“水是生命之源”的說(shuō)法不是百分百準(zhǔn)確的

【編者按】

生命的誕生、發(fā)展與進(jìn)化受到多重因素、環(huán)境條件的限制和影響，人類(lèi)以及其他生命形式誕生于地球到底是一種偶然，還是一種必然？在其他星球上，是否能夠形成與人類(lèi)及其他地球生物相提并論的生命形式？如果在遙遠(yuǎn)的星球真的存在生命，那種生命與地球上的生命有什么聯(lián)系和共同點(diǎn)嗎？

我們目前還沒(méi)有在除地球之外的任何星球發(fā)現(xiàn)過(guò)生命，但是通過(guò)思考地球之外的生命是否會(huì)遵循與地球相同的演化路徑，是否會(huì)采取與地球生命不一樣的結(jié)構(gòu)和形態(tài)，天體生物學(xué)研究也為思考地球生命背后的普遍原理提供了啟迪。

英國(guó)愛(ài)丁堡大學(xué)天體生物學(xué)教授查爾斯·科克爾（Charles S.Cockell），多年來(lái)致力于對(duì)惡劣條件下的生命特征、外星生物的宜居性，以及太空探索和移居等課題的研究。本文摘編自其《生命的實(shí)驗(yàn)室》一書(shū)的第六章《生命的極限》，由澎湃新聞經(jīng)中信出版集團(tuán)授權(quán)發(fā)布。

除了溫度極限之外，科學(xué)家們同樣癡迷于確定生物體內(nèi)的水活度極限。隨著搜尋范圍的逐步擴(kuò)大，越來(lái)越多生活在極端環(huán)境中的生物被人們發(fā)現(xiàn)，水活度的極限值也隨之逐步下降。不過(guò)從本書(shū)的角度來(lái)看，更重要的是從概念的角度理解水活度對(duì)于生命的限制，而不是追究具體數(shù)值能有多低。液態(tài)水是生命存活的最基本需求，一旦水的可用性（水活度）降低至0.6以下，可存活的生物種類(lèi)就會(huì)大大減少。而在約0.5的水活度下幾乎不可能存在任何活躍的生物。這一切僅僅只是由于沒(méi)有足夠的液態(tài)水。蜂蜜是一種常見(jiàn)的低水活度日常廚房用品，其水活度往往低于0.6。因此將蜂蜜置于常溫并不會(huì)發(fā)霉，因?yàn)槲⑸餆o(wú)法在這片缺水的“沙漠”中生存。

蜂蜜的例子告訴我們，不是所有含有液態(tài)水的地方都適合生命居住。人們往往習(xí)慣性地認(rèn)為任何有水的環(huán)境都適宜生命生存。我們常聽(tīng)到行星學(xué)家說(shuō)，尋找外星生命就是尋找水源，人們也常把“水是生命之源”掛在嘴邊。這些說(shuō)法來(lái)源于我們對(duì)于日常生活的觀察，我們認(rèn)為水對(duì)一切生物都至關(guān)重要，但是，這個(gè)說(shuō)法不是百分百準(zhǔn)確的。

除了蜂蜜之外，還有許多物質(zhì)的水溶液不適宜生命生存。在25℃的情況下，飽和氯化鎂溶液的水活度為0.328，遠(yuǎn)低于生命的適宜值。這些低水活度的水溶液還會(huì)造成生物分子的功能紊亂。即使是在地球上，我們也能輕易找到不適宜生命存活的氯化鎂環(huán)境，比如地中海深處的鹵水。微生物學(xué)家發(fā)現(xiàn)這些鹵水的濃度位于生命存活的極限。

在布爾比礦井的深處，水流四通八達(dá)。水在流經(jīng)各處的同時(shí)，溶解了氯化鈉和硫酸鹽。整個(gè)礦井內(nèi)幾乎所有的鹽水中都有活躍的生命存在，這些嗜鹽微生物僅靠著貧瘠的資源維持生活。有時(shí)，鹽水的溪流會(huì)流經(jīng)氯化鎂礦脈，在這種情況下，隨著氯化鎂濃度的升高，水流的水活度直線下降。所以，在這類(lèi)水流里沒(méi)有生命存活的跡象。在經(jīng)過(guò)氯化鎂之前，我們的溪流已經(jīng)旅行了很長(zhǎng)的距離、流經(jīng)了許多鹽礦，但一旦其流過(guò)少量的氯化鎂，哪怕是嗜鹽微生物也無(wú)法在這樣的水環(huán)境中存活。

