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对外星生物的一些猜想 精选

已有 4706 次阅读 2019-7-15 12:28 |系统分类:科普集锦


对外星生物的一些猜想

外星是天外之物,离我们最近的地球样行星(围绕红矮星旋转的Wolf 1061c)也在14光年之外。光是银河系就有10万光年大小,更不要说数以亿万计的其他星系。出于这个原因,人们对外星生物的猜想,也容易类似于人们对神仙的想象,即外星生物神通广大,无所不能。例如美国电影E.T.中,外星人手指一点,人身上的伤口就立即愈合,而且骑上自行车还可以飞起来。外星人的飞船也被描述为是用元素周期表以外的金属做成的,所以具有地球上的物质不可能有的奇特性质。

人们有这种想法是很自然的。由于我们的宇宙极为广大,也许什么事情都可能发生。外星生命也许可以采用与地球上的生命完全不同的形成原理和演化路线,我们似乎也可以不受任何限制地任意想象这些外星生物的构造和他们使用的材料。

但是在实际上,外星生物和地球上的生物一样,也要受到我们宇宙中自然规律的制约。按照一些科学家的想法,我们的宇宙不是唯一的,而只是众多宇宙中的一个,而且每个宇宙都有自己的运行规律。之所以在我们的宇宙中产生了生命,是我们这个宇宙运行规律作用的结果。其他宇宙如果有不同的运行规律,例如有不同的物理定律和化学定律,它们就不可能形成我们宇宙中的生命。而我们的宇宙,无论它有多大,起作用的物理和化学定律在这个宇宙的各个地方都是一样的,外星生命也因此必须受到这些规律的制约。

首先,我们宇宙中的所有的常规物质(暗物质以外的物质),包括生命物质,都是由基本粒子(电子、质子和中子)按照同样的物理原则形成元素周期表中的近100种化学元素的。无论我们探测的星系有多么遥远,光谱所显示的化学元素都跳不出元素周期表的范围。所以外星生命和地球上的生命一样,也必须由元素周期表中的元素组成,不可能由周期表以外的元素组成。外星生命所使用的材料(包括自己身体的建造和工具的建造)也不可能超出元素周期表的范围。

其次,这些元素也按照同样的物理定律和化学定律形成原子和分子并且进行化学反应。无论我们探测多么遥远的星云,那里的化学物质都可以用同样的化学规律进行解释,并且可以在地球上实验室中的模拟条件下被生产出来。无论在我们这个宇宙的哪个角落,只要化学反应的条件相同,反应形成的产物也是一样的。

从这些基本事实出发,再加上地球上生命发展的历程对我们的启示,我们就可以对外星生命做一些猜想。

外星生物很可能也是以水为介质的

外星生命以水为介质,首先是因为在我们的宇宙中,水几乎无处不在。恒星中的热核反应会形成大量的氧,使氧成为除氢和氦以外最丰富的物质。而氢又是这个宇宙中最丰富的元素,二者的结合自然会形成大量的水,而且几乎无处不在。

水的特性也使它特别适合作为生命中化学反应的介质。水分子是极性分子,水分子之间和局部带电的众多其他分子之间可以形成氢键,因而可以溶解宇宙中自然形成的许多化合物,例如碳水化合物、嘌呤、嘧啶等。水分子还可以活跃地参与各种化学反应。小分子形成聚合物,例如氨基酸形成蛋白质,单糖形成多糖,核苷酸形成核酸,都是通过缩水反应完成的。反过来,水分子也可以被加回去,让聚合物变回单体,即水解。

由于水分子之间可以形成氢键,水分子虽小,沸点却很高,在一个大气压下,低于100摄氏度即可以变为液体,不像分子量相似的碳氢化合物要在低得多的温度下才能为液体。例如甲烷的分子质量(16)与水的分子质量(18)相近,但是要在-161摄氏度才能从气体变为液体。由于化学反应的速度是随温度升高而加快的,液态水的温度可以使化学反应以比较快的速度进行,能够满足活跃的生命活动的需要。

