S莎拉·斯图尔特·约翰逊还是大学二年级学生时,她第一次站在夏威夷的莫纳克亚火山顶。它干燥的熔岩表面与她家乡肯塔基州那些被侵蚀、树木葱茏的山脉截然不同。约翰逊离开了与她同行的其他年轻研究人员,走向远处山脊的13,800英尺高的山峰。她向下看,用靴子尖翻开一块石头。令她惊讶的是,下面竟然住着一株小蕨类植物,从火山灰和火山渣锥中发芽。“感觉它代表了我们所有人,挤在那块石头下,在逆境中生存,”约翰逊说。
然而,她真正的顿悟并不是关于地球上生命的顽强,也不是关于人类生存的艰辛:而是关于外星人。即使从人类的角度来看,一片景观显得陌生而 harsh,其他类型的生命也可能觉得它非常舒适。这个想法打开了宇宙房地产,以及她想象中可能超越地球大气层的生命的多样性。“正是在那次旅行中,寻找宇宙生命的想法开始对我来说变得有意义,”约翰逊说。
后来,约翰逊成为了一名专业的寻找者。作为2000年代末和2010年代初哈佛大学的天文学博士后,她研究了天文学家如何利用基因测序——检测和识别DNA和RNA——来寻找外星人的证据。约翰逊发现这项工作令人兴奋(未来的外星基因组计划!),但也让她感到疑惑:如果外星生命没有DNA或RNA或其他核酸怎么办?如果他们的细胞以其他生物化学方式获得指令怎么办?
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为了发泄像这样的异端思想,约翰逊开始以一种对于科学期刊来说过于抒情和哲理的风格写作。她打字的思考后来变成了2020年的科普书籍《火星上的海妖》。在书页中,她探讨了其他行星确实是“其他”的想法,因此它们的居民可能在基本和化学层面上与地球上的任何事物都非常不同。“即使是看起来熟悉的地方——比如我们认为非常了解的火星——也可能完全让我们措手不及,”她说。“如果生命也是如此呢?”
如果约翰逊的思考是正确的,那么目前寻找外星人的重点——寻找我们所知的生命形式——可能不适用于在遥远的地方找到生物。“有句老话说,如果你晚上丢了钥匙,你首先会找路灯下,”约翰逊说,她现在是乔治城大学的副教授。如果你想找到生命,首先要寻找你所知道的生命存在的方式:在有点像地球的地方,化学成分有点像地球生物的地方。
天体生物学的大部分研究都涉及寻找化学“生物特征”——可能表明生命存在的分子或分子组合。但是,由于科学家无法可靠地说外星生命在化学上应该看起来像地球生命,因此寻找这些特征可能意味着我们会错过那些可能正盯着我们看的生物。“我们如何超越这一点?”约翰逊问道。“我们如何应对真正的外星生命?”她认为,科学方法应该对基于不同生物化学的各种生命形式更加开放:我们不了解的生命形式。或者,用这里创造的一个新术语来说,“LAWDKI”。
现在,约翰逊有机会弄清楚究竟如何应对那种未知的生命形式,她是一个名为“不可知生物特征实验室”(LAB)的新的 NASA 资助项目的首席研究员。LAB 的研究完全不依赖于外星生物具有特定的生物化学成分,因此它不寻找特定的生物特征。LAB 的目标是找到更基本的生物标记,例如复杂性的证据——复杂排列的分子,如果没有某种生物力量,它们不太可能自行组装——以及不平衡,例如其他行星或卫星上意想不到的分子浓度。这些是我们无人知晓的生命的代表。
也许有一天,如果 LAB 如愿以偿,它们将不仅仅是代表。这些信号可能有助于回答人类最古老的问题之一——我们是孤独的吗?——并向我们展示我们并没有那么特别,我们的构成也没有那么特别。
生命、天体生命或莱夫
寻找任何形式的生命的困难部分在于,科学家们对生命最初是如何开始的——或者生命甚至是什么——意见不一致。遗传学家爱德华·特里福诺夫在 2011 年对“生命”一词给出了一个很好的定义尝试,他整理了 100 多种对“生命”的解释,并将它们提炼成一个总括性的想法:它是“具有变异的自我复制”。NASA 在 1990 年代中期更早的时候制定了一个类似的工作定义,并且仍然使用它来设计天体生物学研究。根据这个公式,生命“是一个能够进行达尔文进化的自我维持的化学系统。”