同樣，在南極洲麥克默多干谷有一個(gè)乍看之下毫不起眼的小池塘。這個(gè)池塘被命名為唐胡安池，人們一度認(rèn)為該池塘中沒(méi)有活躍的生命存在。自20世紀(jì)70年代以來(lái)，這個(gè)罕見(jiàn)的水池一直吸引著科學(xué)家。唐胡安池由高濃度的氯化鈣水溶液構(gòu)成，其水活度低于0.5，理論上沒(méi)有任何生命能在其中存活。不過(guò)，在對(duì)從池水中提取出的樣本進(jìn)行培養(yǎng)后，微生物學(xué)家們得出了好壞參半的結(jié)果：盡管池塘里確實(shí)沒(méi)有活躍生命，但科學(xué)家們同時(shí)觀察到，從池塘里撈出的微生物可以在池塘外存活。只要把某些微生物從池塘中分離，并鋪在瓊脂平板上，在較為溫和的實(shí)驗(yàn)室條件下，這些從唐胡安池而來(lái)的微生物就能夠生長(zhǎng)。對(duì)于這種現(xiàn)象，人們提出了一個(gè)較為合理的解釋?zhuān)涸诖杭?，南極洲的積雪融化流入池塘，在水池的上層形成淡水層，該水層的水活度高于生命能夠存活的極限值，在這種情況下，生命獲得了短暫的喘息，得以繁衍生息，直到上下水層混合，總的水活度又讓它們無(wú)法活躍下去。

這些有水卻無(wú)生命的棲息地向我們揭示了一條深刻且重要的道理。水確實(shí)是生命必需的，但即使是在地球上，也存在著擁有大量液態(tài)水但不足以支持生命的環(huán)境。而這不僅僅是由于外在環(huán)境十分干燥——比如在下加利福尼亞，毒辣的陽(yáng)光使鹽田的水分蒸發(fā)，形成固態(tài)的鹽殼。事實(shí)上，即使處于液態(tài)，某些鹽溶液的性質(zhì)依舊會(huì)導(dǎo)致它們無(wú)法釋放足量的水分子。即使不去其他星球?qū)ふ覙O限情形，人們依舊能夠確定其極限值——演化中發(fā)生的任何偶然事件都無(wú)法跨越鹽度的障礙。在過(guò)去的35億年中，雖然演化一直在嘗試各種各樣適應(yīng)環(huán)境的方法，然而，在低水活度的條件下，即使是演化也無(wú)能為力。就算我們?cè)陲柡吐然V或氯化鈣溶液中加入足夠的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、有機(jī)材料，或者任何已知的能量來(lái)源，該水環(huán)境一樣無(wú)法支持細(xì)胞繁殖。

思考這些限制讓我們想要繼續(xù)探索生命的極限，討論還有什么條件可能會(huì)阻止生命的前進(jìn)。同時(shí)，這些探索能夠幫助我們更完整地理解物理學(xué)對(duì)于生物圈的限制。在西班牙南部有著精美建筑的古老小鎮(zhèn)塞維利亞附近，有一條明亮的橙紅色河流——力拓河。力拓河橫穿整個(gè)伊比利亞半島，總長(zhǎng)一百多千米，穿過(guò)了一條富含硫化物的巖石帶。這些硫化的巖石會(huì)發(fā)生氧化反應(yīng)，遇水成為硫酸，于是，力拓河成為一條強(qiáng)酸性河流，河水的平均pH值僅為2.3。不過(guò)，與加利福尼亞州艾恩山的情況相比，力拓河的酸度不過(guò)是小巫見(jiàn)大巫：在艾恩山，類(lèi)似的酸性河流的pH值可低至0~1，接近蓄電池中的酸液。在這種極端的化學(xué)條件下，人們或許會(huì)認(rèn)為這已經(jīng)接近，甚至超過(guò)了生命所能容忍的極端條件。