水还有另一个神奇的特性,就是在4摄氏度时密度最高,低于4摄氏度时密度反而降低。这是由于4摄氏度时水分子的排列最紧密的缘故,温度再降低水分子逐渐按照冰中水分子的排列,分子之间的空间反而更大。水的这个特性使得海洋和湖泊在结冰时,冰浮在水面,液态水反而在冰层下。这就可以保护冰层以下的生物不会被冻在冰里。如果水的密度一直随温度降低而降低,直至冰点,海洋和湖泊在结冰时,就会从底部冻起,最后使整个水体冻透,里面的生物也难以生存了。

从这些事实出发,可以认为外星生命应该也以水为介质。科学家在提出宜居带的概念时,也是以液态水的存在为标准。

土星的卫星之一,土卫六(Titan),表面也有湖泊,但是湖泊里面的液体不是水,而是液态的甲烷。土卫六的大气98.4%为氮气,1.4%为甲烷,氢为0.1%~0.2%,密度是地球大气的1.45倍。土卫六的表面温度为-179.2摄氏度。在这样的环境中是否能够形成生命,是一个有趣的问题。

甲烷分子是非极性的,和水分子这样的极性分子不同,所以要在土卫六上形成生命,所使用的机制应该和以水为介质的生命相反。例如地球上的生命使用磷脂组成双层细胞膜,亲脂的脂肪酸碳氢链在膜内,亲水的磷酸根在膜表面与水环境接触。如果要以甲烷为介质,膜的构造应该反过来,亲水的部分在膜内,亲脂的部分在膜表面。出于这个想法,有人提出了反转的磷脂膜inverted phospholipid bilayer)的想法。但是在土卫六极端低温的条件下,十几个碳长的碳氢链会变得异常僵硬,反转的磷脂膜会失去柔韧性,因此细胞膜必须由比较小的分子构成。用化学模拟的方法,美国科学家提出用存在于土卫六的大气中(大约10 ppm, 1ppm为百万分之一,即part per million)的丙烯腈(acrylonitrile)组成细胞膜的想法。丙烯腈分子由于一头带部分正电,另一头带部分负电,它们能够以头尾颠倒排列的方式组成膜和小囊。理论计算表明,由丙烯腈在甲烷液体中形成的膜具有磷脂膜在水中相似的柔韧性,有可能起到甲烷液体中细胞膜的作用。

土卫六的大气中还含有大量的氰化氢(HCN200 ppm),可以聚合成多种形状的长链聚合物,其骨架由不同比例的碳原子和氮原子组成。这些长链化合物能够溶解在液态甲烷中,成为可能的生命大分子。更有趣的是,这些化合物还能够吸收可见光,因而可以利用太阳光的光能驱动化学反应。这些研究结果似乎表明,以非水液体为介质的生命也是可能的。

但是土卫六上极低的温度使得化学反应不可能以比较快的速度进行,难以支撑活跃的生命活动。即使这样的生命真能形成,其新陈代谢也会是极其缓慢的,很可能不能超越单细胞生物的阶段。而且甲烷湖泊下面就是深达几十千米的由水组成的海洋,而这些水有可能通过冰层上的裂缝与甲烷接触,从而干扰以甲烷为介质的生命的生成。在以水为介质的生命中,高能化学物是以磷酸根为基础的,而在甲烷的介质的生命中,含磷酸根的化合物不能被溶解,因此难以成为这些生物的高能化合物。在这些生命形式中用什么分子形成高能化合物,也是一个难以回答的问题。因此,以上的设想虽然具有一定的理论意义,但是在土卫六的甲烷湖中形成生命的可能性不是很大。

