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还记得开普勒438b和开普勒442b这两颗星球吗?是1900颗系外行星(太阳系外的行星)中最像地球的。

所谓“像地球”的部分意思是,这个行星可能有液态水——在宜居带内,这的确很有希望。“跟着水走”已经成了天体生物学家在宇宙中寻找生命的魔咒。随着技术能力的提升,对系外行星大气反光中水的特征进行探测已经指日可待,因此一些天文学家希望能够尽快找到有生命的外星世界。

但是水真的是生命所必须的吗?

人们坚信这一点由来已久。1913年,哈佛生物化学家Lawrence Henderson提出了一种奇特的反-达尔文进化论。进化论认为有机体是通过适应来“配合”它们所处的环境的。而Henderson在他的《环境的配合(The Fitness of the Environment)》一书中却说,宇宙环境本身会“配合”产生生命。

这非常令人费解。环境怎么会来配合生命?

Henderson指出,水看起来具有“生命中心”的特性,它似乎是一种独一无二的生命溶液。在地球上它确实是一种无处不在但又相当特别的液体。其他的简单氢化物分子——如甲烷、硫化氢、氨和氯化氢——在室温和常压下都是气体——除了“一氧化二氢(H2O)”水。水分子间似乎有一种额外的粘性,使之能够结合在一起。

水有很高的热容量鎏英奇鸢(它可以吸收大量的热量但温度却不升高),洋流能够把吸收的太阳热量扩散到全球各处,使行星整体环境变得更为一致和稳定。还有,大部分液体凝固时,体积会收缩,密度会增加,只有水会膨胀,密度会变小。因此,池塘不会从底部开始结冰,然后无法解冻;相反的,冰会像一个盖子一样把水隔绝在下面。

水的溶解性也非常好,从而可以给有机体提供基本的营养元素。假如水失去了携带离子(带电原子和分子)的能力,就不可能有光合作用和神经脉冲。因为水有巨大的表面张力,汁液才能沿着毛细管上升,植物才能长得又高又大。

这非常令人费解。环境怎么会来配合生命?行星的化学要素——水、岩石、空气——不会突变也不会繁殖,而突变和繁殖是达尔文主义者眼中所谓“配合”的关键。但是它确实具有维持生命所必须的特性。19世纪中叶,部分不列颠学者受布里奇沃特伯爵(E陈丹青评论刘索拉arl of Bridgewater)之托写了一系列书,宣称“万物的创生,明确地体现了上帝的力量、智慧和恩惠”——也就是说,想用科学的发现来证明上帝的智慧,亦即所谓的“自然神学”。1834年出版的一部布里奇沃特著作中,英国化学家William Prout宣称,接近冰点时水的膨胀就是神意的一例。

Henderson不准备向上帝让步,但是他也承认,要解释水这种明显的“配合”现象是不容易的,仍然没有更好的答案。他能说的只是“根据当前的假说和法则,无法对这些巧合作出任何解释。”假如这些现象能够被李维嘉发伤心感慨理解,他说,“那么将会是在未来,当我们对物质的特性有了更深入的了解之后。”

Henderson之后一个多世纪的研究成果表明,水和生命间的关系比之前想像的更为融洽和复杂。但同时也显示这种关系可能并不是专有的——生命和水之间的这种特殊的和谐,可能只是达尔文进化论“适应创造可能”的又一杰出范例。

它会漂浮!冰会漂浮,而我们竟然忘记了这是一件多么奇怪的事情。大部分液体在凝固时会收缩,密度会增加,因

以现代的观点来看,水绝不是一个被动的、衬托生命有机分子表演的背景。相反,它是一位积极的参与者。水分子间存在着一种脆弱的弱化学键网络,名为“氢键”,它能够把生物分子像织地毯一样“织”进液体分子里。生物分子和溶液的关系就像在跳一段互动的舞蹈。作为催化剂的蛋白质非常灵活,它能够改变形状,把反应导向正确的方向。蛋白质外形的改变会影响周围的水,使水起伏和晃动,而水的起伏和晃动同时又会给蛋白质注入“活力”。

