互动科普

生命来自外星球？

撰文  戴维·沃姆弗拉什（David Warmflash）

         本杰明·魏斯（Benjamin Weiss）

翻译  波特

大多数科学家一直认为，地球上的生命是一种土生土长的现象。根据传统假说，最初的活细胞，是几十亿年前地球上化学演化过程的结果，这就是所谓的自然发生说（abiogenesis）。还有一种可能性是，活细胞或它们的祖先来自太空。在许多人看来，这一说法如同科幻小说。然而，经过数十年的发展，越来越多的新证据表明，地球的生物圈很可能源自地外的生命种子。

行星科学家们已经清楚，在太阳系的早期历史上，公认的生命基本要素——液态水曾经存在于许多星球的表面。最近，美国宇航局发射的火星探险漫游车（Mars Exploration Rovers）传回的数据，证实了先前的猜测：这颗红色星球上曾经有水，至少断断续续地流淌过很久（参见《环球科学》2007年第1期《火星水世界》一文）。火星上曾经存在生命，甚至现在还有生命存在，这并非毫无根据的天方夜谭。木星的第四大卫星——木卫二欧罗巴（Europa）上，也可能出现过生命，因为在这颗卫星的表面冰层下，似乎存在着液态海洋。土星最大的卫星——土卫六泰坦（Titan）富含有机化合物，尽管该卫星十分寒冷，发现生命的可能性微乎其微，但是也不能完全排除这种可能。即使在火热的金星上，生命也可能有立足之地。金星表面太热，大气压强太大，可能不适合居住，但是这颗行星的高层大气环境，的确可以维持微生物的生存。而且，金星表面环境很可能并不总是那么严酷，这颗行星一度还与早期的地球相似。

此外，尽管行星际空间广袤无垠，但并不像我们过去认为的那样难以逾越。过去20年来，根据一些陨石中封存的气体成分，科学家们已经确定，地球上发现的30多块陨石最初来自火星地壳。同时，生物学家也发现，躲藏在这些陨石中的生物体有足够的忍耐力，至少能在一次短途星际旅行中幸存下来。虽然还没有人断言这些特殊生物体确实经历过这样的旅行，但是它们在原则上还是可以作为证据。生命可以诞生于火星，然后迁移到地球上，反之亦然。目前，科研人员正专心致志研究生物物质在行星间的转移，希望更清楚地认识这一过程是否曾经发生。这样的努力可能会解决现代科学中最具挑战性的一些问题：生命源于何地，又如何诞生？与我们完全不同的生命形态可能存在吗？生命在宇宙中有多普遍？

从哲学到实验室

最近的模拟实验证明，当小行星或彗星撞击一颗行星时，被撞星球上的岩石可以弹射到太空，从一颗星球转移到另一颗星球。某些细菌能够搭乘这些岩石，从撞击时产生的高压高温和太空严酷的环境中存活下来，完成星际旅行。

对古代哲学家来说，生命诞生于非生命物质，这似乎太不可思议。于是一些人宁愿相信，成熟的生命形式是从其他地方来到地球上的。2,500年前，古希腊哲学家阿那克萨哥拉（Anaxagoras）提出了“胚种论”（panspermia，即希腊语中“所有的种子”之意）。他认为所有的生物，乃至世间万物，都是由遍布宇宙的微小种子合并而产生的。在现代，几位首屈一指的科学家——包括英国物理学家开尔文勋爵（Lord Kelvin）、瑞典化学家斯凡特·阿伦尼乌斯（Svante Arrhenius）以及DNA结构的发现者之一弗朗西斯·克里克（Francis Crick）等人，都大力提倡过各种胚种论。当然，这一观念很少获得著名人士的支持，但是，人们并不能否认胚种论是一个严肃的假说。不论是探寻生命在宇宙中的分布和演化，还是思考生命为何偏偏出现在地球上，这个假说都不容忽视。