外星生命很可能也是以碳为基础的

生命需要复杂大分子以储存遗传信息和催化多种化学反应。而复杂分子需要稳定的骨架,问题是什么元素才能形成这样的骨架。周期表内目前有118种化学元素,其中天然存在的化学元素有94种,其余24种为人工合成的元素。百种左右的元素,好似选择很多,其实原子能够彼此相连,形成稳定的长链或者环形结构的元素少之又少。在天然存在的94种元素中,绝大多数为金属元素,而金属元素是无法形成链状或者环状骨架的。非金属元素中的惰性气体(氦、氖、氩、氪、氙、氡)根本不发生化学反应,自然不用考虑。卤族元素(氟、氯、溴、碘)只能以单化学键与其他原子相连,也不能连成链或环。氧、硫、硒的原子是二价的,即使能够连成链,也无法再连上别的原子,形成有生物功能的分子,况且在实际上,它们也并不能形成长链。这样余下的非金属元素就只有硼、碳、氮、硅、磷、砷6种。其中氮、磷、砷的原子不能形成长链。硼原子可以彼此相连或者通过氢原子相连,形成笼状的骨架,上面再连上氢原子,形成硼烷(Borane,例如六硼烷B6H10),但是这样的分子构造简单且封闭,数量也有限,不大可能成为组成生命的分子,也不见于地球上的生物体中,于是剩下可以考虑的就只有碳和硅。

硅和碳在元素周期表中属于同一族,硅原子也像碳原子那样,能彼此相连形成长链,链上再连上氢原子形成硅烷(Silane)。它还能结合其他元素形成功能基团,比如与羟基(OH)相连形成羟基硅烷,所以有人推测有些外星上的生命有可能是以硅为基础的。但是硅氢化合物在水中容易水解,所以这样的生命不能用水为化学反应的介质。再考虑到水在宇宙中几乎无处不在的情形,以硅为基础的生命出现的可能性不大。

碳原子位于第二周期的中央,外层有4个电子(两个s电子和两个p电子),说多不多,说少不少,既不容易完全失去电子,也不容易完全获得电子,而是可以用化学键(通过s电子和p电子的杂化轨道)与其他原子形成共价键,也能够彼此相连形成长链和环状骨架。由于碳原子能够以共价键与别的原子相连,除了碳原子彼此相连外,还可以和其他的原子或者功能基团相连,形成具有各种功能的复杂化合物,因此碳原子最适合作为生物大分子的骨架。地球上的生命分子就是最好的例子:葡萄糖、脂肪酸、氨基酸的分子都是以碳为骨架的。看看煤和石油,就可以实际感受一下地球上的生命以碳为基础的事实。煤和石油就是过去地球上的生物被埋在地下,经高温高压分解,所遗留下来的碳骨架。

碳也是宇宙中含量很高的元素。由于质量大于3个太阳质量的恒星就可以通过热核反应合成碳,碳是宇宙中含量第4高的元素(0.46%)。除含量最高的氢(73.9%)和氦(24.0%)以外,碳的含量仅次于氧(1.04%)。在星际尘埃中发现的各种化合物,大部分是含碳或者以碳为骨架的分子。例如糖类、氨基酸、脂肪酸、嘌呤和嘧啶。在其他星球上原始生命形成时,这些化合物,由于含量丰富,自然也容易被当作生命分子中的首选。

由于这些原因,外星生命有极大可能也是以碳为基础的。当然以碳为基础的生命不一定要采用现在地球上生命的模式。比如遗传物质就不一定是DNARNA,执行催化功能的分子(酶)也不一定是蛋白质。但是具有类似功能的生物大分子很可能也是以碳为骨架的。

外星生物应该是由细胞组成的

生物体内部的物质组成和外部无生命环境的物质组成有极大的不同。要形成生命,最基本的条件就是要把生物体的内容物与外界环境分开。换句话说,最初的外星生命也应当是以细胞的形式出现的。