全都包起来了!包裹着蛋白质等生物分子的水分子“水合膜”能够和生物分子结构及其运动产生十分积极的反应。

这种相互作用的微妙可以达到非常惊人的程度。举例来说,德国波鸿鲁尔大学和以色列魏茨曼科学研究所的研究人员发现,当一个蛋白质分子和目标分子(称为“酶作用物”)结合在一起并准备转运它时,结合点附近的水分子运动就会慢下来,会变得浓稠,姚雄波就好像要把酶作用物固定在原位一样。氢键作用的变化和周围自由水分子的运动,会导致能量以及官员不雅熵发生细微增减,从而控制和驱动大量精巧且具高度选择性的生化反应发生。

在这些生化反应中,既有水从角悲风神教落和缝隙间被逐出,让位给酶作用物,酶和它的目标分子,亦即酶作用物之间的结合;也有新制造出来的蛋白质链折叠成外形紧凑的酶;既有把蛋白质组装成复杂的生物分子结构;也有把脂肪分子组装成细胞膜。这些反应都受益于水的浸泡,以及水在隔水(疏水)分子间诱发的吸附作用。

水分子还能作为附着在蛋白质表面的工具,扩展酶的势力范围,帮助它结合或转运小分子。从酶的通道中穿过的水分子链还扮演着“质子线”的角色,能够引导氢离子,允许细胞把氢原子搬运到新的位置或新的分子中,亦或积累和释放能够产生能量的氢离子浓度差异,就像山坡上利用水全自动包子机,唯品会的东西是正品吗,武流转动的水车。穿过DNA双螺旋结构的水分子网络,任何细小的改变都可以影响DNA分子的弯曲程度,影响插入其中的蛋白质激活或关闭基因的方式。

微型管道。由结合成氢键的水分子链(蓝色)构成的“水线”从输水蛋白质通道—“水通道蛋白”中穿过。每个水

所有这一切都表明水在生命中所扮演的角色,比Henderson的评价更为错综复杂。但是水究竟具有多少独特性?生命对水的这种能力有多大的依赖性?水所扮演的某些角色,如疏水吸引力,其他溶剂也能够扮演:只要溶解的分子与溶剂的关联性不大,无论它们是什么,都会趋向于粘合在一起。而水线中氢离子的传导,虽然对地球生命来说十分重要,但是它的不可或缺性,对地外生化反应来说却不明显。

也可以这样问:假如只把水当成一种普通的液体,情况又将如何?北爱尔兰贝尔法斯特皇后大学的Ruth Lynden-Bell和新泽西普林斯顿大学的Pablo Debenedetti对所谓的“反事实水”模型进行了研究,这个模型所展示的,是使水展现出异常特点的核心特征——水中氢键的排列——在模型中,人们可以对它进行精细的调整,从而确定多大程度的调整是被允许的?多大程度的调整又会使水失去独特的属带码菌性?

水的独特属性并非都有助于生命——有些会造成明显的阻碍。

一种最简单的理论模型视氢键为单纯的静电作用:带有微量正电荷的氢原子,会和邻近氧原子中带有负电荷的“孤对”电子产生吸引力,电荷相互作用,形成一个四面体。在这种吸引力的支配下,分子间会形成一种特别的几何学排列方式,并在顶层控制着原子和分子间更为一般的吸引力,也就是“范德华力(van der Waals)”(又名“色散力”)。在构造简单的液体,如液氩或液态二氧化碳中,唯一能够阻止分子飞散蒸发的,就是这种力。