现代胚种论假说，更关注生命物质如何到达我们的星球，而不是生命最先如何诞生。无论最初诞生于何处，生命都必然是从非生命物质中产生的。20世纪50年代，自然发生说从哲学领域进入了实验室。那时，美国芝加哥大学的化学家斯坦利·L·米勒（Stanley L. Miller）和哈罗德·C·尤里（Harold C. Urey）证明，利用人们认为存在于早期地球上的简单化合物，就能合成对于生命来说非常重要的氨基酸（amino acid）等分子。现在人们认为，核糖核酸（RNA）分子也能够由更小的化合物组合而成，并在生命的发展中扮演至关重要的角色。

在今天的细胞中，特定的RNA分子有助于构建蛋白质。一些RNA在基因和核糖体之间扮演着信使的角色，基因由脱氧核糖核酸（DNA）构成，核糖体（ribosomes）则是细胞的蛋白质工厂。另一些RNA把氨基酸（蛋白质的组成单元）运送给核糖体，核糖体则拥有另一种RNA。RNA与蛋白质酶相互协作，有助于把氨基酸连接在一起，但是研究者已经发现，核糖体中的RNA可以独立地完成蛋白质合成的关键步骤。在生命进化的早期阶段，所有的酶可能都是RNA，而不是蛋白质。因为RNA酶无需蛋白质酶的存在，便能合成最初的蛋白质，因此自然发生说并不像过去人们认为的那样，是一个“先有鸡，还是先有蛋”的问题。在生命出现之前，由RNA和蛋白质构成的系统，能够逐渐演化出复制自身分子结构的能力。虽然这一系统最初很粗糙，可是后来会越来越有效，生命也就此诞生。

这种对生命起源的新理解，改变了科学家们关于胚种论的争论。这已经不再是“最初的微生物要么起源于地球，要么来自外太空”这种非此即彼的问题了。在太阳系混沌的早期历史中，我们的星球频频遭受陨石的猛烈轰击，这些陨石就携带着简单的有机化合物。年轻的地球可能也接收了许多复杂的分子，这些分子尽管原始，但是已经具备了酶的功能，是准生命系统的一部分。它们在我们星球上的某个合适环境中着陆后，便会朝着活细胞的方向继续进化。换句话说，可能存在一种折中情景：生命既扎根于地球，也扎根于太空。但是，不同的生命演化阶段分别发生于何地？生命一旦出现，它又会传播多远呢？

过去，研究胚种论的科学家一直专注于评估这种观念是否合理，但是最近，他们开始尝试着估算生物物质从其他行星或卫星迁徙到地球的可能性。生物物质要启动它们的星际旅行，首先要借助彗星或小行星的撞击（见下图），将它们从所在的行星上弹射到太空之中。被弹射出来的岩石或尘粒在太空漫游的时候，必须被其他行星或卫星的引力俘获，然后穿越大气层（如果存在的话），充分减速之后，降落到目标星球的表面。在整个太阳系中，这种转移频频发生，不过，弹射而出的物质更容易从远离太阳的星球出发，旅行到更靠近太阳的星球，而且更容易落脚到质量更大的星球上。事实上，加拿大不列颠哥伦比亚大学的天体物理学家布雷特·格拉德曼（Brett Gladman）所做的动力学模拟表明，从地球转移到火星上去的物质，数量远远小于从火星到达地球的物质。因此，人们在讨论胚种论时最常提及的情景就是：微生物或它们的祖先，是从火星转移到地球的。

对小行星或彗星撞击火星进行的模拟实验表明，物质可以被弹射到多种轨道之中。格拉德曼及其同事估计，每隔几百万年，火星就要经历一次猛烈的撞击，能量足以将岩石弹射起来，最终到达地球。行星间的旅程通常是漫长的：每年大约有1吨火星物质在地球上着陆，其中绝大多数都在星际旅行中耗去了数百万年时光。但是，也有一些火星岩石只用了不到一年的时间就抵达地球，不过数量非常稀少，1,000万块之中才有一块。在撞击事件发生后的3年中，大约有10块拳头般大小、质量超过100克的岩石能够完成从火星到地球的旅程。更小的碎块，比如小鹅卵石般的岩石和尘粒，似乎更容易在两个星球之间迅速旅行；而更大的岩石完成这趟旅行的几率则低得多。

