生命的最基本必需品

虽然尚没有对生命的完美定义，但我们有理由认为，地球生命的生物化学组成中的某些常见原子可能也会被地外生命利用。这种认识可以帮助我们识别地球之外的潜在生命。地球生命的主要构成元素是碳、氮和氢，同时，生物化学反应在液态水中发生。天体生物学界达成了一个广泛共识：其他地方的生命很可能也是碳基的，而一个有液态水的星球至少对“我们所认知的生命”是有利的。这样的推论源于我们意识到，生命是由一套有限的工具，即元素周期表构筑的，这在整个宇宙中都是相同的。

事实上，碳是唯一能够形成像DNA（脱氧核糖核酸）这样由数十亿个原子组成的长化合物的元素。由此可知，似乎只有碳基地外生命才能拥有与地球生命相当的复杂基因组。碳也拥有一些其他特性，使它的化合物具有独特的化学性质，足以延伸出一整个有机化学学科。碳的特殊性质包括：能与自身形成单键、双键和三键，并且能与其他很多元素成键。碳也可以通过将六元环连接起来，从而构建复杂的三维结构。

生命需要起源和繁衍，因此构成生命的主要原子可能也是在宇宙中大量存在的原子。碳在宇宙元素丰度中排行第四，仅次于氢、氦和氧。事实上，天文学家已经在太空中发现了许多非生物成因的有机分子。这些宇宙的“免费赠品”可能为生命起源提供了前体物质（详见第三章）。例如，以质量计，星际尘埃中约30%都是有机物，而我们太阳系中所谓的碳质球粒陨石和行星际尘埃颗粒，分别含有2%和35%的有机碳。

虽然硅在宇宙中的丰度只有碳的不到十分之一，但鉴于硅和碳具有类似的化学性质，也有人主张，硅可能支持形成一种非碳基分子的地外生物化学体系。可是，至少在水中，硅的化合物往往是不稳定的，且容易形成溶解度很低的固态硅氧化物。在常见的行星温度条件下，二氧化碳是气体，溶解在水中可以为生物体提供足量的碳源。与其相反，二氧化硅往往是溶解度很低的固体，例如石英。此外，硅氧键、硅氢键比较强，但碳氧键、碳氢键与碳碳键的强度接近，这使得碳基化合物可以进行交换和改变反应。硅氢键在水中很容易受到破坏，因此硅基分子需要低温环境来减缓它的水解反应。这种环境包括远离恒星的冰质行星上的液氮海洋。目前，这些对于硅基生命的探讨还仅仅停留在纯粹的推测。

不管怎样，稳定的介质对于新陈代谢和基因复制等生物化学过程一定是必需的。在地球上，这样的介质就是液态水。对于地外生命，这种介质可以是另一种液体或是某种稠密气体，只要它在所处环境中不容易变成固体即可。然而，水有一些独特性质。例如，在常压下，水会在100℃以下变成液体，而不像它的孪生子、散发着臭味的硫化氢，只有在—61℃时才会凝结成难闻的液体。液态水的稳定性主要归功于，水分子中的氧原子带轻微的负电荷，与其他水分子中带轻微正电荷的氢原子形成了较强的氢键，而硫化氢分子间的氢键更弱一些。水分子间的氢键强于水分子与油性物质分子间的氢键。正因如此，油与水分离，使细胞膜得以形成，为基因和新陈代谢过程提供稳定安全的环境。

水的另一个不同寻常的性质是，固态（冰）的密度小于液态。当水结冰时，分子排列成有原子尺度空洞的环状结构。如果冰比水更致密，冰将在湖和海中更冷的底部积累，使其隔热且保持冰冻的状态。大海将从底部开始向上结冰而变得不适合生命存在。这是因为当冰积累至海面时，阳光会被冰面反射，导致温度持续下降、冰继续积累。逐渐冻结可能是其他液体海洋，如氨海洋的悲惨命运。在一个标准大气压下，氨在—78℃到—33℃这个区间内呈液态。但任何氨海洋都倾向于从底部向上凝固，而不像水海洋那样即使在低温下形成冰盖也能在内部保持液态。

我们可以在地球上任何有水的地方（除了灭菌设备中）找到微生物，因此“我们所认知的生命”既以水为基础，又以碳为基础。这样一来，对于太阳系探索来说，寻找液态水或它们过去存在的痕迹是行星探测器，比如火星探测器的重要目标。尽管如此，仍然可以设想用有机溶剂作为水的替代品，这对土星最大的卫星土卫六来说可能很重要（详见第六章）。

对地球生命的另一个观察结果是，就质量而言，仅六种非金属元素—碳、氢、氮、氧、磷和硫—就构成了99%的生物体组成物质。这些元素通常被缩写为“CHNOPS”，但我更喜欢说“SPONCH”，因为更方便读出来。生命体的最主要成分水由氢和氧构成，遗传物质中的核酸以及糖类主要由碳、氢和氧构成，而蛋白质的主要成分是碳、氢、氮和硫，磷则是核酸和储能分子所必需的。因此，探测生命可利用形式中的SPONCH元素是行星空间探测器寻找类地生命的另一个可行的目标。 UlstcOiYVaCIHka67zkgCiXDkCtJn4Ug3pbKOG+VHQS7WtH6hMfCkqghufseatDn