图片来源:Jen Christiansen
这些经典定义都不需要特定的化学成分。当然,在地球上,生命以 DNA 运行:脱氧核糖核酸。DNA 由两条扭曲的链组成,每条链都包含交替的糖和磷酸基团。每个糖都连接着一个碱基——A(腺嘌呤)、G(鸟嘌呤)、C(胞嘧啶)和 T(胸腺嘧啶)。碱基和糖-磷酸共同构成核苷酸;DNA 本身是一种核酸。RNA 有点像单链 DNA——除此之外,它还有助于将 DNA 的指令转化为实际的蛋白质生产。

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遗传序列中的简单字母,以阶梯状顺序串联在一起,携带了制造你、松鼠和海葵所需的所有信息。DNA 可以复制,来自不同生物的 DNA(当它们真的、真的彼此相爱时)可以混合和融合,形成一个新的生物,这个生物反过来又可以自我复制。如果其他地方的生物学依赖于相同的化学成分,那将是我们所知的生命形式。
科学家们假设所有形式的生命都需要某种方式来传递生物指令,其变化也可以帮助物种随着时间的推移而进化。但可以想象,外星人可能不会用与我们相同的化学物质或相同的形状来制造这些指令。例如,从 1990 年代开始,西北大学的研究人员制造了 SNA,即球形核酸。
外星生命可能具有带有不同碱基的遗传密码。NASA 支持的 2019 年应用分子进化基金会的研究成功地创造了合成 DNA,它使用了四个旧式碱基和四个新碱基:P、Z、B 和 S。科学家们还改变了遗传密码的链部分,创造了 XNA——其中 X 意味着一切皆有可能——它使用分子,例如环己烯 (CeNA) 或乙二醇 (GNA),而不是脱氧核糖。思想家们长期以来一直认为,与其像所有这些分子那样使用碳作为基础,不如外星生命可能使用功能相似的元素硅——这意味着它根本不会有核酸,而是其他可能发挥相同作用的分子。如果我们能在我们的思想和实验室中激发出如此的多样性,宇宙难道不应该更具创造力和能力吗?

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正是出于这个原因,LAB 的合作者格拉斯哥大学的勒罗伊·克罗宁认为,科学家甚至不应该谈论地球以外的生物学。“生物学是独一无二的,”他宣称。RNA、DNA、蛋白质、典型的氨基酸?“只会地球上发现。”他认为,将来人们会说,“我们正在寻找“天体生命”。”(LAWDKI 尚未流行起来。)
加州理工学院的研究员斯图尔特·巴特利特与 LAB 无关,但他同意这种语言学批判。寻找奇异生命实际上并不是寻找生命,巴特利特认为。它是在寻找“莱夫”,这是他在 2020 年与人合着的一篇文章中提出的一个术语,讽刺的是,这篇文章发表在期刊Life上。“莱夫”,该论文说,“被定义为任何满足生命状态所有四个过程的系统。”这意味着它会耗散能量(例如,通过进食和消化),利用自我维持的化学反应来呈指数级地制造更多自身,在外部条件变化时保持其内部条件,并吸取关于环境的信息,然后利用这些信息来生存。“生命”,该论文继续说道,“被定义为我们在地球上熟悉的莱夫的实例。”

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巴特利特的工作虽然与 LAB 的工作分开,但源于同样的迷恋:“物理学和化学这类我们相当了解的事物之间,以及仍然笼罩在神秘之中的生物学之间,那种神秘而晦涩的过渡,”他说。生命是如何成为生命的,这也许是天体生物学最核心的问题。
试图弄清楚生物学在我们最了解的星球上是如何出现的,是“生命起源”研究的领域。关于化学物质团块如何变成生物物质团块——这个过程称为生命起源——有两种主要的假设。一种观点认为,RNA 能够自我复制,因为它就是这样做的,而且它还可以催化其他化学反应。随着时间的推移,这种复制导致了生物的构成依赖于这种遗传密码。“代谢优先”框架则认为,化学反应以自我维持的方式组织起来。这些化合物群落及其化学反应变得更加复杂,并最终吐出遗传密码。

