并非我们所知的:论生命的化学形式

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作品名:并非我们所知的:论生命的化学形式

作者:艾萨克·阿西莫夫


即便是不愉快的经历,也是能激发灵感的。

举个例子,我的孩子曾经有一次骗我让我带他们去看电视上做广告的一部怪物电影。“这是一部科幻小说”,他们解释道。他们并不真的明白什么是科幻小说,不过他们推断这是他们的爸爸写的那种东西,因而我们之间的辩论还是相当的激烈。

我试图根据我自己的定义向他们解释这不是科幻小说。但是,虽然我有我自己的逻辑,孩子们却有着他们自己的分贝。

于是,我加入了一条绵延整整两个街区的队伍,全是孩子,偶尔有几个大人在里面苦度光阴,还装着自己是在等公车并会随时离开。这是新英格兰的一个典型的早春时节 — 讨厌的细雨在呼啸的东风里被搅得象针一样 — 我们缓缓地一寸寸地向前挪着。

最后,在我们离售票处只有六英尺,也是对我个人而言,离得肺炎只有六英寸的时候,我的守护天使笑了,她终于让我得以幸免于难。售票处挂出了售罄的牌子。

我一边在暗自欢笑,一边又说道,“哦,这真太可惜了!”,然后赶着我的那些咆哮不止愤愤不平的孩子们回家。不过,这件事让我思考,那些电影里的怪物形象是多么地缺乏想象力。它们所表现出来仅有的特征,就是它们的大和它们的破坏力。它们包括巨大的猿,巨大的章鱼(或者叫八腕类),巨大的鹰,巨大的蜘蛛,巨大的变形虫。换句话说,我想这些都是好莱坞所喜好的。单单这就足够吸引那一大群一大群吵吵嚷嚷的人类幼虫,因为变得强大和具备破坏力,是这个世界上的每一个精力充沛的少男少女们不便言说的梦想。

不过,这只是真正狂热的一小部分。我们所需要的是真正的多样性。当谨慎的天文学家用“Life-as-we-know-it”(我们所知的生命)这一说法来限定那些在另一个世界里的生命的时候,我们就会变得很不耐烦。那些生命可不可以是“Life-not-as-we-know-it”(并非我们所知的生命),好了,这才是我想讨论的东西。

作为开始,我们不得不先确定什么是“Life-as-we-know-it”(我们所知的生命)。显然,“Life-as-we-know-it”(我们所知的生命)极其的多样。它有飞的、跑的、跃的、爬的、跳的、游的、以及不动的。它有绿的、红的、黄的、粉的、苍白的还有多彩的。有的生长,有的不长;有的吃东西,有的不吃东西。有的有骨骼,有的有外壳,有的板结,有的柔软;有的有四肢,有的有触手,有的则什么附属物也没有。有的有毛,有的有鳞,有的有羽,有的有叶,有的多刺,还有的则是赤裸。

如果我们将上述这些都当作“Life-as-we-know-it”(我们所知的生命)的话,我们就不得不找出某些它们所共有的东西。我们可能会说这些都是由细胞所构成的,只不过这是有例外的。对任何一个曾经感冒过的人来说,病毒都是一种重要的生命形态,而它就不是由细胞所构成的。

因此,我们必须超越生理学层面,而进入到化学层面。我们说所有的生命都是由一组核酸分子组成的,后者通过蛋白质的作用,在以水为媒介的环境中,导引和控制着一系列化学反应。

尽管有更多关于生命定义的细节,这几乎是不可尽数的,但我正试图抽丝剥茧,以期找到其中最基本的要素。对于“Life-as-we-know-it”(我们所知的生命),水是其中不可缺少的舞台背景,而舞台上的角色则是核酸和蛋白质。

因此,在对任何特定地方存在生命进行可能性评估的时候,如果那里缺少水,或者水只是以固态的冰或气态的蒸汽的形式存在,任何科学家都会立刻停止考虑上述地方的。

(顺便地,你可能在想,为什么我没有把氧气作为基本要素。我没有把氧气作为基本要素,因为它不是。确实,氧气是大部分生命形式在形成能量的过程中所涉及的最典型的物质,但它并不是一种总会涉及到的物质。在我们的体内有组织让我们能够在暂时缺氧的情况下生活,在自然界也有些微生物能够在长期缺氧的环境下生存。几乎可以明确地说,地球上的生命发端于一个无氧的大气环境,甚至到今天,仍旧有一些微生物只能在无氧的环境下生存。但是,在地球上,没有哪一个已知的生命形式,可以在完全无水的环境下生存,或者可以不含有核酸和蛋白质。)

为了讨论那些“Life-not-as-we-know-it”(并非我们所知的生命),让我们试图改变一下生命的舞台背景或舞台上的角色。先从舞台背景开始!