生物体能够在这种旅行中幸存下来吗？首先，让我们考虑一下：微生物能否在陨石被抛离行星母体的过程中存活下来。最近的模拟撞击实验发现，某些种类的细菌能够承受火星上典型的高压弹射过程，可以在那样的加速度和急速变化的加速度中存活下来。然而，撞击和弹射会不会把陨石加热，摧毁它所带有的所有生物物质，这一点才是至关重要的。

行星地质学家过去认为，超过火星逃逸速度的任何撞击喷出物，肯定会被蒸发掉，或至少被完全熔融。不过，这个观点后来被证明是不正确的，因为人们发现了来自月球和火星的大量未熔融的完好陨石。这些发现使美国亚利桑那大学的H·杰伊·梅洛什（H. Jay Melosh）认为，一小部分岩石在受到撞击时，确实能够在不受热的情况下，从火星上弹射出去。梅洛什提出，撞击会产生向上传播的压力波，在到达行星表面时，波的相位会发生180度的改变，几乎抵消了地表之下薄层岩石中的压力。由于这个“破碎带”只经受了极小的挤压，而下方的岩层却承受着巨大压力，因此靠近地表的岩石能够在变形程度较轻的情况下，高速弹射出去。

其次，我们再来探讨一下，陨石进入地球大气层时生物存活的问题。原芝加哥大学恩里科·费米研究院的爱德华·安德斯（Edward Anders）证实，行星际尘粒会在地球的上层大气中缓缓减速，从而避免了受热的危险。相反，陨石则遭受了强烈的摩擦，它们的表面通常会在穿越大气的过程中熔融。然而，这种短暂的加热最多只能深入陨石内部几毫米，因此隐藏在岩石深处的生物体当然就毫发无损。

在过去的5年里，本文作者之一魏斯及同事发表了一系列论文，分析了两类火星陨石：透辉橄无球粒陨石（nakhlite）和ALH84001陨石。前者大约在1,100万年前，因为小行星或彗星撞击而离开火星；后者离开那颗红色行星的时间，较之前者还早了400万年。ALH84001曾在1996年名声大噪，当时美国宇航局约翰逊宇航中心的戴维·麦凯（David McKay）领导的研究小组宣布，这块岩石含有类似地球细菌那样的微生物化石痕迹。不过多年过去了，科研人员还在为那块陨石里是否含有火星生命的证据而争论不休。通过研究陨石的磁特性和封存在其中的气体成分，魏斯及合作者发现，ALH84001和迄今发现的7块透辉橄无球粒陨石中的至少2块，在离开火星掉落在地球表面的过程中，经受的温度最高仅为几百摄氏度。此外，透辉橄无球粒陨石基本上都完好无损，没有因为高压冲击波而发生改变，这就说明，火星撞击事件并没有把这些陨石加热到100℃以上。

尽管不是全部，但许多陆地原核生物（prokaryote，简单的单细胞生物，没有细胞核，比如细菌）和真核细胞（eukaryote，有明确的细胞核的生物体）能够在这样的温度范围内存活。这个结果是最早的直接实验证据，表明物质可以从一颗行星旅行到另一颗行星，从弹射到着陆的整个过程中，都能够免受“高温杀菌”处理。

辐射问题

在漫漫的太空旅行中，微生物如何躲过宇宙射线的侵害？从理论上讲，某些细菌的抗辐射能力极强，甚至可以在核反应堆里繁殖。实际上，在阿波罗登月任务、“长期曝露飞行器”、“火星辐射环境实验”中，一直都有这样的微生物抗辐射实验项目。

然而，胚种论若要成立，微生物要能熬过漫漫的星际旅程。承载着生命的陨石和尘粒会暴露在真空之中，经历极端温度和各种不同射线的照射。特别需要考虑的是太阳的高能紫外线（UV），它能够破坏有机分子中碳原子之间彼此连接的化学键。不过，阻挡紫外线很容易，几微米的不透明物质就足以保护细菌了。