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这两种主要假设并非相互排斥。分子生物学医学研究委员会实验室的化学家约翰·萨瑟兰是一个名为西蒙斯生命起源合作组织的小组的联合主任,该小组融合了以前关于遗传学或早期新陈代谢等一个或另一个子系统如何首先出现的想法。但如果他实话实说,萨瑟兰承认他不明白生物学是如何开始的。没有人明白。
在科学家们更多地了解早期地球上可能发生的事情之前,萨瑟兰认为,无法估计外星任何事物可能有多普遍。银河系中有数十亿个星系,其中有数万亿颗恒星,这并不重要:如果导致生命发生的事件极其罕见,那么从统计学上讲,这些众多的太阳系可能仍然不足以导致生命起源——在其他生物中。
生物不可知论
二十多年前,《天体生物学》学术期刊的第一期刊登了肯尼斯·尼尔森和帕梅拉·康拉德的一篇文章,题为“一种非地球中心的生命探测方法”。但是,对于我们在这个环境中形成的大脑来说,采取非地球中心的方法并非易事。我们出了名的不擅长想象不熟悉的事物。“这是我们面临的最大挑战之一,就像想象一种我们从未见过的颜色,”约翰逊说。
因此,天体生物学家最终经常寻找类似于地球生命的外星人。天文学家喜欢将系外行星大气层中的氧气视为生命存在的潜在指标——因为我们呼吸氧气——尽管行星可以用不那么活跃的方式充满这种气体。在火星上,研究人员对甲烷、有机分子以及在土壤被喂食地球上称为营养物质的溶液后释放气体感到兴奋,这可能表明存在新陈代谢。他们创造了诸如“金发姑娘区”之类的术语,用于恒星周围行星可能存在液态水的区域,这意味着对地球生命来说恰到好处的东西对其他任何地方也恰到好处。
即使科学家们确实发现了他们不熟悉的生物学,他们也倾向于将它与熟悉的事物联系起来。例如,当安东尼·范·列文虎克在 17 世纪通过他的显微镜的复式透镜看到单细胞生物时,他将它们称为“animalcules”,即小动物,但它们不是。
希瑟·格雷厄姆在 NASA 戈达德太空飞行中心工作,是 LAB 的副首席研究员,她认为范·列文虎克的发现是一次成功的 LAWDKI 搜索,就在家门口。同样的描述也适用于科学家们对古菌的发现,古菌是 1970 年代首次被认识到的古老的单细胞生物域。“如果你将这些发现重新定义为不可知生物特征的实际应用,你就会意识到人们已经这样做一段时间了,”格雷厄姆说。
大约在 2016 年,约翰逊加入了他们的行列,找到了一些志同道合的怀疑论者,他们希望探测黑暗。在 NASA 关于生物特征的仅限邀请的研讨会上,约翰逊与格雷厄姆等科学家坐在一张桌子旁,思考他们如何可能使用复杂性作为生物学的代表。在一个夸大的宏观尺度上,这个想法是,如果你在火星上遇到一支 747 机队,你可能不知道它们来自哪里,但你知道它们不太可能是随机的。有人或某物创造了它们。
会议结束后,约翰逊和她的同谋者在最后一刻提交了一份提案,为 NASA 开发一种仪器。它将找到并测量形状在物理上像锁和钥匙一样相互契合的分子,因为这种情况在化学化合物的随机集合中很少发生,但在活细胞中随处可见。然而,这个仪器想法并没有入选。“那时我们意识到,‘好吧,我们需要把它撤回来,做更多基础性的工作,’”格雷厄姆说。
太空机构将给他们一个机会这样做,很快发布了“天体生物学跨学科联盟研究”的征集。它承诺为期多年的资金,以更深入地挖掘约翰逊和她的同事们午餐桌上的想法。然而,他们需要一个更大的团队,因此他们联系了行星科学家、生物学家、化学家、计算机科学家、数学家和工程师——有些人以太空为中心,有些人,约翰逊说,“才刚刚开始考虑他们的工作对天体生物学的影响。”现在这样做尤其重要,因为研究人员计划向太阳系卫星木卫二、土卫二和土卫六等比迄今为止访问过的大多数世界更奇异的目的地发送生命探测仪器。“我们开始将这些其他大多数地方视为天体生物学的目标,它们确实非常奇怪和不同,”约翰逊说。如果你要去一个奇怪而不同的地方,你可能会期待奇怪而不同的生命,在路灯的光芒无法触及的地方隐形地蠕动。