然而實(shí)際上，在這些環(huán)境中，生命仍舊欣欣向榮。水溶液的pH值反映了溶液中的質(zhì)子濃度，游離的質(zhì)子濃度越高，溶液的酸性越強(qiáng)。對(duì)于生命而言，質(zhì)子并不是一種有害物質(zhì)：在細(xì)胞內(nèi)，質(zhì)子在細(xì)胞膜間頻繁流動(dòng)，其形成的質(zhì)子流是生命能量收集的基礎(chǔ)。不過(guò)過(guò)量的質(zhì)子也會(huì)積累過(guò)多的電荷，對(duì)蛋白質(zhì)或細(xì)胞的其他關(guān)鍵部位造成損害。住在力拓河和艾恩山的嗜酸微生物必須想辦法使體內(nèi)的質(zhì)子濃度不至于過(guò)高。為了實(shí)現(xiàn)這一目的，它們把質(zhì)子泵出來(lái)，以維持細(xì)胞內(nèi)部質(zhì)子濃度的恒定，其體內(nèi)的pH值幾乎保持中性?？梢?jiàn)，“嗜酸微生物”這個(gè)名稱(chēng)在某種程度上不太恰當(dāng)，因?yàn)檫@些微生物只是通過(guò)演化獲得了防止其內(nèi)部變酸的各種機(jī)制。不過(guò)也正因?yàn)樗鼈兘弑M全力在強(qiáng)酸性環(huán)境下維持體內(nèi)的質(zhì)子濃度，它們已經(jīng)充分適應(yīng)了這樣的生存條件。如果把它們置于酸性較弱的環(huán)境中，許多都會(huì)死亡。

而另一類(lèi)微生物——嗜堿微生物則站在pH的另一個(gè)極端，它們能耐受高pH值（強(qiáng)堿性）的生存環(huán)境。加利福尼亞州死亡谷以北的莫諾湖是嗜堿生物的天堂，在這里，造型奇異的管狀碳酸鹽巖丘（被稱(chēng)為“石灰華”）從湖面穿出，湖的四周同樣分布著很多巖柱，這樣的場(chǎng)景仿佛只會(huì)出現(xiàn)在某些詭異的外星球上。這些煙囪似的巖柱由湖水中的礦物質(zhì)沉積而成，湖水的pH值高達(dá)10，含鹽量是海水的3倍。如此之高的pH值并沒(méi)有阻礙生命的誕生，不僅微生物能夠在湖水中生長(zhǎng)，還有堿蠅（Ephydra hians）沿著湖岸線漫無(wú)目的地飛行，豐年蝦（Artemiamonica）愉快地在鹽水湖中游動(dòng)。在莫諾湖，即使是動(dòng)物也可以繁衍生息。堿蠅幼蟲(chóng)就在湖水中生活，它們具有特殊的器官，能夠?qū)A性的湖水轉(zhuǎn)化為碳酸鹽礦物，這些礦物質(zhì)將會(huì)包裹在幼蟲(chóng)周?chē)褂紫x(chóng)免受堿性物質(zhì)的毒害。通過(guò)這種聰明的辦法，堿蠅幼蟲(chóng)將水中的離子轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小的礦物顆粒，使其變得無(wú)害。

莫諾湖存在許多未解之謎，是許多科學(xué)家集中精力研究的實(shí)驗(yàn)對(duì)象。然而，它并不是世界上堿性最強(qiáng)的湖泊。其他比莫諾湖堿性更強(qiáng)的湖，比如東非大裂谷中的馬加迪湖，其湖水的pH值超過(guò)11，而湖中同樣存在著生態(tài)系統(tǒng)。

迄今為止，在自然情況下，所有人類(lèi)已知的極端pH值環(huán)境都無(wú)法阻止地球生命的定居。這是物理定律限制生命的一個(gè)例外嗎？也許并不是，讓我們從物理事實(shí)的角度來(lái)重新看待這個(gè)觀點(diǎn)。如果不斷提升溫度，最終一定會(huì)上升至生命無(wú)法承受的程度。因?yàn)樵谶@樣的極端情況

