏观结构,比如一大块食盐,但这些宏观结构只是极有规律、高度单调的原子重复单位,似乎不适合产生生命体。之所以不太可能出现由锡和铅组成的奥尔塔,也正是因为这些元素有形成盐的倾向。有想象力的人很可能会对这一观点不屑一顾,并反驳说:如果我们在盐晶体中添加一些杂质,加上一些其他功能性的元素,难道就不能获得复杂性大到足以形成生命的物质——可以自我复制、演化的晶体吗?[61]

地球上的条件恰好适合形成大量晶体和盐。然而,尽管经过了45亿年的化学实验,但我们仍没有找到可以自我复制、演化的晶体。不过合格的科学家是不会因此排除其存在的可能性的。第一批可自我复制的有机化合物是怎么构造的?很多理论认为,矿物表面作为组装早期生命的场所,在这个过程中发挥了重要作用。[62]不过,元素周期表中的许多元素似乎更适合在自然环境中形成平凡的盐。生命在演化中学会了使用这些元素执行电子移动和运输的任务,但就其本身而言,这些元素的键合模式似乎不够灵活,无法产生大量复杂的分子,我们也无法从中构建生命系统。

演化过程就是在元素周期表里查找、测试元素,并选择那些电子排列有利于化学反应的原子,使生物体能够更好地生存和繁殖的过程。

然而,我们仍没能回答一个永恒的问题:生命的基础可以不是碳吗?生命的化学结构是否普遍存在?我认为这个问题已经解决。可以说,如果我们是根据哪种元素在分子组装中占主导地位来对生命进行分类的话,那么地球生命就是碳基生命。但是,生命显然是以元素周期表为基础的。在某些环境中,生物体更多地利用了硒。在某些情况下,生命中甚至也出现了氟,尽管该元素在其他地方没有出现。生命并没有执着于碳元素,在元素的利用上,活细胞各尽所能。唯一的原则是:用于构建可以复制、演化的系统的元素必须具有特殊的电子排布,能够产生化学反应和化学键,从而保证生命系统的完整性和连续性。在地球上以及已知宇宙中的其他一些环境中,碳能与氢、氮、氧、磷和硫结合,组装成一个可以复制、演化的系统的基本框架。其他元素对系统进行精确的调整优化,从而产生出一整套多种多样的分子。大量元素的用途已经(并且正在)不断在自然选择的过程中得到测试,但是目前还没有细胞表现出用其他物质替代其大部分含碳分子的强烈倾向。

许多元素在低温和高温下、在不同酸度和压力以及其他极端条件下都会表现出不同的特性,这是不是意味着,在某些物理条件下,其他元素可能会接替碳的位置,产生对生物体有用的化学组合?

归根结底,没有任何物理条件会改变原子的基本电子构型,至少在元素周期表中的原子处于稳定状态的条件下是这样。它们发生反应的速率以及它们与其他原子的相互作用方式将因其环境而改变,但它们的核心特征是不变的,这是由泡利不相容原理及其导致的电子排布决定的。我预计,在宇宙中的任何星球上,由于元素周期表中可用元素的范围有限,生命将在盲目的演化过程中从周期表里搜寻,就像它在地球上所做的一样,最终也会找出与地球生命所用的相同的一组元素。确实,在不同的生命系统中,使用哪些元素、它们的具体应用以及丰度将显示出巨大的差异,但是生命中主要元素的基本作用在宇宙中的每个星系中可能都是相同的。

物理学原理可以解释为什么碳是生命结构中的中心原子,以及为什么水是生命运行的环境,这一想法使我想到了最后一个关键点。我们坚信以碳和水为基础的生命普遍存在,即物理学原理限制了生命的化学结构,这一观念下又分为两派。其中一派我称为软观点。按照这种观点,与地球法则不同的生物化学反应,如液氮中的硅基生命形式,或是硫酸云中的耐酸生命形式是可能出现的,但很少见。这些外星生命形式所需的条件异乎寻常,而含碳的化学物质和水在宇宙中相对丰富,所以这些生命形式不太可能出现。这种观点也可以被看成是基于丰度的对碳–水的偏好。

第二种观点是硬观点,我们可以称之为基于化学原理的对碳–水的偏好。根据这种观点,不可能有其他形式的生命,其他元素(如硅)或替代溶剂(如氨)的化学性质不足以驱动生命的形成,这与它们在宇宙中的丰度无关。

我对生命的看法比较倾向于硬观点。含碳化合物和水在宇宙中的大量存在使得其他地方的生命(如果存在的话)很可能也是基于碳和水的。正如我们所看到的,含碳化学物质和水分布的广泛性,以及这两种物质在各种行星体上聚集的倾向表明,它们是生命最可能的成分。

但是,为什么我只能说“比较”倾向于硬观点,认为碳和水基生命是唯一的可能呢?因为在科学上采取教条主义是不明智的。

我们不能排除,在某个行星系统中的某处,氨的含量异常丰富,形成了氨海洋,那里的地质化学条件允许可自我复制的简单生物出现;我们也不能排除,在某些行星的地壳中,氧含量较低或适当的物理和化学条件阻碍了硅酸盐的形成,而在一些小洞穴中形成了可自我复制的硅化合物。

在我们还不够了解这些元素的化学性质的情况下,忽视这些可能性是愚蠢的,尽管教条式地支持硬观点的碳–水偏好在论证上很有说服力。我们对化学和行星系统形成条件的多样性的理解仍然不全面,这需要我们保持开放的态度。然而,即使是软观点的碳–水偏好也表明,地球上的生命有某种程度上的普遍性,简单的物理学原理推动形成并限制了生物的原子结构。

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