2021年12月09日 09:00
環球科學
「外星人」是孩童瑰麗玄奇的幻想，是影視作品經久不衰的主題，也是天體生物學家努力尋找的物件。如果在太空探索中出現了蛛絲馬跡，我們該如何確定它來自外星生命的活動？一項直指「生命」本質的新研究，可能為尋找地外生命的事業開創了全新的思路。
撰文 | 納塔莉·埃利奧特（Natalie Elliot）
編譯 | 鄭昱虹
審校 | 李詩源
在搜尋地外生命的過程中，天體生物學家總是在尋找最簡單、最強健的生命形式，因為它們最有機會在嚴酷的外星環境中生存。可是，與簡單生物相關的化學物質，往往也可以透過非生物途徑產生。所以，科學家們時而認為發現了外星生命，但又缺乏確鑿的證據。
不僅如此，外星生命還可能與地球生命大相徑庭。比如「矽基生命」就是科幻作品的常客，我們猜想它們的長鏈分子主要由矽而非碳構成，那麼組成它們的化學成分也就與我們熟悉的生命截然不同了。既然如此，我們該如何尋找外星生命呢？「生命」本身是否有特殊之處，讓我們能準確地知道它的存在？
發現了，又沒發現
在上世紀70年代中期，美國航空航天局（NASA）的兩艘海盜號（Viking）探測器飛往火星尋找生命，但得出的結論頗具爭議。探測結果顯示，火星上可能存在生命，其證據來自一項同位素標記實驗：將微生物所需的食物用碳14標記，新增到火星土壤樣品中；如果有微生物攝取被標記的食物，這些微生物就會釋放出放射性的二氧化碳，從而被儀器檢測到。
實驗結果是，兩個在火星上相距6500千米的海盜號著陸器，均在實驗組土壤中檢測到了放射性二氧化碳，而經加熱滅菌後的對照組土壤則沒有，這暗示在火星土壤中發生了微生物代謝。不過，兩艘海盜號所開展的其他生命探測實驗均沒有發現任何生命存在的跡象。
1996年，科學家在南極洲發現了一塊火星隕石，其中疑似存在微生物的微體化石（microfossil，利用顯微鏡才能進行研究的微小化石），似乎又為火星存在生命增添了證據。但隨後的研究指出，幾種非生物途徑也很容易產生所謂的微化石痕跡。
最近，一些科學家稱在金星大氣中發現了大量磷化氫，而在地球上，磷化氫主要由微生物產生。但另外一些科學家質疑這個結果，他們認為，即使磷化氫在金星大氣中存在，也可能來自金星的某種奇異的火山活動形式，而非來自於生命活動。
這些尋找地外生命的故事有著相似的發展脈絡：最初線索令人興奮，接著疑點惹人懷疑，最後生命存在的假設被駁回。一次又一次，天體生物學家似乎只能找到生物徵跡（biosignature），但令人沮喪的是，生物徵跡不能作為地外生命存在的決定性證據。有什麼指標，可以讓我們確定發現了外星生命嗎？
「複雜性」帶來的新思路
一項發表於《自然·通訊》（Nature Communications）的研究提出了名為「裝配理論」（assembly theory）的新思路。裝配理論不再關注簡單的生物徵跡，轉而關注生命本質的複雜性（complexity）。它基於一種理念：宇宙中任何形式的生物都會以複雜的分子組合編碼生命資訊，而這種複雜性與無生命物質迥然不同。
在天體生物學領域，呼籲關注「複雜性」的聲音已經持續了一段時間。NASA在1994年給「生命」下了一個複雜的定義：生命是能夠進行達爾文式演化的、自我維持的化學系統。問題是，這個定義包含的關鍵概念本身就很複雜、難以被測試和量化。正如NASA的首席科學家吉姆·格林（Jim Green）所說：「我總不可能製造出能夠尋找‘演化’、‘繁殖’或‘新陳代謝’這些過程的機器吧。」
而裝配理論提供了一種更清晰、更普適的生命的定義。裝配理論假設，對任何環境中的任何物件（object）來說，當其丰度（abundance）和複雜性增加時，它來源於生命活動的可能性就會增加。丰度指該物件在環境中出現的頻率，而複雜性可以透過估算裝配出這種物件所需的步驟來衡量。