下，生命分子的化學(xué)鍵中被注入了巨大的能量，破壞了生物分子的基本結(jié)構(gòu)。脆弱的碳基生命無(wú)法在1000℃的高溫下讓分子內(nèi)的原子依舊結(jié)合在一起。所以，我們可以輕松地推斷出生命極有可能存在溫度的上限，雖然關(guān)于具體這個(gè)上限是多少，以及在極限溫度下分子到底是如何解體的還有待研究。鹽濃度的極限也是同樣的道理。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，鹽濃度，或者生物對(duì)干燥的耐受程度的極限由可用水的數(shù)量來(lái)決定，在完全脫水或加入過(guò)多鹽使水分子完全不可用的情況下，生命就失去了反應(yīng)所必需的溶劑。由此，我們可以輕松地推斷出鹽濃度存在極限，就其本質(zhì)而言，可用水的多少必定會(huì)為生命劃出一道界限。

而對(duì)于pH值，沒(méi)有哪個(gè)內(nèi)在的本質(zhì)原理能夠完全限制生命的產(chǎn)生。只要細(xì)胞具有足夠的能量以及功能完善的離子泵，根據(jù)具體情況泵出或泵入質(zhì)子，細(xì)胞內(nèi)部的pH值將始終保持在中性左右，不受外界極端pH值的影響。只要離子位于細(xì)胞外，它們是不會(huì)對(duì)生命造成致命威脅的，所以也許不同pH值環(huán)境下都存在生命這一點(diǎn)并不奇怪。

但是，這并不意味著pH值在所有情況下都無(wú)所謂。在與其他極端條件（如高溫或高鹽）同時(shí)存在的情況下，極端的pH值無(wú)疑是雪上加霜，細(xì)胞需要更多的能量以應(yīng)對(duì)多種困境。在地球上，雖然在大多數(shù)極端環(huán)境下，只有一種極端條件占主導(dǎo)，但環(huán)境中僅存在一種極端條件的情況非常罕見(jiàn)。深海中低溫高鹽，而火山池往往高溫強(qiáng)酸。人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)多種可以同時(shí)應(yīng)對(duì)高鹽、高溫、高pH值的微生物。在任何環(huán)境中，應(yīng)付一種極端情況就可能足以榨干細(xì)胞的所有能量了，而第二種，甚至第三種極端條件將成為壓倒細(xì)胞的最后一根稻草。不過(guò)就pH值本身而言，它似乎并不是地球自然環(huán)境中對(duì)生命的一種基本限制。

除了pH值之外，還有其他我們未能確定極限的限制因素。在地殼和海洋深處，巨大的壓力壓縮并限制著細(xì)胞內(nèi)的分子。不過(guò)出乎意料的是，在海洋深處約11千米的馬里亞納海溝底部，人們發(fā)現(xiàn)了生命的存在，在那里，物體受到的壓強(qiáng)是海平面壓強(qiáng)的1000倍。同樣，在地殼深處也有生命蓬勃發(fā)展。為了應(yīng)對(duì)高壓，生命演化出了一系列適應(yīng)機(jī)制：通過(guò)在細(xì)胞膜上排布?xì)饪准稗D(zhuǎn)運(yùn)蛋白，細(xì)胞能更輕松地排出廢物并吸收營(yíng)養(yǎng)；同時(shí)，這些嗜壓微生物的蛋白質(zhì)都經(jīng)過(guò)了修飾，能夠更好地適應(yīng)高壓環(huán)境。深入地殼，溫度可能在壓力之前率先達(dá)到生命的極限：由于地?zé)崽荻鹊拇嬖?，在?xì)胞被壓力限制至無(wú)法移動(dòng)之前，它們就已經(jīng)被巨大的熱量破壞了。

對(duì)于壓力問(wèn)題，我們的認(rèn)識(shí)還相當(dāng)有限。在沒(méi)有溫度干擾的情況下，生命會(huì)受限于某個(gè)一定的壓力極限嗎？壓力的問(wèn)題比一般的極限問(wèn)題更為復(fù)雜，因?yàn)閴毫?huì)間接影響許多其他因素，例如氣體的溶解度和流體的行為。所以，對(duì)于高壓情況下達(dá)到極限的生命，我們無(wú)法確定這種影響是直接來(lái)源于壓力，還是由于極端壓力間接改變了外在環(huán)境，讓生物無(wú)法從環(huán)境中獲取足夠的營(yíng)養(yǎng)或能量。