水是一种神奇的物质,具备一系列非凡的特性,对于那些“Life-as-we-know-it”(我们所知的生命),它是非常理想的。对于生命而言,水是如此完美的适合,以至于一些人理所当然地将水的一些性质看作是神赐的。但是,这其实是不对的,因为生命是进化成这样的,它逐渐适应了以水作为媒介。生命适应水,而不是相反。

那我们是否可以想象生命进化并适应了其它种类的液体呢?一种也许与水非常类似的东西。一个很明显的候选者就是氨。

氨几乎在任何方面都同水非常类似。水的分子结构包含一个氧原子和两个氢原子(H2O),它的分子量为18,而氨的分子由一个氮原子和三个氢原子组成(NH3),它的分子量为17。液氨与水比较,气化所需的温度几乎是一样的高,作为溶剂的用途几乎是一样的广泛,释放氢原子的倾向也几乎是一样的。

事实上,化学家已经在研究那些在液氨中发生的化学反应,并且发现它们可以和那些在水中进行的化学反应相类比。“氨化学”已经被研究得相当细致了。

因此,以液氨作为生命背景是很有可能的,不过不是在地球上。地球上的温度让氨以气体的形式存在。氨的沸点是-33.4°C (-28°F),而冰点是-77.7°C (-108°F)。

那么其它行星呢?

在1931年,借助分光镜,科学家揭示出木星的大气,以及土星的大气(在相对较少的程度上),都含有氨。有一种理论说,木星上覆盖有巨大的氨的海洋。

确实,木星可能具有的温度不超过-100°C (-148°F),因此你可能会想它上面大部分的氨也许是以固态形式存在的,剩下的一小部分则以在大气中的氨气形式存在。太糟了,如果木星离太阳近一点就好了。不过且慢,我上面所给的这个氨的沸点,是在地球的大气压下测得的。在更高的压力下面,沸点会上升,因此当木星的大气足够浓密,云层足够厚时,其上存在巨大的氨的海洋的可能性终究是有的。

然而,针对将氨作为生命背景的观念,一种反对的意见可能被提出。它基于这样一个事实,任何活着的生物体,都是由那些可以参与快速的、精细的、和多样的化学反应的,不稳定的化合物组成的。组成“Life-as-we-know-it”(我们所知的生命)的,必须是处于不稳定边缘的蛋白质。温度的小小提高,都会令它们破环分解。

而在另一方面,温度的下降,也可能令蛋白质分子变得太过稳定。当温度接近水的冰点时,所有的非温血生物都会变得非常懒散。在一个液氨环境下,温度甚至比水的冰点还要低百度左右,那些化学反应会不会变得太过缓慢而无法支持生命呢?

答案有两方面。首先,为什么要把“慢的”说成是“太慢了”?为何不能有一种生命形式生活得比我们慢呢?植物就是嘛。

其次,也是更重要的,是形成生命的蛋白质结构让自己适应了周遭环境的温度。如果让蛋白质结构在液氨温度条件下也经历数十亿年来适应这样的温度,它就很可能会进化得在液态水温度下哪怕待上几分钟就会变得非常不稳定,而在液氨温度下则会变得足够稳定而能适宜地生存。

我们无法想象这样的结构可能会是一个什么样子,但我们也无需担心。假设我们是一种长期生活在赤热环境中的生物(自然是基于一套与我们现有理论存在本质区别的化学)。在这种情况下,我们能理解地球上的那种蛋白质吗?我们会将压力容器冷冻到25°C,去形成蛋白质然后去研究它们吗?当我们尚未发现利用这种蛋白质的生命形式,我们会梦想去这么做呢?

那么,除了氨之外,还有什么呢?

好的,在宇宙中,真正普遍存在的元素是氢、氦、碳、氮、氧和氖。我们去掉氦和氖,因为它们是惰性气体,并且几乎不参与任何化学反应。宇宙中绝大多数的元素是氢,因此,碳、氮和氧都会以氢化物的形式存在。氧的氢化物就是水(H2O),而氮的氢化物就是氨(NH3)。这两个我们都已考虑过了。现在就剩下碳,它和氢构成甲烷(CH4)。在木星和土星上,除了氨以外,还存在甲烷。而在更遥远的天王星和海王星上,甲烷则是主要的物质,而氨则被冻结成了固体。这是因为液态甲烷有着比液氨更低的温度。在常规大气压下,甲烷的沸点是-161.6° C (-259° F.),冰点在-182.6° C. (-297° F.)。