水中的“氢键”(虚线)把水分子排列成了一个四面体结构(左)。在液体形态(右)中,这些键能够把水分子连接成一个扩展的网络。红色是氧原子,白色是氢原子。

Lynden-Bell和Debenedetti用计算机设计出了一个水的模型,在这个模型中,氢键的静电作用力(能够维持四面体的存在)和范德华力(这种力在所有方向上都是相同的)能够进行随意的改变。他们把这种假想中的东西戏称为“不是水(not-water)”。结果发现,水的异常特性并非只是作用力的程度问题。氢键的排17种幻想列方式,和简单球状范德华力的排列方式——它们就像加农炮弹一样——明显是不相容的。在两种极端情况下,我们将得到两个最糟糕的世界:无论由哪种力支配,分子的排列都是无序的。换言之,水和缺乏氢键的液体有着质的不同,后者的分子只会相互碰撞。但是水分子并不是唯一拥有氢键的分子——氨,甚至氯化氢也有。区别在于水分子能够形成巨大的三维网络,因为它们的分子可以粘合成四面体,而别的氢键只能形成长链。氢键的三维网络是水结冰后密度变低的原因,而这是氨和氯化氢做不到的。这是水的独特之处。

但是水的几何结构呢?假如我们改变水分子弯曲的角度,让氢键形成不了完美的四面体,或者让弯曲的程度变大,水的独特属性是否会消失?Lynden-Bell和Debenedetti发现,在这种情况下,只要改变的程度不十分剧烈,水的某些异常特性依然存在,比如水在到达冰点前密度仍然会变大。“这些(几何学)参数拥有足够的宽容度,”Lynden-Bell说。要使水的独特属性消失并不容易,Debenedetti说。

制造不同的水:Lynden-Bell和Debenedetti像玩具一样摆弄水中键的长度(左)和角度(右),想撩心为上看看会发生什么。

水的氢键结构也常被用以解释水中溶质的疏水吸引力。但是在审视了“不是水”氢键强度和弯曲角度的改变之后,Lynden-Bell、Debenedetti等人得出结论,疏水粒子之所以不溶于水(趋向于结团成块),主要是因为水分子太小,其间存在的能量我和我妈妈足以为这些粒子“挖”出空间,而非氢键本身的原因。因此几乎很多小分子液体应该都能做到这一点。

公平地说,水在某些方面是独一无二的,但在另一些方面并非如此:它比较特殊似乎影院,但并没有那么特殊。而且,它的独特属性并非都有助于生命——有些会造成明显的阻碍。其中之一就是,它太活跃。氧原子中的孤对电子能够吸引分子中带正电的部分,而它们也会破坏已经存在的氢键,并瓦解或重组分子,这就是所谓的“水解”。蛋白质链内氨基酸的结合要依靠肽键,但肽键中的碳原子容易受到这种攻击,因此通过水解,蛋白质可以被分解。糖分子链,如纤维素、淀粉之类的生物多糖复合物,也会遇到相似的情况。

“这对于今天的系统性生命体而言,并不是一个太大的问题,酶可以修补水带来的伤害武汶妍,”应用分子演化基金会的化学家Steven Benner说。但是对于生命的起源而言,这非常重要,他说,生物分子的原型要在水中形成并维持,但是它们并没有酶的协助。“如果说水是上帝设计出来的完美生物质溶剂,那这样的设计无疑是糟糕的,”Benner说。

他认为,在原理上不能排除氨、甲酰胺(CHONH2),或液态烃——土卫六上大量存在的那些东西,也支持不同类型的生化反应。实验室和工业有机化学已经生产出大量非水溶剂(不是水的溶杜礼明剂),这些东西通常有非常强的针对性,因为水过于活跃。Benner对土卫六烃海洋中存在疏水生命的可能性特别感兴趣。他和同伴最近进行了一些实验,想看看是否可以制造出一种“基因聚合物”——一种能够把信息编码进分子序列中的物质,就象DNA和RNA那样——并使之在此类液体中工作。

他们发现,一种名为聚醚的链状分子在摄氏-70度左右能够罗西贝微博很好地溶解在液态丙烷(C3H8)中,这种分子的主干由碳和氧原子交替组成。Benner认为,聚醚在这样的溶剂中能够起到基因数据库的作用。

太冷:土卫六的烃海洋,照片由NASA/ESA卡西尼-惠更斯联合任务的惠更斯探测器于2005年拍摄。类似的烃有能力为携带信息编码的链状聚合物扮演溶剂角色,虽然这种情况发生时温度要比土卫六高。

