对外星生物的一些猜想

许多对外星人的想象常常是比较随意的。既然是“外星人”,似乎可以突破地球人的一切限制,无所不能,连构成身体的物质和使用工具的材料都可以完全不同。比如有些科幻作品就把外星人乘坐的飞船说成是“由元素周期表以外的物质构成的”。要想知道外星生命和地球型生命到底有多么不同,就需要看看我们这个宇宙中组成物质的基本元素及其性质。

在宇宙大爆炸后,由基本粒子组成的高温高压的“粥”逐渐冷却,形成原子。这个时候宇宙中的元素主要是氢,还有一些氦。如果宇宙就这样均匀地膨胀下去,那么我们的宇宙就会只由氢和氦组成,根本不会有生命。

由于宇宙中物质分布的微小不均匀,浓度稍高的地方会把周围的物质吸引过来,使自己的质量增大。这样又会吸引更多的物质向自己靠拢,使这些地方物质的浓度不断增大,最后形成星球。但是如果仅是物质浓度增大,物质本身并不变化,那么这个世界仍然会只是由氢和氦组成。

幸运的是,星球内部的高温高压能使原子核彼此融合,产生更大的原子核,形成新的化学元素,包扩碳、氮、氧、钾、钠、镁、钙、硫、铁等等地球型生物所需要的元素。在超新星爆发时更猛烈的条件下,还可以产生比铁更重的元素,如铜、锌、银、金、铀等,其中有些元素(如铜、锌)也是为地球型的生命所需要的。

到目前为止,已经有118种元素被发现或被人工合成,其中94种存在于地球上。人工合成的元素原子序数(原子核中质子的数量)很高,而且半衰期很短(比如原子序数为112的元素半衰期只有280微秒),不可能长期存在,对生命也没有意义。事实上,构成地球型生命的主要元素原子序数都很低,比如氢(1)、碳(6)、氮(7)、氧(8)、钠(11)、镁(12)、磷(15)、硫(16)、钾(19)、钙(20)、铁(26)等等。原子序数大于碘(53)的元素已经和地球型的生命没有关系,比原子序数118更重的元素(即使能稳定存在)就更不用考虑了。

从原子序数1的氢到原子序数118的Ununoctium,周期表上的位置已经全部填满。也就是说,已经没有人类尚不知道的,原子序数低于118的元素。如果宇宙中所有的星球也都是由这些元素构成,那么外星生物也必须由这些元素构成。

我们现在的宇宙,在各个方向上是高度“各向同性”的,即宇宙的膨胀是向所有方向非常均匀地进行的,所以在宇宙别的地方,应该存在和太阳系里面同样的元素,而不会有周期表以外的元素。虽然我们不能直接到别的星系去采样化验其中的元素,但是对遥远恒星的光谱分析证明,我们在其它星系里能够观察到的元素都是已知的,并不出周期表的范围。既然如此,所有的外星生命,也只能由这些已知元素构成,在这些元素的基础上“玩花样”。

而人类对周期表内元素的性质,已经有了非常详细的研究和了解,从而可以知道哪些元素可以被用来建造生物大分子,哪些不能。

地球上虽然有94种元素,但是能形成复杂的生物大分子的元素非常有限。在这94种元素中,第8主族(主族是元素周期表中“竖行”中的元素,它们的化学性质彼此类似)的6种元素(氦、氖、氩、氪、氙、氡)是惰性气体。它们的外层电子已经完全排满,都以单原子状态存在,“独来独往”,不和其它元素发生关系,和生命更没有关系。第7主族的“卤素”元素(氟、氯、溴、碘、砹)只能形成一个化学键,自然不能连成链,形成大分子。第6主族的元素(氧、硫、硒、碲、钚)是二价的,也不能形成长链。而且即使它们能形成某种结构(比如假设氧原子能够连成长链),由于它们的两个化学键已经“用完”,上面也无法再连上其它的功能基团。

所有第1主族的元素(锂、钠、钾、铷、铯、鈁)和第2主族元素(铍、镁、钙、锶、钡、镭)都是金属。第3主族元素(硼、铝、镓、铟、铊)中除硼以外也都是金属。除主族元素以外,所有的副族元素(也叫做“过度元素”)也都是金属。而金属元素由于容易丢失电子,基本上是在像盐这样的无机小分子中存在,不能形成生物大分子的骨架。