我们能否将甲烷看作是生命的一种可能的舞台背景,而舞台上的角色是一种更加不稳定的蛋白质呢?很不幸,这个并不这么简单。

氨和水都是极性化合物,也就是说,分子间的电荷呈非对称分布。而甲烷分子的电荷分布则是对称的,换句话说,甲烷是非极性化合物。

一种极性液体可以用来溶解极性物质,而不能溶解非极性物质。而一种非极性液体则可以用来溶解非极性物质,它是无法溶解极性物质的。

因此,水,由于它是极性的,它可以用来溶解盐和糖,不过它不能用来溶解脂或油(合在一起就是化学家所谓的类脂化合物(lipid)),因为后者是非极性的。这也就是俗语中所说的“油和水不相容”的道理。

另一方面,甲烷,作为一种非极性化合物,能够溶解类脂化合物而不能溶解盐或糖。由于蛋白质和核酸是极性化合物,当然它们也就无法溶解在甲烷当中。事实上,很难设想任何一种结构能够让蛋白质和核酸溶于甲烷。

如果我们考虑以甲烷作为生命的舞台背景的话,那么现在,我们就必须更换舞台上的角色了。

为此,让我们看一下蛋白质和核酸,然后问我们自己,是什么使蛋白质和核酸对生命而言如此的重要?

好的,蛋白质和核酸都是巨分子结构,能够在结构上带来几乎是无穷无尽的变化,因而具备了功能广泛这一潜在的能力,而后者作为基础,是任何一种几乎是无穷无尽变化着的生命所必需的。

有没有另一种分子结构,能够像蛋白质和核酸一样,变得很大很复杂,而且还是非极性的,因而能够溶于甲烷?最普通的跟生命相关的非极性化合物就是类脂化合物,因此我们不禁会问,类脂化合物能否以巨分子的结构存在?

如此巨大的类脂化合物分子不仅可能,而且真实存在。特别地,脑组织中就含有复杂结构(以及未知功能)的巨型类脂化合物分子。到处都存在着所谓的“类脂化合物蛋白”和“蛋白类脂化合物”,它们都是由一部分的蛋白质和一部分的类脂化合物组成的单个巨大分子。人类只是了解了类脂化合物化学的一点皮毛。直到近几十年,我们才发现,非极性分子的潜能要比我们所知道的更大。

同时也记住,地球生命的生物化学的进化过程始终是围绕着水这种极性媒介所展开的。为中心的。假设生命在比如甲烷这样一种非极性媒介中进化,同样的进化力量将使脂类分子通过不断的增殖,成为复杂的、微妙而又易变的结构,进而能够完成通常与蛋白质和核酸相关联的那些功能。

继续从温度方面加以讨论,我们会遇到少数的几个常见的在低于液态甲烷温度下仍呈液态的物质。它们是氢、氦和氖。同样地,去掉氦和氖,这样我们就只剩下氢,这个在宇宙中最常见的物质。(有些天文学家认为木星的五分之四是由氢组成的,其它的大部分是氦。在这里就要跟氨的海洋说再见了。)

氢在-253° C (-423° F.) 和 -259° C (-434° F.) 之间将成为液体,在真空环境中,超过-240° C. (-400° F.) 氢就会沸腾气化。这个区间只比绝对零度高20到30摄氏度,因此由氢所构成的这一舞台背景,也许是为着最寒冷的生命准备的。氢是非极性的,因此同样地,它需要某种脂类来充当舞台上的角色。

到目前为止,所有的讨论都集中在那些比地球更冷的行星上。那么那些比地球更热的行星呢?

作为开始,我们必须认识到在行星中所存在的严格的化学区隔。在太阳系里,或者姑且推而广之到整个宇宙,有三种形式的行星。

在寒冷的行星上,分子的运行比较缓慢,甚至连氢和氦(在各种物质中最轻的因此也是最灵活的)也运动得足够缓慢,以至于在行星的形成过程中被保留在一起。氢和氦在一起形成了我们所熟知的那些巨大的气态行星,如木星、土星、天王星、海王星。

在较热的行星上,氢和氦运动快速且容易逃逸。更复杂的原子,作为氢和氦的海洋里仅有的杂质,能够形成那些小的行星。其后的主要氢化物是水。水不仅有甲烷-氨-水三者中最高的沸点,而且也是最容易和硅酸盐形成紧致的复合物,从而形成行星那坚硬的外壳。

这样就形成了象火星、地球和金星这样的行星。在这里,是不可能有以氨和甲烷为舞台背景的生命形式。首先,温度高得足以让这些物质气化。其次,即使这些行星上在形成之后曾经经历过一个长期的超级冰河期,期间的温度降到足以液化氨或甲烷,这仍不足道。因为那里没有足够大量的液氨和液态甲烷来支持一个遍及世界的生命形式。

想象一下,一个比上述的那三颗行星更热的世界,一个热得足以连水都蒸发掉了的世界。这个熟悉的例子就是水星。这是一个由坚硬的岩石组成的,这些岩石如果有的话,也只会含有少量的氢或氢化物。

难道这就能让我们排除可能具有的生命形式了吗?