在地球上,这是通过细胞膜来实现的。细胞膜是两性构造,膜内部的亲脂环境阻碍水溶性分子通过,而外部的亲水部分又能够与水环境密切接触。如果外星生命也是在水环境中形成的,类似的细胞膜也是需要的。当然外星生物的细胞膜不一定是由磷脂所组成,只要能够形成亲脂的内层和亲水的外层,类似的膜也可以在水中形成。

例如2001年,美国航空航天局(NASA)和加州大学桑塔·克鲁兹分校(UC Santa Cruz)的科学家合作,模拟太空中的状况来产生有机物。他们按照星际冰中物质的比例,混合了水、甲醇、氨、一氧化碳,在类似星际空间的温度(15K,即绝对温度15度,相当于零下258摄氏度)下用紫外线照射这个混合物。当被照射过的混合物的温度升到室温时,有一些油状物出现。当把这些物质提取出来,再放到水中时,它们就会形成囊泡,直径10~50 微米,正好是真核细胞的大小。这个结果说明,在太空中形成的有机物可以自发在水中形成囊泡结构,这就使得原始细胞的形成成为可能。

当然只有膜结构还不够。为了与环境进行物质交换,生物所需要的分子必须要有某种方式通过膜进入细胞内,细胞内形成的废物也必须以某种方式被排除到细胞外。这就需要膜上有各种分子通道帮助这些分子通过细胞膜,这些通道也不一定是蛋白质。

细胞膜的形成意味着细胞内外的物质交换只能通过扩散过程来完成。生物所需要的分子必须通过在水中扩散到达细胞膜,再进入细胞内所需要的地点。由于扩散是一个相对缓慢的过程,这就要求细胞的体积不能太大,以保证细胞有足够大的相对表面积(细胞的表面积和细胞体积之比)来接收外界的分子,同时进入细胞的分子也可以很快到达所需要的位置。由于分子在液态水中扩散的速度在宇宙的各处都应该是类似的,这也决定了外星生物的细胞不能太大,很可能也是微米级的 

出于同样的原理,外星生物要变得更大,也应该走地球上多细胞生物的道路,而不是单个细胞自身变大。也就是说,大型的外星生物的身体也应该是由细胞组成的。多细胞意味着生物体有内环境。位于身体内部的细胞也必须有某种方式获得所需物质的供应,某种形式的输送系统是必要的。

只要有光就会出现能够进行光合作用的生物

生命活动是靠能量来驱动的。虽然各种星球上有多种能量形式,例如放射性同位素的衰变、磁场、物体移动的动能(例如风能,水流和波浪的动能)、势能(物体从高处落下释放的能量)、热能(由温度梯度提供),这些能量形式都难以被生物所利用。能够被生物利用的,只有跨膜离子梯度、氧化还原反应释放的化学能,以及来自恒星的电磁辐射能。

膜两边不同浓度的离子分布本身就是能量储存的一种方式。在地球上,海底热泉可以在膜状结构的两边形成氢离子梯度,而这是生物可以加以利用的能量形式。地球上生命起源的假说之一,就是生命最初在海底热泉周围形成。如果其他星球上也有类似的海底热泉,生命也有可能在那里形成。

如果星球上有可以被氧化的物质,例如氢气,甲烷,也有能够接受电子的物质,例如硝酸盐,它们之间的氧化还原反应也可以被生物所利用。地球上最初的生物可能也是通过这种方式获得能量的,至今还有一些微生物仍然用这种方式获得能量。

但是海底热泉毕竟有限,还原物和氧化物的供应也有限,并且不是随处都有。生物最稳定可靠,随处可得的能源,还是来自恒星的电磁辐射,而且能够接收这些辐射的能量的分子可以多种多样。在最初的生命形态出现后,能够进行光合作用的生物早晚会出现。地球上能够进行光合作用的蓝细菌是地球上最古老的生物之一,估计能够进行光合作用的外星生物也会在生命诞生后不久就出现。而且由于它们有稳定的能源供应,比用氧化还原反应获得能量的生物更有优越性,因而容易发展起来。

