宇宙中任何生命的本质或均具有复杂性

　　曾名噪一时的＂火星之脸＂。图片来源：Wikipedia
　　在人类寻找地外生命的工作中，＂假阳性错误＂总是令人困扰。科学家们时常认为他们发现了地外生命，结果却缺少确凿的证据。
　　一个典型的例子发生在20世纪70年代，美国航空航天局（NASA）的两艘海盗号（Viking）探测器在火星上的发现。探测器在火星上似乎找到了生命存在的证据，但又颇具争议。证据来自从火星土壤样本中释放的放射性二氧化碳气体，暗示着土壤中存在微生物的代谢。然而，两艘探测器所携带的另外3个生命探测实验却什么也没发现。而在1996年又出现了更多令人困惑的发现。科学家在南极洲发现了一块火星陨石，其中很可能存在微生物的微体化石（microfossil，利用显微镜才能研究的微小化石）。但是随后的研究表明，这种微体化石也可以通过几种非生物途径产生。最近，研究金星大气的学者声称，在金星大气中观测到了大量磷化氢，这种气体在地球上主要由微生物产生。不过，其他学者很快便对测量的有效性提出了疑问，并且认为即使磷化氢真的存在，也可能来自于金星的某种罕见的火山活动，而非生命活动。
　　这些对地外生命的寻找都有着相同的发展模式：最初的激动，然后是怀疑，最后被否定。一次又一次，似乎宇宙生物学家们只是发现了一些所谓的生物征迹（biosignature），然而却并不能得到什么决定性结论。这很大程度上是因为科学家必须寻找最简单、强健的生命形式，因为这样的生物最可能在严酷的地外环境中存活。但是在地球上，与之相关的化学物质和结构通常也可以通过非生物过程产生。而且，外星生命的化学组成也许与地球生命截然不同。那么，有没有更好的研究方式呢？
　　近期，一项发表在《自然·通讯》上的研究提出了名为＂装配理论＂（assembly theory）的新概念。该理论不再拘泥于寻找简单的生物征迹，而是直接聚焦生命本质具有的复杂性。它基于这样一种思路：宇宙中任何地方、任何形式的生命都会以复杂的分子组合形式来编码生命信息，而这种复杂性是非生命物质完全不具备的。
　　对于这项研究的作者之一、亚利桑亚州立大学的生物物理学家Sara Walker来说，装配理论是该领域的一个里程碑，因为它首次提出了实验室可验证的复杂度测量方法，让我们有能力将有关生命本质的理论与实验观测相结合。
　　在宇宙生物学中，对复杂性的研究正在快速吸引大家的注意。由于只研究简单的化学物质可能无法得到确凿的结论，科学家已经发展出诸如代谢、适应、繁殖、演化等复杂的生命活动的概念，来区分生命系统与非生命系统。例如，NASA在1994年采用了一种复合定义：生命是能够进行达尔文式演化的自维持化学系统。但问题在于，这个定义涉及的关键概念本身就很复杂，从而让验证与量化变得尤为困难。比如，如果向5个演化生物学家请教＂达尔文式演化＂的含义，你很可能得到5个略有不同的答案。正如NASA的首席科学家Jim Green所言，＂我不可能造出一台自己就能找到‘演化’、‘繁殖’或者‘代谢’的机器。＂
　　而装配理论或许可以提供一个更清晰、更普适的方法。该理论基于两个相关的概念：物质的丰度（abundance）与复杂度（complexity）。丰度描述了某种物质在环境中出现的频率，而复杂度则是由估算合成该物质所需的步骤数得到的。对于任意环境中的任意物质，只要这两个量同时上升，那么它来自非生物的可能性就将降低。比如，散布着被水侵蚀的鹅卵石的海滩，它可以很容易地归因于流水侵蚀这一非生命过程，但如果这片海滩散布着精致的贝壳，那么它就更可能存在生命过程。
　　尽管装配理论适用于多种尺度范围内的物质，但是研究人员重点考察了它如何应用于分子。因为无论是在实验室还是太空，分子都是构成生物体最基础的组成单元。
　　为了衡量分子复杂度，该团队定义了一个物质装配指数（mass assembly index, MA），根据一套算法为不同分子赋值。作为验证，他们用这种方法为一个常用化学数据库中的250万种分子进行了赋值与排序。MA值为1的分子拥有很低的复杂度，因此为非生物起源的可能性更高；越复杂的分子则具有越大的MA值。由一个磷原子和三个氢原子组成的磷化氢分子（被认为可能是金星上的生物征迹）的MA值只有1。相比之下，色氨酸则因其具有11个碳原子、12个氢原子、2个氮原子和2个氧原子，且具有复杂的结构，而得到了高达12的MA值。
　　这项研究的领导者、格拉斯哥大学化学家Lee Cronin表示，这项工作表明，当一种分子的MA值高于某个阈值（大约为15），则它在类地条件下由非生物过程产生的概率将变得极低（小于6 1023分之一）。因此，MA值大于等于15的物质几乎只会由生命体产生。