未必。

存在某些非氢化合物,能比水在更高的温度下保持液态。在宇宙范围内,其中的一种最常见化合物能在 113° C (235° F) 到445° C (833° F) 温度之间仍保持液态,而这将非常切合火星向阳面的温度。

然而,对于这样一种生命的舞台背景,这舞台上的角色又会是什么样的呢?

到目前为止,所有我们考虑过的那些复杂分子结构都是些普通的有机分子,巨分子,它们主要是由碳和氢所构成的,并掺杂了较多的氧和氮,和较少的硫和磷。单纯的碳和氢只会构成非极性分子,而氧和氮的加入则能增加分子的极性数量。

在以液态水为舞台背景的世界里,在生物机体组织的成分当中,氧原子的数量当超过氮原子的数量,地球就是一例。而在以液态氨为舞台背景的世界里,我估计氮原子的数量将明显超过氧原子。根据所含的氧原子和氮原子数量的多寡,可以用来区隔不同亚种的蛋白质和核酸分子。

而在以液态甲烷和液态氢为舞台背景的世界里,类脂化合物的成分里缺乏氧和氮,而主要是碳和氢,这就是为什么类脂化合物是非极性化合物的理由了。

但是,在一个如水星般炎热的世界里,所有这些化合物都不存在。没有哪种有机化合物,除非一些非常简单的,能够长时间耐受液态硫磺的温度。事实上,地球上的蛋白质在60° C的温度下只能坚持几分钟,再长就无法存活。

那如何确定有机化合物呢?首先的想法,或许是可不可以用其它元素来替代氢原子,因为在这样炎特的世界里,氢将极度缺乏。

让我们来观察一下氢原子。由于它是所有原子中最小的,因此它可以挤进分子结构里其它原子无法进入的地方。任何碳链,无论多么复杂,都能够在其周遭附着上氢原子,使其成为碳氢化合物,也就是烃类。如果用其它原子,就会显得太大了。

那哪一个能作为替代氢原子呢?好的,一种和氢原子的化学属性相近(至少就参与特定分子的结合的能力而言)而且和氢原子一样小的原子就是氟。不幸的是,氟太活跃了以至于化学家们总是觉得它难以对付,因此自然而然地会去研究更加驯服的原子种类。

这在二战期间得到了改变。那时,六氟化铀是唯一能让铀变成一种容易气化的化合物。正是因为对铀的研究所需(原因你懂的),氟才受到重视,不管是否情愿。

结果,得到了一整组的“碳氟化合物”,它是由碳和氟,而非碳和氢,构成的复杂分子,也是氟基有机化学的基础。

诚然,碳氟化合物比对应的碳氢化合物要不活跃得多(事实上,它们在工业上的用途正是在于它们的这种不活跃),并且它们似乎最不能适应构成生命所必需具备的灵活性和多样性。

然而,发展至今的碳氟化合物,可以和氢基有机物中的聚乙烯和聚苯乙烯相类比。如果我打算只从聚乙烯来判定氨基有机物的潜力的话,那我真怀疑我们能否很容易地来设想蛋白质的潜力。

据我所知,还没有人做过氟化蛋白的研究,或者甚至还没有人想过要去研究它。但是,为什么不呢?我们可以非常确信,氟化蛋白在常温环境下应该不会比普通的蛋白质来得活跃。但是在象水星这样的星球上,那里会非常热,会将氢基有机物完全破坏,而氟基有机物却有可能变得恰好足够活跃,以至于可以来支持生命,特别是由那些生命形成的氟基有机物。

那些以硫为介质的碳氟化合物生物所依赖的,当然是基于这样的假设,那就是在那些炎热的行星上,氟、碳和硫的数量足以支持让生命在数亿年里形成所需的随机化学反应。这些元素在宇宙中比较常见,所以上述假设并不是天方夜谭。但是,为了保险起见,让我们考虑其它可能的选择。

假设我们不用碳作为构成生命的巨分子的主要成分,有没有和碳的独特属性相近的元素— 能够构成长链和长环—从而使能够用来表达生命多样性的巨分子结构得以存在呢?

