最近声称在金星中纬度云层中探测到分子磷化氢,使化学生物特征的想法重新回到我们寻找宇宙其他地方生命迹象的努力的最前沿。论点认为,磷化氢通常预计不会在金星环境这一部分的非生物(非生命)化学反应中产生或长期存在。但在地球上,磷化氢与有机物有关(想想沼泽气体或污水),并且可以被认为是某些极端生物的生物标志物或生物特征分子,这些生物可能在金星硫酸云中潜伏着同类或趋同进化的同等物。
毫不奇怪,有很多注意事项。很多注意事项。
怀疑论者的清单包括识别特定分子的挑战——即使它是像磷化氢这样的小而简单的分子,只有一个磷原子和三个氢原子——只有一个孤单的光谱线特征。或者我们实际上并不知道金星云层中正在发生的所有化学网络(其中液滴、气体和光化学反应相互混合,以每秒 200 公里到 370 公里的速度绕行星流动)——研究人员也指出了这一事实声称探测到磷化氢。或者我们真的不知道地球上的微生物实际上是如何产生磷化氢的:它是新陈代谢的直接产物,还是新陈代谢产物与环境化学物质混合的后果?甚至有证据表明,普通的铁,含有含磷杂质,可以与硫酸反应,在室温下产生大量的磷化氢;对于富含铁的陨石物质降落在酸性云层上来说,这是一个有趣的选项。
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但是,无论金星上实际发生什么,它都突出了一个更深层次的问题和挑战,即使用小分子作为生物标志物的整个概念,特别是当您无法轻易进行原位测量时。
简单的事实是,许多化学过程都会产生小分子,但将生命与其他现象区分开来的因素之一是,生命始终如一地利用和产生复杂分子。而且它这样做的方式可以说超越了我们在宇宙中已知的任何其他事物。
那么,为什么我们不专门寻找大型复杂分子呢?答案是,远程执行此操作非常困难,即使不是不可能的。天体化学家非常熟悉这一挑战。如果您使用射电望远镜或远红外仪器窥视遥远的星云,您肯定可以发现多种分子物种的迹象。问题是它们的电磁指纹非常混乱:来自共价键合原子的旋转、振动、弯曲量子能态的重叠、复杂特征的巨大污迹。区分一个碳原子链与另一个碳原子链也极其困难,因为我们并不总是真正知道它们的光谱特征应该是什么样子。
小分子更容易识别(尽管“更容易”是相对而言的)。在系外行星科学中,天文学家和天体生物学家花费了大量精力来更好地理解我们如何利用遥远行星大气中分子氧、臭氧、甲烷和二氧化碳等化合物的丰度,作为“标记”世界可能孕育生物圈的一种方式。但是研究人员也意识到,我们可能会被完全非生物的环境所愚弄,这些环境以不平衡的混合物大量产生这些化合物——远非基于最简单的热力学规则的化学平衡预期。
当然有一些方法可以部分绕过这些问题。测量几种小分子的精确比例有助于确定潜在的可能性,就像随着时间的推移监测行星、寻找季节性变化以及生命系统似乎在其中运行的脉动动力学一样。
但最终,这非常棘手。即使您可以直接采集样本,例如在火星或金星上,嗅探除最简单分子以外的任何东西都很困难。如果生态系统稀疏——就像金星云层中可能的那样——您可能需要花费大量时间寻找。事实上,即使在地球上,我们也花了令人震惊的漫长时间才充分认识到大气微生物生命的存在和生命周期,而这还是在您可以真正爬山并采集样本的情况下。
对于我们寻找宇宙生命的任务来说,这一切听起来可能相当令人沮丧。但我认为,所有这一切都如此艰难的事实本身就蕴含着非常有趣的东西。真正令人着迷的是,生命对我们来说在日常生活中是如此充满活力和爆发力的现象,但同时又是如此难以捉摸。地球上的微生物世界是如此,其他地方也是如此。是什么让生命同时如此丰富多彩又如此隐蔽?
答案可能回到我之前所说的,生命的突出特征是它使用和构建我们所知的最复杂的分子,从 DNA 到蛋白质。复杂分子自然而然地富含信息,在信息论和香农熵给出的最真实、最客观的意义上是这样的。但实际上,它们也被深度加密了。细胞中的 DNA 在整个生物化学助手的帮助下“解码”自身。我们花了几个世纪才弄清楚其中一些是如何运作的,而且我们还远未完成。
我们也知道,信息丰富、良好加密的数据变得越来越难以与噪声、随机和不可预测的垃圾区分开来。换句话说,从非常高的角度来看,生命本身在某种程度上必须更类似于噪声,而不是宇宙中简单但可识别的结构,无论是微观的还是行星大小的。
一个含义是,虽然小分子可能易于寻找,并且是感兴趣的标记,但最终我们真正寻找的是根本无法轻易解释自身,但显然会扰乱环境的事物。我们正在寻找不太像噪声的噪声。