研究合著者、亞利桑那州立大學的生物物理學家薩拉·沃克（Sara Walker）認為，裝配理論是天體生物學領域的一個里程碑，因為它首次提出了可操作的複雜性測量方法，使關於生命本質的理論有機會與實驗觀測資料相結合。
複雜的分子
儘管裝配理論適用於多種尺度的物件，但研究人員重點關注它在分子層面的應用。因為無論在實驗室還是在宇宙中，分子都是生物最基礎的組成部分。為了衡量分子的複雜性，該團隊定義了「物質裝配指數」（mass assembly number， MA），透過演算法為不同的分子賦值。
MA指的是理想情況下構建一個分子所需的步驟數。我們知道一個分子通常可以由多種方式合成，MA對應其中最短的裝配路徑。它只考慮價態規則，不考慮包括化學反應條件在內的其他限制，且每一步建立的物件可以在隨後的步驟中被重複使用。因此，化學鍵種類越少、對稱性越高的分子，其MA值越低，反之亦然。
研究人員為一個化學資料庫中的250萬種分子進行了MA賦值。被部分科學家視作的金星的生物徵跡磷化氫，由1個磷原子和3個氫原子構成，以對稱的磷-氫單鍵相連，其MA僅為1。相比之下，色氨酸分子由11個碳原子、12個氫原子、2個氮原子和2個氧原子構成，結構更為複雜，其MA為12。
為了驗證MA的有效性，研究人員用真實的分子進行了檢驗。因為高MA的分子有更多化學鍵和相對更低的對稱性，研究人員預測它們會在質譜分析中生成更多峰（每個峰代表混合物中的不同離子），而具有低MA的分子則相反。實驗結果與他們的預測一致——峰數與MA之間存線上性關係，相關性為0.89。
生命的「門檻」
建立起理論與實際的聯絡之後，研究人員進一步檢驗他們的核心假設：高MA的分子幾乎只能由生物產生。他們檢測了多種混合物樣品的質譜，包括大腸桿菌、植物生物堿、煤炭、花崗岩甚至啤酒，並根據線性關係估計它們的MA值。研究人員發現，只有具有活生物的樣品MA高於15。
這項研究的領導者、格拉斯哥大學的化學家李·克羅寧（Lee Cronin）表示，當一個分子的MA大於15時，其在類地條件下產生於非生物過程的機率極低（小於6×1023分之一）。因此，MA值大於等於15的分子幾乎只能由生命產生。也就說，我們可以透過MA大於某個閾值的混合物發現生命。
那麼，15這個MA值是判定生命與非生命的絕對標準嗎？不是的。首先，許多MA值較低的分子也可能是生物徵跡，比如生物透過光合作用釋放到地球大氣中的氧氣分子結構就很簡單。其次，克羅寧指出，雖然在地球上，MA是否大於15似乎是存在生命與否的臨界條件，但在與地球截然不同的行星環境中，這個臨界值可能不同。
為了測試他們的理論，研究合著者、NASA戈達德太空飛行中心的天體生物學家希瑟·格雷厄姆（Heather Graham）向克羅寧寄送了一組盲樣。其中一種是數百萬年前的生物化石，另一種是默奇森（Murchison）隕石的樣品。默奇森隕石是1969年墜落到地球上的一顆火流星，它富含有機的含碳化合物，但不含生物。
克羅寧透過實驗發現，化石樣品具有高MA值，被確定有生命的痕跡；而默奇森隕石雖然含有豐富的分子，但其MA值仍低於15。這是對裝配理論的一次驗證，其結果激動人心，表明僅僅是複雜的樣品組成不代表有生命的參與，能體現化學組織複雜性的「複雜的分子」才是生命的關鍵要素。
付諸實踐
NASA以往的星際任務已經在其他星球收集了一些質譜資料。格林與NASA的科學家好奇，是否可以用裝配理論在其中尋找生命的跡象。