在这方面离碳最接近的原子是硼和硅,硼在元素周期表中位于碳的左边,而硅则位于碳的正下方。然而,这两个元素中,硼是相对稀少的元素。由于硼在地壳中的低聚集性,让它参与的那些产生生命的随机化学反应会非常缓慢,从而在仅有的五十忆年当中,产生以硼为基础的生命的概率几乎不存在。

那就只剩下硅了。不过至少,我们有充分的事实依据的。水星,或者其它的炎热的行星,可能缺乏碳、氢和氟,但它一定富含硅和氧,因为这是岩石的主要成分。一个一开始就缺乏硅和氧的炎热的行星将无法存在,因为它将不会比那些散布着的镍-铁陨石有更大的质量。

硅可以形成同碳链相类似的化合物。氢原子可以链接硅链,而非碳链,从而形成硅烷。不幸的是,硅烷会比其对应的碳氢化合物更来得不稳定,并且在不太可能在高温下存在于一个形成生命所需的复杂分子结构当中。

诚然,硅确实能够在岩石中形成复杂的长链,并且这样的长链能够轻易耐受高热。然而,我们这里讨论的不是那种只链接硅原子的硅长链(Si-Si-Si-Si-Si),而是那种部分硅原子被氧原子所取代的硅长链(Si-O-Si-O-Si)。

每一个硅原子链接四个氧原子,因而你须将它们想象成这些氧原子每个都和它上面的和下面的硅原子相链接,同时,它也和周围的硅原子相链接。这样就构成一个三维立体的网络结构,因而它是非常稳定的。

然而以这种硅氧链为基础, 当它链接的另外两个原子不是氧原子而是碳原子会怎样呢?当然这种情况下,碳原子还可进一步链接氢原子。这种杂交分子,无论是硅基的,还是以碳基的,都被称作硅酮。这些化合物同样也是主要在二战时期开发出来的,从它们诞生之日起,它们就以极强的稳定性和不活泼性而引人注目。

同样地,在具备更大的复杂度和高温的条件下,硅酮将展示其形成生命所需的活跃性和多样性。另一种可能性:也许存在某种硅酮,它们含有通过氟原子,而非氢原子链接的碳链。我们可以叫它氟化硅酮(Fluorosilicones),虽然,据我所知 — 很可能我是错的 — 目前还没有对它的相关研究。

硅酮或氟化硅酮,可不可能这种化合物的简单结构(在高温环境下保持为液体状态)形成了生命的舞台背景,而其复杂结构则形成了这舞台上的主要角色呢?

就此,依据温度的不同,从赤热到接近绝对零度,我们可以将生命的化学构成列示出来:

1, 以氟化硅酮为介质的氟化硅酮生物;

2, 以硫为介质的碳氟化合物生物;

3,* 以液态水为介质的核酸/蛋白质(以氧为基础的)生物;

4, 以液氨为介质的核酸/蛋白质(以氮为基础的)生物;

5, 以液态甲烷为介质的类脂化合物生物;

6, 以液氢为介质的类脂化合物生物。

在这六个当中,只有第三个是“Life-as-we-know-it”(我们所知的生命),我在它上面打上了星号以免遗漏。

当然,这并没有穷尽我们的想象,因为科幻作家早已假定存在着靠核能生存的金属生物,生活在天然气里的雾状生物,生活在恒星上的能量生物,生活在空间里的心智生物,还有生活在多维空间里的不可名状的生物,等等。

不过,基于宇宙中那些最常见的原子,它似乎包含了通过纯粹的化学现象最有可能产生的那些生命形式。

因此,当我们走向太空,那里可能会让我们有多于预期的发现。我不仅可以期待和我们具备相同生命形式的外星人兄弟相遇,我还会希望在那些并非我们所知的生命形式的可能性当中找到我们的远房表兄弟。

事实上,我认为我们会偏爱我们的这些表兄弟。在我们的兄弟之间,竞争可能会很激烈,甚至超级激烈,因为我们或许都非常想攫取对方的星球。而由于相互之间能够完美地吻合,我们和我们的那些在炎热世界的或者在寒冷世界的表兄弟之间,有的只有友谊。每个星球都自成一体,生活在自己的星球上的生命将自给自足。而每个星球对其它星球而言,既无用也无求。

现在可以再来看摩西十诫中的第十诫(译者注:“第十诫:不可贪恋他人的房屋;也不可贪恋人的妻子、仆婢、牛驴,并他一切所有的。”),容易理解多了!