他们的推介成功了:扩大的午餐桌变成了 LAB。现在这个项目,一个分散的科学家联盟,而不是一个单一的物理实验室,已经深入工作了几年。研究人员的目标是了解表面复杂性、元素异常浓度和能量转移(例如原子之间电子的运动)等事物如何可能揭示我们无人知晓的生命。
LAB 工作
LAB 的研究是野外考察、实验室项目和计算的结合。一个项目是计划参观加拿大基德溪矿,该矿深入地下近 10,000 英尺。它的露天矿坑看起来像一个伸向地狱第七层的采石场。在那些深度,大约 27 亿年前,海底酝酿着火山活动,这留下了硫化物矿石。这些条件与天文学家认为他们可能在木卫二这样的“海洋世界”中发现的条件相似(ish)。在矿井中,科学家们希望探测通过结晶形成的矿物(当原子从溶液中沉淀出来并进入一个有序的晶格结构,位于它们现在的位置)与生物学证据之间的差异。
这两种材料在表面上看起来可能很相似,因为它们都高度有序。但该团队旨在证明,地球化学模型(模拟充满化学物质的水将如何使它们沉淀出来)将预测在那里发现的非生物晶体的种类。例如,基德溪矿有它自己的种类:基德溪石,它是铜、锡、钨和硫的组合,从水中结晶出来。然而,这些相同的模型不太可能预测生物结构,生物结构的形成遵循不同的力和规则。如果事实证明是这样,那么这些模型在应用于外星地球化学条件以预测自然形成的矿物时可能会证明是有用的。在那里发现的任何其他东西,人们认为,都可能是活着的。
约翰逊正在回到她的博士后时代,使用她当时质疑其相关性的基因测序仪。然而,该小组找到了一种使其更不可知论的方法。研究人员计划使用这些仪器来研究细胞表面分子可以附着的位点的数量——就像抗体附着在细胞上的位置一样。“我们有一个假设,即像细胞这样复杂的东西上的结合位点比小颗粒(例如非生命的尘埃微粒)上的结合位点更多,”约翰逊说。换句话说,有生命的东西应该有更多的锁和钥匙位点。
为了检验这个想法,他们创建了一个 DNA 片段的随机池,并将其发送到细胞。一些片段将与细胞外部连接。接下来,科学家们移除并收集结合的片段,然后捕获未结合的片段,并将它们再次送回目标细胞,重复该过程几个周期。然后他们看看最后剩下什么——有多少附着了,有多少仍然是自由的。通过这种方式,研究人员可以将锁定在细胞中的钥匙与附着在尘埃颗粒之类的东西上的钥匙进行比较。

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科学家们还将仔细检查他们怀疑区分生命和非生命的另一个关键差异:非生命的东西往往与其环境处于某种平衡状态。相比之下,哈佛大学的 LAB 成员彼得·吉尔吉斯假设,有生命的东西会利用能量来维持与周围环境的差异。“它正在使用能量来使我们自己与环境真正分离,定义我们的边界,”他说。举个例子:当树枝是树的一部分时,它是活着的,并且它与它的环境不同——以一种有边界的方式。如果你从它的能量来源中移除那个生命——摘下树枝——它就会死亡并停止使用能量。“在一段时间内,它会分解并变得与环境难以区分,”吉尔吉斯说。“换句话说,它实际上会达到平衡。”

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生物的不平衡应该表现为生物体与其周围环境之间的化学差异——无论周围环境或生命是由什么构成的。“我可以扫描某物,绘制一张地图,然后说,‘告诉我钾的分布,’”吉尔吉斯说。如果浓缩的 K 斑点出现,仅在某些点上点缀着地形图,那么你可能掌握了生物学。
吉尔吉斯的 LAB 工作与该小组研究的另一个支柱交织在一起:一个称为化学分馏的概念,即生命如何优先使用某些元素和同位素而忽略其他元素和同位素。由宾夕法尼亚州立大学的克里斯托弗·豪斯领导的一个研究这个想法的小组可以使用太空仪器获取的常用数据来推断行星或卫星的构成。“如果你了解关于元素和同位素的包含或排除的基本规则,那么你可以想象一个不同的生态系统,它仍然按照相似的规则运行,但元素和同位素完全不同,”豪斯说。它可以为不平衡研究人员提供一个起点,让他们了解在绘制点状地图时应关注哪些类型的模式。