許多極限都會(huì)阻礙生命的存活，但有一種極限條件對(duì)生命的限制尤為嚴(yán)峻——電離輻射。電離輻射類(lèi)似于高溫，會(huì)將能量傳遞給生物分子，對(duì)它們?cè)斐刹煌潭鹊钠茐?。生命能夠在一定程度上抵御輻射所帶?lái)的負(fù)面影響：DNA等分子可以自我修復(fù)受損鏈，蛋白質(zhì)可以重構(gòu)，某些色素（如類(lèi)胡蘿卜素）能夠“澆滅”輻射與水瞬間反應(yīng)時(shí)產(chǎn)生的活性氧。生命具有一系列應(yīng)對(duì)輻射引發(fā)分子損傷的機(jī)制，哪怕只是一個(gè)小小的單細(xì)胞微生物都裝載著全套防護(hù)體系，令人不得不感嘆生命的奇妙。

擬色球藍(lán)細(xì)菌屬（Chroococcidiopsis）是一類(lèi)居住在沙漠巖石中的藍(lán)細(xì)菌。盡管看上去并不起眼，但它們可以耐受約15千戈瑞的輻射劑量，約為人類(lèi)致死劑量的1000倍。在“抗輻射榜”上同樣榜上有名的還有耐輻射奇異球菌（Deinococcus radiodurans），它通過(guò)自我修復(fù)及減輕損害，至少能夠承受10千戈瑞的輻射劑量。

生物對(duì)于輻射的耐受必然存在上限。如果攻擊細(xì)胞的輻射能量過(guò)大，細(xì)胞自身修復(fù)與制造新分子的能力將無(wú)法跟上細(xì)胞遭到破壞的速度，這種破壞的原理與高溫所造成的破壞相似。在我們的星球上，只有極少數(shù)的生命環(huán)境（無(wú)論是自然的還是人為的）存在持續(xù)的高劑量輻射。所以，生命遭遇極端輻射的情況并不如遭遇極端溫度那般常見(jiàn)，與之相關(guān)的演化也較少。但是，我們依舊可以想象有著一條這樣的邊界。

整個(gè)生物圈就像一個(gè)被圍墻包圍的動(dòng)物園。在圍墻之內(nèi)，各種生物，無(wú)論微小還是巨大，都在某些法則的引導(dǎo)下演變成為可以預(yù)測(cè)的形式。盡管這些規(guī)則具有限制性，但在它們?cè)试S的范圍內(nèi)，生物能夠嘗試各種各樣的可能性。正是這樣的自由度造就了生物圈的復(fù)雜性，使生物在細(xì)節(jié)上極為多樣化。不過(guò)，動(dòng)物園高高的圍墻嚴(yán)格限制了整個(gè)生物圈演化的潛力。其中，某些限制可能是普適的，無(wú)論演化的色子擲出怎樣的結(jié)果，地球上也不會(huì)出現(xiàn)不需反應(yīng)溶劑或不受任何溫度限制的生物。不過(guò)更具體的細(xì)節(jié)，如具體某種蛋白對(duì)溫度的敏感度，就存在著較為靈活的變化空間，可能會(huì)隨著具體生命（甚至整個(gè)生命群體）的生死而發(fā)生微調(diào)。不過(guò)，若從更為廣闊的角度來(lái)看，物理學(xué)定律為生命的邊界砌起了一座不可逾越的牢固高墻，任何生命都受到這座高墻的限制。

這個(gè)動(dòng)物園并不能隨心所欲地“擴(kuò)建”。人們?cè)诔踝R(shí)地球上多姿多彩的生物界時(shí)，很容易將生命的多樣性想象為無(wú)窮無(wú)盡—確實(shí)，如果考慮到生命之間所有微小的差異，我們可以認(rèn)為這種變化“無(wú)窮無(wú)盡”。但是，地球生命處在的行星尺度，及它們能夠適應(yīng)的物理、化學(xué)環(huán)境條件，相比整個(gè)已知宇宙實(shí)在太過(guò)渺小。我們只是生活在一個(gè)由常規(guī)的極限所限制的袖珍泡沫中，在泡沫里我們只能沿著有限的演化軌跡前行。

《生命的實(shí)驗(yàn)室》，[英]查爾斯·科克爾著，張文韜、葉宣伽、張雪譯，中信出版集團(tuán)2020年11月。