但是土卫六的温度要低得多:它的烃海洋主要由甲烷(CH4)和乙烷(C2H6)组成,温度只有摄氏-178度左右。在这样的极端低温下,大部分三国之傲世龙腾聚醚不能溶解。Benner推断说,土卫六上的液态甲烷“太冷,以致于几乎无法溶解一切对生命有意义的物质。”但是他说,这并不是因为烃是一种糟糕的溶剂——只是因为液态水的温度更高,温度高的液体溶解性更好。床文“一个温暖的土卫六,”他说,“一个位于太阳系宜居带内,大约相当于火星位置的行星,可能会有一个内含丙烷、丁烷甚至戊烷的烃海洋。”这些溶剂在相应的温度下将保持液态,并能够溶解大量物质。

Benner认为另一种理想的水替代品是甲酰胺,它可以由一氧化碳和氨,或氰化氢和水合成——而这些简单分子在星际空间和外星环境中都能够找到。“甲酰胺的溶解力以及保持液态的温度范围和水非常相似(甚至可能更好),”Benner说:在一个大气压下,甲酰胺的溶点是摄氏2度,沸点是摄氏210孕夫种田记度。而且它没有水那种破坏聚合物的倾向。Benner和他的同事们最近向我们展示,在含硼矿物的催化作用下,磷酸盐类能够在甲酰胺里与腺苷分子结合,形成磷酸腺苷,磷酸腺苷是RNA和DNA的基本材料。与之相反,水会破坏磷酸腺苷,使之难以形成核酸。chrone

假如在宇宙中,水之外的溶剂确实能够为其他形式的生命起到相似的作用,那么地球上生命和水的这种亲密关系可能只是环境和生命相“配合”的极端机会主义式的反映。地球生命已经习惯了这种奇怪液体所提供的一切。我们可能在天体生物学中高估了水的重要性,而与此同时又在地球生物学中低估了水的意义和精巧作用。

确实,我们在地球上发现的每一种适应性,都会提升水在生命中的重要性。生命可以生活在地球深处炽热高压出产石油的岩缝里,生命可以生活在南极冰湖下。微生物能够在炙热干旱的阿塔卡马沙漠活下来,也能够在滚烫的深海火山热液口周围繁殖。生命能在浓度极高的盐水中生存,能够忍受高浓度的有毒重金属,也能够暴露在高离子辐射的外太空而不以为然。当我们以为没有一种有机体能够离开水进行新陈代谢的同时,微生物却能够适应重水中的生活,某些隔离酶在完全无水的环境下,也能或多或少地工作。以上这一切,都在试图让我们相信,一旦达尔文式的进化开始,生命几乎能够在所有环境中前进。

Lynden-Bell也赞同,我们不应该低估自然选择在各种环境中使生命得以维持的能力。“我个人相信,演化能够利用它所发现的环境,而且很有可能存在着与我们完全不同的演化场景,”她说。生命同时也能改造环境,使之与自身相配。温哥华不列颠哥伦比亚大学的Colin Goldblatt指出,如果以我们当前的视角来看,只有寒冷而潮湿的外星世界看起来才稍微那么宜居一点,那么宜居带究竟在哪里其实取决于行星的大气层内有什么:在地球上,二氧化碳(在一定程度上由生命守护着)使我们行星的温度维持在冰点以上。换而言之,是“居住地决定宜居性,”他说。因此,在我们确知生命存在之前,不能对水是否能够维持生命作出草率的判断。

现在,让我们来算一算。根据目前的统计,平均来说,每一颗银河系里的恒星至少拥有一颗行星,在与太阳类似的恒星中,有五分之一的宜居带内嘉兴海宁天气存在着与地球类似的行星。因此,仅仅银河系内就至少有110亿个这样的外星世界——而可观测宇宙中至少有1000亿个星系。

在这样的前景面前,我们真的还能坚持水是生命必须的吗?

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