1984年，航天飞机把美国宇航局的长期曝露飞行器（Long Duration Exposure Facility）送上太空，6年后再由航天飞机收回。利用这颗卫星，欧洲进行的一项研究表明，一层薄薄的铝制外壳，就足以阻挡紫外线对枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）孢子的侵害。受到铝壳保护的孢子，即使暴露于真空中，遭受太空极端温度的考验，它们中的80%仍保持着活性，在任务结束后，仍然能够成功地转变成活的细菌细胞。那些没有铝壳防护的孢子，因为遭到太阳紫外线的直接照射，仅有大约万分之一保持着活性。葡萄糖和盐类物质的存在，增加了它们存活的比率。即使是在一个小如尘粒的物体里，太阳紫外线也不一定能让微生物群体全部灭绝。如果这些群体处在大如鹅卵石的物体内部，对紫外线的防护就会明显增强。

尽管提供了有用的信息，但长期曝露飞行器始终运行在近地轨道，处于地球磁场的保护之中。因此对于那些穿梭于行星之间，但却无法穿透地球磁层（magnetosphere）的带电粒子所产生的影响，这项研究并不能得出什么结论。有时候，太阳会爆发出高能离子和电子；以带电粒子为主的银河宇宙射线，也常常轰击我们的太阳系（参见《环球科学》2006年第4期《宇宙射线：星际旅行终结者？》一文）。保护生物体免遭带电粒子以及高能射线（比如伽马射线）的侵害，要比阻挡紫外线更为棘手。一层只有几微米厚的岩石就可以阻挡紫外线，但是，增加更多的保护层，反而会增加其他类型的辐射剂量。原因在于，带电粒子和高能光子会与保护性的岩石物质相互作用，在陨石内部产生次级辐射“雨”。

除非岩石巨大，直径在两米以上，否则岩石中的任何微生物都躲不开这些辐射雨的影响。不过，正如我们在前面所提到的那样，大岩石很难在行星间迅速旅行。因此，除了防护紫外线外，真正的问题在于，微生物如何抵御各种成分的宇宙辐射，以及携带着生命的陨石如何从一颗行星快速移动到另一颗行星。旅行时间越短，受到的总辐射剂量越低，生存的机会就越高。

实际上，枯草芽孢杆菌抵抗辐射的本领相当高强。美国农学家亚瑟·W·安德森（Arthur W. Anderson）在20世纪50年代发现的耐辐射奇球菌（Deinococcus radioduran）则更加顽强。它能够承受对食物进行灭菌所使用的辐射剂量，甚至还能在核反应堆里茁壮成长。耐辐射奇球菌依赖某种细胞机制修复它的DNA、组建超厚的外部细胞壁，保护自身免遭辐射伤害。同样的机制还能够减轻脱水对它的伤害。从理论上讲，具有如此能力的生物，如果能够深藏在某种物质内部，从火星弹射而出，又像透辉橄无球粒陨石和ALH84001那样没有过度受热的话，即使在行星际空间旅行几年，甚至几十年后，仍然可以保持活性。

但是，在地球磁层之外，有活性的生物体、孢子或复杂的生物分子是否真的能够长期存活，还从来没有得到实验验证。要想进行这样的实验，就要把生物物质放进模拟的陨石物质中，并把它们暴露在行星际空间的严酷环境之中。月球表面也许是这类实验的理想场所。实际上，阿波罗登月任务就搭载了生物样品，这是早期欧洲辐射研究的一部分。但是，最长的阿波罗登月任务持续时间也不超过12天，而且样品被安放在阿波罗飞船内部，并没有完全暴露在太空辐射环境中。将来，科学家将把实验装置安放在月球表面或行星间的轨道上，让它们在太空呆上几年，再把它们取回来进行实验室分析。目前，科学家正在考虑采用这些方法。

现在，一项叫做“火星辐射环境实验”（Martian Radiation Environment Experiment，缩写为MARIE）的长期研究正在进行。2001年，美国宇航局发射了“火星奥德赛”飞船，MARIE作为飞船的一部分也随之升空。在火星奥德赛环绕那颗红色星球飞行的过程中，MARIE测量了银河宇宙射线和高能太阳粒子的剂量。虽然这个实验装置中并没包含生物物质，但它的传感器却是针对为害DNA最烈的那部分宇宙射线所设计的。