在豪斯的小组中,博士后研究人员正在研究西澳大利亚古代生物留下的沉积物。通过观察这些岩石样本,他们试图捕捉显示早期地球生命挑剔哪些元素或同位素的模式。“我们希望我们能够开始概括,”豪斯说。
LAB 的计算团队由圣达菲研究所的克里斯·肯佩斯共同领导,完全致力于这种概括。肯佩斯的研究侧重于一个称为尺度缩放的概念——在这种情况下,细胞内部的化学成分如何随着其大小而可预测地变化,以及不同大小细胞的丰度如何遵循特定的模式。与 LAB 合作,肯佩斯、豪斯、格雷厄姆及其合作者于 2021 年在数学生物学通报上发表了一篇关于尺度缩放定律如何适用于细菌的论文。例如,如果你按大小对生物材料样本进行排序,差异就会显现出来。小细胞的化学成分看起来很像它们的环境。“较大的细胞将越来越不同于环境,”肯佩斯说。
不同大小细胞的丰度往往遵循一种称为幂律的关系:大量小东西,随着细胞变大而急剧下降。因此,如果你采集了一个外星样本,然后看到这些数学关系发挥作用——看起来像它们周围环境的小东西,以及看起来越来越不像它们环境的逐渐变大的东西,前者很多,后者很少——这可能表明存在生物系统。你不需要预先知道“环境”或“生物学”在化学上看起来像什么。

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克罗宁是这个异端群体中的一个异端,他对区分生命和非生命有自己的想法。他是一种称为组装理论的“识别事物是否复杂而无需了解其起源的方法”的创始人之一,他说。分子越复杂,它就越有可能来自生命过程。
这听起来可能像是对不可知论的一种偏见,但每个人通常都承认生命是萨瑟兰所说的“物质的复杂化”的结果。一开始,有宇宙大爆炸。形成了最简单的元素氢。然后是氦。很久以后,出现了有机分子——碳原子与其他元素连接而成的聚合物。这些有机分子最终结合在一起,形成了一个自我维持、自我复制的系统。最终,该系统开始建造相当于 747 的生物(然后是实际的 747)。
在组装理论中,分子的复杂性可以通过其“分子组装数”来量化。它只是一个整数,表示需要多少个构建块结合在一起,以及以什么数量结合在一起才能形成一个分子。该小组使用“abracadabra”(魔术!)作为示例。为了创造这种魔力,你首先需要添加一个 a 和一个 b。在 ab 上,你可以添加 r。在 abr 上,投入另一个 a 以形成 abra。然后连接一个 c,然后是一个 a,然后是一个 d,你就得到了 abracad。在 abracad 上,你可以添加你已经制作的 abra。这是制作 abracadabra 的七个步骤,其分子组装数因此为七。该小组推测,数字越高,分子在质谱仪上的“指纹”就越复杂——质谱仪是一种通过质量和电荷分离样品组分以识别其成分的工具。一个复杂的分子会显示出更多独特的能量峰值,部分原因是它由许多键组成。这些峰值是其组装数的粗略代表。

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克罗宁曾吹嘘说,通过做质谱分析,他可以测量分子的复杂性,甚至无需知道分子是什么。如果该技术表明分子的复杂性超过了给定的阈值,那么它可能来自生物过程。
尽管如此,他还是需要证明这一点。通过 LAB,NASA 给了他双盲材料样本,以判断是生物的还是非生物的。这些材料来自外太空、化石床和海湾沉积物等地方。其中一个样本来自默奇森陨石,这是一块重达 220 磅的岩石,富含有机化合物。“他们认为这项技术会失败,因为默奇森可能是最复杂的星际物质之一,”他说。但它成功了:“它基本上说默奇森看起来有点奇怪,但它是死的。”
另一个样本包含 1400 万年前的化石,它们是由生物雕刻而成的,但意在欺骗该方法,使其因其年代而得出“死亡”的结果。“该技术很容易发现它们具有生命起源,”克罗宁说。他的结果发表在 2021 年的自然通讯上,并帮助克罗宁的同事们相信他的研究方向是有价值的。“实际上,[LAB 的] 团队中有很多持怀疑态度的人,”他说。
外星人被发现了??