硼可以和氢形成“硼烷”。硼烷分子遇氧会燃烧,生成氧化硼。硼烷也会在水中分解,并且对人有剧毒。硼烷的分子多为三角形构成的多面体,如笼状、网状、巢状结构,而不是形成长链或环状结构。由于这些原因,硼不大可能是组成生物分子骨架的元素,特别是在有水的环境中。

在余下的元素中,只有第4族的碳和硅(其它三个元素为锗、锡、铅),第5族的氮、磷、砷(其余两个是锑和铋)是非金属。在这5种非金属元素中,只有碳和硅这两种元素的原子可以彼此相连,形成长链或环状化合物。地球上所有的生物大分子的“构件”,包括氨基酸、脂肪酸、葡萄糖,都是碳原子彼此相连形成骨架的。由于碳原子是四价的,所以除彼此相连用去两个或三个共价键以外,还可以有“多余”的键来和功能基团相连,形成具有生物功能的分子。而核苷酸中的碱基和核糖也是以碳原子为主,加上氮原子或氧原子形成的环状化合物。所以地球上的生命是以碳为基础的。

硅原子也可以彼此相连,形成长链或环状化合物。由于硅也是四价元素,硅链或硅环上也可以连上功能基团。所以在理论上,以硅为基础的生命也许是可能的。但是由硅和氢组成的化合物(硅烷)在水中是不稳定的,因此以硅为基础的生命不能以水为介质。

由此可见,外星上虽然也可以有地球上的94种元素,但是能够用来建造生物大分子骨架的元素也非常有限,多半不出碳和硅。

也许有人要问,用地球上的元素不是可以生产出各式各样具有特异性质的物质吗?比如超导体、光电材料、特殊合金、碳纤维,隐形材料、半导体、尼龙等等,都是用地球上的元素构成的。为什么外星生命不能用这种办法来建造自己的身体呢?

但是不要忘记,这些特殊物质是人先把元素提纯或先造出基本结构单位,再用特殊工艺制造出来的,所以是“人造物质”。而在生命形成时,是没有“人”来帮忙的,只能由现成的原始材料,在当时的物理化学环境中“自己”生成。

形成地球型生物的原始材料早已在地球上消失(被后来形成的生物“吃”掉了),但是陨石和彗星却含有行星形成以前太空中所含的物质。这些物质可以被陨石和彗星带到地球上,作为生命发生的原料。检查陨石和彗星中的有机物质,可以得到一些有用的启示。

从陨石和彗星中所含的有机物来看,基本上是以碳为基础的化合物。比如美国的“星际尘埃使命”(Stardust Mission)收集了从彗星81P/WILD 2来的微粒,在里面发现了大量的“芳香化合物”(由碳原子和氢原子组成的环状化合物)和脂肪类化合物(由碳原子连成的长链,上面再连上氢原子),以及甲基和羰基这样的含碳功能基团。

1969年9月28日落于澳大利亚的墨其森陨石(Murchison Meteorite,以陨石降落地Murchison命名)总重超过100公斤,含有15种氨基酸,包括组成我们蛋白质的甘氨酸、丙氨酸、谷氨酸,以及含有两个氨基的氨基酸(我们身体里的天冬氨酸、谷氨酰胺、赖氨酸也是含有两个氨基的氨基酸)。在从陨石中取样时最容易被污染的丝氨酸和苏氨酸反而没有被测出,说明那15种氨基酸的确来自太空。而且这些氨基酸是“消旋”(没有旋光性)的,即两种镜面对称的分子都有,说明它们是非生物来源的,很可能是碳、氢、氧、氮等元素的化合物被高能射线照射,发生化学反应而形成的。

这个想法和美国科学家米勒(Stanley Miller)1953年在芝加哥大学所进行的著名的放电试验结果一致。米勒对甲烷、氨、氢和水蒸气的混合物进行放电,制造出了多种有机化合物,包括氨基酸。 经过不断地改进试验条件,米勒及其同事能够合成33种氨基酸,其中10种是地球型生物所使用的氨基酸。