由于不同的恒星发出的电磁辐射光谱不同,用来吸收这些电磁波的色素分子构造也会不一样,因此进行光合作用的外星生物不一定是绿色的。

异养生物也应该出现

由于适于进行光合作用的光辐射能量密度很低,通过光合作用积累有机物质的速度是很慢的。地球上的植物经过亿万年的演化,光合作用的效率已经达到极限,但也需要长时间的光照才能合成有限的有机物,例如每株小麦就需要几个月的光照,才能合成那十几粒麦粒。而异养的生物只是把别的生物(归根到底是进行光合作用的生物)现成的有机物拿来,而且拿的数量不受限制,异养生物积累有机物的速度就会快得多,也才能够进行需要消耗大量能量的生命活动,包括肌肉收缩和神经活动。例如人一天就需要大约500克有机物,这些有机物就需要大约1平方米的小麦几个月的光合作用才能形成,但是通过异养方式,这些有机物一天就被消耗掉了,因此异养是比自养更有效的生活方式。地球上生物的物种中,绝大部分是异养生物。

如果在外星上光合作用能够大规模地进行,形成大量的有机物,就会给那些拿现成的外星生物提供了机会。在这种条件下,外星的异养生物(相当于地球上的动物)多半会出现,外星的智慧生物也会从这些异养生物中产生。

储存遗传信息的分子和催化化学反应的分子应该彼此分开而又相互联系

外星生物应该和地球上的生物一样,也是由复杂的化学反应系统组成的。其中的许多反应,特别是需要能量的合成反应,需要特殊的催化剂来完成。在地球上,这个任务是由具有催化功能的蛋白质(酶)来执行的。外星生物不一定要有由氨基酸组成的蛋白质来催化各种化学反应,但是也需要有由简单零件组成的复杂分子来执行这个任务。

外星生物和地球上的生物一样,不可能是永远不死的金刚不坏之身,要生命能够持续下去,必须要有生成下一代的能力,也就是外星生物必须要进行繁殖。这就需要有分子来储存身体构造的信息,以便把这些信息传递给下一代。换句话说,外星生物也必须有遗传物质。这种物质不一定是DNA,但是也必须稳定而且能够被复制。

对遗传物质的要求应该是稳定,即应该不受每生命活动的干扰;而对催化物质的要求应该是动态,这样才能使生命活动不断调整自己以应对外界条件的变化。为了使这两类分子各司其职,达到高效率,这两类分子应该逐渐彼此分开,类似于地球上的DNA和蛋白质。后者应该由前者编码,前者则由后者合成和复制。

外星生物也可能通过自然选择来演化

如果外星生命的遗传物质不是一成不变,而是像地球上的DNA那样也会由于各种原因而逐渐改变的话,外星生命很可能也要遵循达尔文提出的演化规律,即遗传物质变化的后果会通过自然环境进行选择,能够适应环境条件变化的才能生存下来,不能适应的就被淘汰。这样外星生命也会有一个从简单到复杂,从低级到高级的发展过程。

外星生物演化的快慢取决于各个星球具体的条件。如果资源不是很丰富,环境的变化又极其缓慢,也许外星生物会长期停滞在比较低级的阶段上。特别是围绕红矮星旋转的行星,环境也许比类似太阳系的系统简单和缺少变化。红矮星由于热核反应进行的速变比较低,寿命极长,可以在几百亿甚至上千亿年的时间内稳定地发光。由于红矮星质量小,形成行星的云盘也比较小,也许只形成一颗行星,也没有被大的陨石碰撞的事件。在这样的系统中生物演化的动力要比在地球上小得多,估计那里的生物演化也相对缓慢。地球从诞生之日起,经历了多少惊心动魄的事件,多次造成物种大规模的绝灭,同时也使地球上的生物不断演化,最后产生了人这样的智慧生物。