未来的研究

地球上的生命究竟是本地“土著”，还是“天外来客”？在我们这个星球上，一些与地外生命有关的奇异生物，或许就藏在我们的眼皮底下……

正如我们已经了解的，胚种论在理论上看似合理。这个假说的一些重要观点，已经从合理的猜想转变成了定量的科学。陨石证据显示，行星间物质的转移贯穿太阳系的历史，这一过程现在仍在以很高频率发生。而且，实验室研究已经证明，从一个体积相当于火星的行星弹射出的一块行星物质，如果内部携带着微生物体的话，其中相当一部分将能够在弹射到太空和穿越地球大气层的过程中存活下来。但是，要证实胚种论假说中的其他部分则更困难。研究者还需要更多的数据来判定，抗辐射的生物体（如枯草芽孢杆菌和耐辐射奇球菌）能否在星际旅行中活下来。而且这一研究很可能无法揭示，地球生物圈发生行星生物体转移的实际可能性有多大，因为研究都涉及现代地球的生命形式；数十亿年前，生物体所处的环境，可能更好，也可能更糟。

此外，科学家还不能量化地球以外其他行星上生命存在或曾经存在的可能性。研究者对任何生命系统的起源，包括我们地球上的生命系统，都还了解得不够，因此对于任何一颗星球来说，我们都无法判断生命自然发生的可能性。如果有了合适的成分和条件，生命也许需要几亿年的时光才能诞生，也可能只需要5分钟就够了。我们目前唯一可以确定的是，在27亿年前，或者还要早几亿年，生命已经在地球上茁壮成长起来。

现在对胚种论场景的所有步骤进行量化还不可能，因此研究者无法估计，在一个特定的时间段内，有多少生物物质或多少个活细胞可能会到达地球表面。此外，就算活体生物能够顺利完成星际旅行，也并不意味着它们一定就能在目标星球上成功地繁衍，特别是在目标行星上已经有了生命的情况下。例如，如果在我们的星球独立演化出生命之后，火星微生物才到达地球，这些地外生物可能无法取代本土物种，或者与本土物种共存。当然，来自火星的生命过去也可能确实来到了地球上，并且找到了一小块适合生存的空间，只是科学家根本不曾识别出它们。科学家记录在册的细菌，只是我们星球上所有细菌种类中的百分之几。许多与地球上已知生物没有遗传关系的物种，也许就隐藏在我们的眼皮底下，而我们却毫不知情。

除非科学家在其他行星或卫星上发现生命，他们才能最终确定胚种论是否发生过，它的规模有多大。例如，如果未来的太空任务在火星上发现了生命，而且火星的生化条件与地球的生化条件学完全不同，那么研究者就会立刻知道，地球上的生命并非来自火星。然而，如果两个星球的生化条件学相似，科学家就有理由怀疑，这两个生物圈也许有一个共同的起源。假设火星的生命形式利用DNA存储遗传信息，研究者研究它们的核苷酸序列（nucleotide sequence），即可真相大白。如果火星生物的DNA序列与地球上生物细胞制造蛋白质时所使用的遗传信息不一致，研究者就能断定，火星-地球胚种说是站不住脚的。但是，还会出现很多其他可能性。科研人员也许会发现，火星生命利用RNA或其他什么东西来引导它们复制。实际上，地球上一些有待发现的生物也可能会被归入此类，这些奇异的地球生物也许会被证明与火星生命有某种联系。

无论地球生命是从地球上诞生，还是通过生命胚种降自太空，或者两者兼而有之，答案都将意义深远。如果证明了火星-地球胚种论，那就说明生命一旦出现，就能轻易在一个恒星系里扩散。另一方面，如果科研人员发现火星生命的证据，而且它们与地球生命无关，那么就说明生命现象可以在整个宇宙中轻易地自然发生。此外，生物学家也可以比较地球生物和地外生物，逐渐形成一个更加普遍的生命定义。我们最终将开始理解生物学的法则，如同我们理解化学和物理的法则一样——它们都是大自然的基本特性。