　　那么，这是否意味着MA等于15就是判定是否存在生命的标准呢？答案是否定的。一方面，许多MA值较低的分子也可能是生物征迹，比如由光合作用释放到大气中的氧分子。这意味着，尽管装配理论降低了探寻生命的过程中出现＂假阳性＂的可能，但同时也提高了＂假阴性＂的可能，即可能让研究者忽视一些真正的证据。另一方面，Cronin指出，尽管MA等于15似乎是判断地球上的生命分子的阈值，但在其他截然不同的行星环境下，这个阈值可能同样截然不同。关键在于利用装配理论勾勒出生物系统与非生物系统产生的化学物质之间的界限。
　　生命会产生哪些物质？图片来源：Wikipedia
　　为了进一步验证他们的理论，Cronin和同事们利用质谱分析研究了大量已被赋值的分子。他们将原分子逐一分解为基础的组成部分，确定重新组装该分子所需的步骤数，从而检验复杂度理论计算的有效性。实验结果与理论预测十分接近，能够在多种物质中准确地区分生命物质与非生命物质，包括大肠杆菌、酵母菌、植物生物碱、灰尘、煤炭、花岗岩、石灰岩等，甚至还有啤酒。
　　最令人激动的一项验证来自Heather Graham，他是这项研究的共同作者，NASA戈达德太空飞行中心的宇宙生物学家。Graham的实验室发出了一组盲样，其中有来自数百万年前的生物化石样本，也有默奇森（Murchison）陨石的样本，该陨石是1969年坠落到地球上的火流星，富含有机物，但没有生物。虽然该陨石样本富含多种复杂分子，Cronin的测试仍将其判断为非生命的，MA值小于15。与之相反，化石样本则被判断为具有生物征迹。
　　这项研究的共同作者、NASA宇宙生物学博士后Cole Mathis认为，该研究已经到了一个关键点，大家都注意到了＂复杂的样本＂与＂复杂的分子＂之间的重要区别。虽然诸如默奇森陨石上的复杂化学物质可能会让人认为那里曾经存在生命，但它只是＂复杂的样本＂，而实际上只有体现出复杂化学结构的＂复杂的分子＂才是生命的关键。
　　研究取得的结果令许多研究人员感到欣喜。美国佛罗里达州阿拉楚阿市应用分子演化基金会的化学家Steven Benner（未参与这项研究）说，他和他的同事对这个理论很感兴趣，但Cronin和他的同事仍需解决一些问题，尤其是这项工作能否应用在真正的外星环境。Benner提出，他的团队在模拟金星大气的实验室条件下通过简单的碳前体合成了一些＂半复杂＂材料，Cronin可以尝试在这些材料上检验他们的理论。Benner说：＂金星大气是一个真实的环境，一个不久就会有太空任务造访的环境。如果金星生命存在于云层中，它将遵循完全不同于地球生命所遵循的化学逻辑。这使得金星成为近期检验装配理论的最佳地点。＂
　　对此，Cronin表示：＂Benner的样本是很大的挑战，因为它们浸在硫酸中，而硫酸会分解有机分子，从而降低可供检测的有机物复杂度。不过我们正在探索一种重建复杂度的方法，所以我依然保持乐观，即使对于最困难的样本，如果分子没有被破坏，我们仍然可以进行测量。＂
　　与此同时，Green和NASA的其他研究人员在考虑，装配理论能否被用于分析NASA在以往的星际任务中采集的质谱仪数据。Green最初考虑的是卡西尼号（Cassini）飞行器，它曾从土卫二（Enceladus）采集了水蒸气样本。但卡西尼号上的质谱仪只能检测相对原子质量（amu）在100以下的分子，而装配理论只对150amu以上的分子有效。
　　尽管好奇号（Curiosity）和毅力号（Perseverance）火星车上的质谱仪可以检测150amu以上的分子，但它们却缺少检测MA所要求的研究单一分子的能力。Green说，未来的太空任务都应配备能测量更高质量范围、分析更精确的质谱仪。NASA的核动力飞行器蜻蜓号（Dragonfly）计划于2035年前后探测土卫六（Titan）的大气和地表，它有望实现这一目标。Graham指出，尽管蜻蜓号的质谱仪相比实验室中的仪器功能有所欠缺，但它依然有能力探测复杂分子。
　　土卫六泰坦（Titan），其表面充满液态甲烷和碳氢化合物等复杂的有机分子，可能存在生命。图片来源：Wikipedia
　　未来，其他太空任务将会在太阳系内的地外生命热点地区寻找复杂生物分子的迹象。Cronin推测，装配理论最终甚至可能被用于评估大型望远镜在遥远的系外行星上探测到的潜在生物征迹。
　　至少就目前而言，这项研究已经为理论学家和实验学家提供了一系列理解与观察宇宙生命复杂性的新思路。
　　撰文：Natalie Elliot，是一名科学记者，她主要从事生命起源、宇宙生物学以及科学史的写作。她在美国圣约翰学院讲授科学经典与科学史。
　　翻译：胡明哲
　　审校：郑昱虹
　　引进来源：科学美国人
　　本文来自：中国数字科技馆