自然选择也包括生物之间对资源的竞争,因为生物也是自然的一部分。在地球上,捕食与避免被捕食是促使生物演化的强大动力。如果有异养的外星生物出现,外星生物也会有捕食者和被捕食者之间持续不断的斗争,促使双方都不断完善自己。斗争的行为也会最终进入遗传物质而被固定下来,以便每一代都能够以同样的行为行事。所以如果有外星造访地球,他们对人类不一定是友好的。当然也有另一种可能性:能够造访地球的外星人一定拥有极为先进的科技,在思想的发展上可能也远超过人类的发展阶段。他们也许已经能够理性地消除彼此之间的战争,对地球上的人类也可能非常友好而且提供帮助。到底是哪种情况,只有外星人真的到来那天才能知道。

也可能分雌雄两性

如果外星生物的遗传物质像地球上的DNA一样,也是不断变化的,那么他们也会遇到遗传物质是否能够共享的问题。在地球上,从病毒、细菌到人类,都通过各种方式共享同种或类似生物个体之间的遗传物质,以使遗传物质多样化,更好地适应环境的变化。有性生殖就是融合两个生物体的遗传物质,立即共享双方的遗传资源,是地球上多数生物,特别是高级生物的繁殖方式。但是有性生殖是以减数分裂为前提的,如果外星生命能够发展出自己的减数分裂机制,估计外星生物也会逐渐分化出雌雄两性。

有性生殖需要雌雄两性的配合,受精卵也通过不断的一分为二的方式发展出新的生物体。外星生命是否可能是三性的呢?三性不仅使得寻偶、求偶、交配更为复杂,而且还会由于个体的密度过低时找不齐三方而无法生殖。由于三方都有否决权,成功的概率会大大降低。而且三性也需要受精卵分为三份的机制,这也是非常复杂和困难的。出于这些原因,估计外星生物即使实行有性生殖,性别也不会超过雌雄两性。

智慧外星生物的出现

由于宇宙的年龄是137亿年,而地球的历史只有45.4亿年,会有一些行星形成的时间比地球早得多,上面的生命也更早开始发展,其中一些星球上生物演化的阶段也就可能大大超越地球上生物的演化阶段,也就是有可能演化出远比人类先进的智慧生物,他们的科学技术水平也可能是目前地球上的人类难以想象的。

在地球上,智力是以神经系统为基础的。动物最伟大的贡献就是发展出了神经细胞和神经系统。这不仅大大提高了信息传输的效率,也从神经活动中产生了感觉,再在感觉的基础上发展出了自我意识和情绪。意识的进一步发展就是智力,即主动地分析处理通过感觉获得的信息(包括即时的和记忆的),从各种行动可能中选择出最佳方案。人类的智力就是这个发展过程的最高成就。

但是我们不知道外星生物是否也会发展出用同样机制工作(神经冲动,即膜电位的变化以接力的方式传输)的神经系统。如果他们有不同的信息传输系统,即不使用神经冲动的方式,也许他们也不会产生地球上动物,特别是人类这样的动物的感觉和意识,他们处理信息的方式可能也和地球上动物的方式不同。如果智慧从这些外星生物产生,我们很难想象它是什么样的,和地球上人的智慧有什么不同。

计算机和人脑都能够处理信息,而计算机处理信息的原理是基于晶体管的,是没有意识的。人对信息的处理是基于神经网络的,是有感觉和有意识的。但是通过界面,计算机和人类能够进行沟通。如果外星生命有和人类不同的信处理方式,他们的智力和我们的智力就会有本质的差别,但是也有可能彼此沟通。外星生物的生理构造会极大地促进人类对生命现象的理解,而外星生物的智力对人类的影响更是不可估量的。

(本文的内容来自我最近出版的新书的最后一章。新书的书名为《生命通史》,由北京大学出版社出版。)

 




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