除氨基酸以外,墨其森陨石还含有嘌呤和嘧啶,即地球型生物中遗传物质脱氧核糖核酸(DNA)和核糖核酸(RNA)的组成部分。该陨石还含有大量芳香型(环状)碳氢化合物、直链型碳氢化合物、醇类化合物、羧酸(含有“羧基”的碳氢化合物)以及富勒烯(Fullerens,完全由碳原子彼此相连构成的中空的球体、管状物或平面),说明在太空中的有机物质中,由碳原子彼此相连形成骨架的分子占绝大多数。

如果我们再考虑到水在外星空间广泛存在,使得硅氢化合物难以保存和发展,彗星和陨石中所含的有机物种类强烈地暗示,外星生命很可能也是以碳为基础的,而且有可能使用类似蛋白和核酸那样的生物大分子(因为其原料在太空中已经存在)。

当然以碳为基础的生命不一定要和地球型的生命完全一样。比如含有两个氨基的氨基酸,如果上面再连上碱基(嘌呤和嘧啶),在自然条件下就可以形成“肽核酸”(peptide nucleic acid)。虽然它不像DNA中那样由磷酸和核糖相连形成长链,而是以蛋白质分子中那样的酰胺键连成长链,却也可以实现像DNA双螺旋那样的碱基配对,而且结构比DNA更稳定,可以担当遗传物质的角色。有人认为地球上早期的生命就是由肽核酸充当遗传物质的,我们也没有理由认为外星生命不会使用这样的物质。它们所使用的蛋白质类型的生物大分子也许和地球型的蛋白质有所不同。不过实际情形到底如何,要见到外星生命的实物才能知道。

除了推测外星生命很可能也是以碳为基础外,我们还可以根据地球上生物的进化过程,推测外星生命形成和发展很可能走的途径。

细胞结构。原始生命要形成,首要条件是要和环境分开,所以一个限制物质自由运动的“墙壁”是必须的,也就是必须有原始的“细胞”。由于分子扩散是一个比较缓慢的过程,要及时实现细胞内外的物质交换,细胞不可能太大(在地球上是微米级)。在以水为介质的生命中,这个“墙壁”必须是不溶于水的,必须由“亲脂”的化合物来担任。在地球型的生命中,这个“墙壁”是由磷脂组成的细胞膜。在地球上,体型较大的生物是由多个细胞组成的,每个细胞的大小仍然是微米级。外星生命有可能也采取这样的方式,因为它们所面临的物理和化学规律和地球上是一样的。

自养和异养生物。最初的外星生命只能是自养,因为没有别的生物可“吃”。随着生命的进化,“拿”其它生物现成的“零件”来组装自己的生物(即“异养生物”)很可能出现。所以外星生物很可能也有自养和异养之分。如果有外星智慧生物,很可能也是异养的。

繁殖方式。有性繁殖能使不同生物体之间交换和共享遗传物质,使自己后代的遗传物质更具多样性,能更好地适应环境的变化。外星生命是否也分性,是个有趣的问题。

疾病。外星生物也很可能有各种疾病,包括遗传引起的疾病和微生物引起的疾病。

生存竞争。地球上的生物都要为资源而彼此竞争,优胜劣汰。外星生物很可能也避免不了这种命运。如果外星的智慧生物也是通过生存竞争而发展起来的,它们对地球上的生命就有可能是不友好的。 把我们当食物“吃”倒不太可能,因为组成我们身体的“零件”很可能和外星人的不同,它们无法利用。但是外星人有可能和我们争夺自然资源。就像英国科学家霍金(Stephen William Hawking)所警告的那样,和外星人接触可能有风险。

总之,外星生物虽然很可能和地球型生物不一样,但是它们也是由和地球上同样的化学元素所组成,物质之间相互作用的客观规律也相同,所以外星生命也会受到这些化学元素性质的限制,外星生命的形成和发展也不能违反一些基本的规律,其中的许多和地球型生命面临的相同。所以外星生命也不能是任意的。

上面说的是我们对于外星生命的一些猜想,但是这些猜想只有在见到真正的外星生命甚至外星人之时,才能知道这些猜想是否正确。这正是地球人急切地希望了解外星生命的原因,尽管与外星人接触有风险。

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