科学家在宇宙中寻找水和生命屡遭挫折后,有科学家认为——
“哪里有水,哪里就有生命”这句话至少在地球上被认为是真理。美国航天航空局(NASA)在搜索宇宙中其他星球上的生命时,也着重于寻找水的存在。可是至今为止,从火星的表面下层到其他星球上,仍一无所获。不禁令人思索这样一个问题:水是否为地球外生命的唯一介质?
“哪里有水,哪里就有生命”质疑
2005年初在意大利瓦雷纳市召开了一次学术讨论会,中心议题就是讨论水和生命之间的关系。与会的美国佛罗里达大学生物化学家史蒂文·本纳(StevenBenner,下图)对“哪里有水,哪里就有生命”提出质疑,认为水不一定是宇宙中一切生命所需的万应良药。水在地球上创造生命是宇宙中的一个特例。地球上的生命是在地球的水环境中长期适应并逐步演化而形成的,是一种“微调”的结果。
那么在没有水而是有其他介质(例如氨和碳氢化物)的星球上,是否也有可能通过长期“微调”而产生生命呢?
一门新的学科合成生物学诞生了,它的中心任务是以化学方法重新设计生命。该学科的研究人员首先用实验方法研究水是否为生命所必需,证明没有水也能产生一种生物化学形式,进而基于根本不同的化学创造出另一种达尔文系统,即用不同的溶剂系统在地球上制造出生命来。合成生物学理论的核心就是重新设计生命化学,从零开始创造出活的细胞,这种细胞的化学基础可能不同于现有的生物。
水的生物化学性质
本纳指出,水在参加有机化学过程中常常不是一种很好的溶剂,而这种有机化学的过程到头说来就是生命的过程。水的化学性质活跃,能将连结生物分子构造块的键裂解。例如,水能破坏肽(缩氨酸)的键,也能破坏核酸(如RNA)中的许多键。本纳断言,RNA的结构不能在水中产生。有机合成化学家在有机合成试验中,5次试验中有4次必须避免采用水作为溶剂。
蛋白质和核酸的功能并非离不开水
当然,一些有机化学家通常不会去尝试创造生命的。水具有的许多性质对蛋白质和细胞的功能说来是必不可少的。例如,水是离子的极佳溶剂,对神经信号传递、酶的催化作用、DNA的行为和生物无机化等都至关重要。同时水也是分子间弱相互作用———如氢键和疏水力———的主角。疏水力在蛋白质分子的折叠和蛋白质之间相互作用方面起主要作用,而氢键则是蛋白质和其他物质连结的桥梁。水还能吸收和释放热量而不使温度有大的变化,从而在气温起伏波动时起到一种热力缓冲作用,保护细胞和生物体。
迄今尚不知有其他液体具备所有这些性能,但维持生命的溶剂是否需要所有这些性能呢?某种重要性能中是否每一个都是水所独有的呢?
为了了解水在生命中的独特作用,我们需要知道生命的基本要求。举例说,生命中蛋白质和核酸依靠分子间的弱相互作用去组织并向周围传达化学信息,递送基因指令。但蛋白质或核酸这些构造单元本身并不需要水的参与,也可以发挥功能。英国伦敦学院大学的约翰·芬尼(JohnFinney)发现,酶能在只有极贫乏的一层水分子的“干燥”空气,甚至在无水的溶剂中,也能完成催化作用。
自然界大部分的酶如果不是浸在水中是不能折叠为紧缩而活泼的状态的。但这种限制也不是绝对的。美国伊利诺斯州埃文斯顿的西北大学两位学者安妮丽丝·巴伦和伊什·雷德哈克里希领导的研究小组发现有一种分子叫拟肽(Peptoid),其结构与肽(peptide)极为相似,在纯甲醇中能折叠成紧缩状态。
地球上生命是对水“微调”的结果
探测水与生命之间关系的另一途径,是改变水分子的结构或性质直到水的液态本身产生变化。英国贝尔法斯特王后大学的理论化学家露丝·林登贝尔说:“只要知道水的什么性质对它的结构特别敏感,就能指出水的液体性质是如何对生命微调的。”她和她的合作者们通过计算机模拟水的性质的变化,发现如果H2O的键角度为90°,而不是实际分子的104.5°,而且如果其中氢键结合力减弱15%时,则氢键的三维网络(这对水液态独特性质至关重要)将会严重破坏而趋于分解。
因此,生物化学不像物理学那样为各种定理所限定,而是适应于它所处的环境。芬尼说:“地球上的生命是其本身对水‘微调’的结果———进化中紧密与介质水联系的结果。”她还说:“关于水‘微调’问题可能引起一些争论,这是一个很为复杂的问题。
地外生命探索应重视寻找水的替代物
除了这些理论上的探讨以外,本纳还通过实验来说明问题,他发现了几种水的替代物。氨在1个大气压力下,温度在-78℃与-33℃之间为液态,能溶解许多有机物,并形成氢键。氨在宇宙中是普遍存在的,例如木星云中存在液态氨。水—氨混合物可能存在于一些寒冷的地外宇宙环境,例如土卫六的表面下层。还有甲酰胺(分子式HCONH2)可能存在于火星表面的下层,它在很宽的温度范围内和压力下都是液态,能溶解多种盐类,并具有类似疏水作用的效应。
本纳没有排除还有更多的可能性,例如,气态巨行星土星、天王星和海王星上存在液氮或超临界温度下的液氢。还有在土卫六上的碳氢化物如液态甲烷。他说:“在碳氢化物溶剂中发生有机物反应的能力并不比在水溶液中差。”2005年1月,卡西尼·惠更斯(cassini-Huygens)太空探测器已探明土卫六上有许多由液态碳氢化物刻划出的河床。
但NASA在寻找有生命存在的行星时仍将注意力放在水的发现上。2008年将发射的开普勒分光光度计卫星,以及2008年以后将发射的由两台空间分光望远镜构成的地外行星搜索台(TPF)的目标,仍是发现水和可能有生命的居住区,完全忽视无水生命形态的存在。
本纳并不在等待NASA在有水或没有水存在的地方寻找地外生命的结果。他相信,现在在实验室内探索更多离奇生命形态的时机已经成熟。他说,这需要有一种与现今的化学研究和投资意向截然不同的思路。本纳正参加一个由NASA资助的美国国家研究院小组的工作,旨在寻找生命的另一种可能的化学过程,他希望投资机构能认同他的研究方向。他相信研究人员应定下高目标———不依靠地球已存在的化学方式而另辟蹊径去创造生命。也就是说,如果我们难以到达另一个世界的话,我们将可在这里建设一个这样的世界。