LAB 之外也有很多怀疑论。一些科学家质疑,当我们还没有对我们所知的地外生命进行太多搜索时,是否有必要搜索不熟悉的生命。“我认为在我们转向我们不了解的生命形式之前,我们仍然可以探索很多东西,”荷兰皇家海洋研究所和乌得勒支大学的玛蒂娜·普雷纳说。
尽管如此,即使在寻找系外行星上类似地球的特征的传统天体生物学研究人员中,LAB 的方法也得到了支持。华盛顿大学的维多利亚·梅多斯已经思考了这种遥远的信号二十年了。她看到了该领域在那段时间内的变化——如果可以的话,复杂化。科学家们已经从认为“如果你在一个行星上看到氧气,那就一锤定音”转变为认为“没有一锤定音的事情”。“我认为我的团队帮助提供的以及该领域如何发展的是,这种理解是生物特征必须在其环境的背景下进行解释,”她说。你必须充分了解一个行星的条件及其恒星的条件,才能弄清楚氧气可能意味着什么。“可能是环境本身可以支持你的氧气是由于生命产生的想法,或者可能是环境本身可能会产生误报,”她说,例如来自沸腾的海洋。
在很多方面,梅多斯说,寻找不可知生物特征是考虑这种宇宙条件的终极方式。“你必须非常精细地了解环境,才能分辨出在该环境中运行着某种异常事物——某种非行星过程,”她说。尽管如此,这种外星生物搜寻方式仍处于起步阶段。“我认为他们真的才刚刚开始,”她说。“我认为 LAB 特别是在做的事情是在真正将一些科学知识置于这个概念之下方面做出的开创性努力。”
即便如此,梅多斯也不确定 LAWDKI 有多大可能性。“问题是,‘[类地]系外行星上的环境会如此不同,以至于解决方案也如此不同吗?’”梅多斯问道。如果条件相似,化学物质也相似,那么认为生命本身也会相似是合理的。“如果我们这些环境相似,我们期望看到一些相似的科学,但当然我也会期望会有一些会让我们感到惊讶的事情。”正是出于所有这些原因,梅多斯的工作重点是系外行星,她正在与 LAB 的科学家们合作,他们的研究目前集中在太阳系,以将他们的两个世界结合在一起。
到 LAB 资助结束时,该团队计划开发仪器,以帮助宇宙飞船注意到我们家门口的奇怪而不同的生命。“我们非常专注于最终目标——我们如何能够利用这些工具和技术,并帮助它们发展到可以成为太空任务仪器的程度,”约翰逊说。
然而,从单一仪器收集到的任何信息都无法可靠地将某物标记为生命。因此,该小组正在朝着成套设备的方向努力,利用他们所有的重点领域,在不同的环境中协同工作,例如被液体包裹的世界与岩石沙漠。格雷厄姆正在收集样本集,LAB 的各个小组可以以循环方式进行测试,以查看他们的结果叠加起来的效果如何。他们可能会寻找,例如,组装数大的分子,这些分子集中在与周围环境看起来不同的有界区域中。
即使这些方法共同找到了一些东西,它也不太可能为“我们是孤独的吗?”这个问题提供明确的答案。至少在一段时间内,它可能会产生“可能”的答案。这种灰色地带可能会让那些想要“外星人被发现了!”头条新闻,而不是“外星人被发现了??10 年后再回来看看。”
“我理解这种挫败感,”约翰逊说,“因为我是一个不安分的人。”这种不安分部分与她自己的必死性有关。当她与环境失去平衡状态的时间结束时。她的复杂性、她的可探测性和探测能力消亡时。“我们拥有这些短暂的生命,”她说。“我们拥有这个终将结束的世界。我们拥有这颗终将死亡的恒星。我们拥有这个不可思议的时刻。我们就在这里:作为有生命的、有知觉的生物在这个星球上。”这一切都是因为,在某个时候,生命开始了。
这可能在其他行星上发生过数十次、数百次、数千次、数百万次或数十亿次。或者,也许,它只发生在这里。“感觉,”约翰逊说,“这就像一件非凡的事情,我想在我死之前了解关于宇宙的事情。”