格林首先考慮是從土衛二（Enceladus）採集了水蒸氣樣品的卡西尼號（Cassini）飛行器。可惜的是，卡西尼號的質譜儀只能檢測小於100原子質量單位（amu）的分子，但裝配理論只對大於150 amu的分子適用。而NASA的好奇號（Curiosity）和毅力號（Perseverance）火星探測器雖然搭載了可以檢測150 amu以上的分子的質譜儀，但它們缺乏研究單一分子的能力，不足以分析出MA值。
格林說，未來的太空探索任務都應該配備能測量更大的分子、進行更精確分析的質譜儀。將於2034年飛抵土星的衛星「泰坦」（Titan）的蜻蜓號（Dragonfly）有望實現這一目標。它將探測泰坦的大氣和表面，尋找生命的組成成分。儘管蜻蜓號的質譜儀不具備實驗室質譜儀的全部功能，但它有能力檢測複雜的分子。
在太陽系中，還有可能存在生命的地方等待人類的探索，大型望遠鏡也為我們在浩瀚的宇宙中尋找著可能宜居的星球。裝配理論提供了一個從分子的尺度看待宇宙的新視角，指引我們尋找地外生命時關注獨屬於生命的複雜性。此時此刻，就有不可計數的複雜分子在我們身體內合成著、流淌著、工作著，它們讓我們在宇宙中如此不同。
論文連結：
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2021年12月09日 09:00
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「外星人」是孩童瑰麗玄奇的幻想，是影視作品經久不衰的主題，也是天體生物學家努力尋找的物件。如果在太空探索中出現了蛛絲馬跡，我們該如何確定它來自外星生命的活動？一項直指「生命」本質的新研究，可能為尋找地外生命的事業開創了全新的思路。
撰文 | 納塔莉·埃利奧特（Natalie Elliot）
編譯 | 鄭昱虹
審校 | 李詩源
在搜尋地外生命的過程中，天體生物學家總是在尋找最簡單、最強健的生命形式，因為它們最有機會在嚴酷的外星環境中生存。可是，與簡單生物相關的化學物質，往往也可以透過非生物途徑產生。所以，科學家們時而認為發現了外星生命，但又缺乏確鑿的證據。
不僅如此，外星生命還可能與地球生命大相徑庭。比如「矽基生命」就是科幻作品的常客，我們猜想它們的長鏈分子主要由矽而非碳構成，那麼組成它們的化學成分也就與我們熟悉的生命截然不同了。既然如此，我們該如何尋找外星生命呢？「生命」本身是否有特殊之處，讓我們能準確地知道它的存在？
發現了，又沒發現
在上世紀70年代中期，美國航空航天局（NASA）的兩艘海盜號（Viking）探測器飛往火星尋找生命，但得出的結論頗具爭議。探測結果顯示，火星上可能存在生命，其證據來自一項同位素標記實驗：將微生物所需的食物用碳14標記，新增到火星土壤樣品中；如果有微生物攝取被標記的食物，這些微生物就會釋放出放射性的二氧化碳，從而被儀器檢測到。
實驗結果是，兩個在火星上相距6500千米的海盜號著陸器，均在實驗組土壤中檢測到了放射性二氧化碳，而經加熱滅菌後的對照組土壤則沒有，這暗示在火星土壤中發生了微生物代謝。不過，兩艘海盜號所開展的其他生命探測實驗均沒有發現任何生命存在的跡象。
1996年，科學家在南極洲發現了一塊火星隕石，其中疑似存在微生物的微體化石（microfossil，利用顯微鏡才能進行研究的微小化石），似乎又為火星存在生命增添了證據。但隨後的研究指出，幾種非生物途徑也很容易產生所謂的微化石痕跡。
最近，一些科學家稱在金星大氣中發現了大量磷化氫，而在地球上，磷化氫主要由微生物產生。但另外一些科學家質疑這個結果，他們認為，即使磷化氫在金星大氣中存在，也可能來自金星的某種奇異的火山活動形式，而非來自於生命活動。
這些尋找地外生命的故事有著相似的發展脈絡：最初線索令人興奮，接著疑點惹人懷疑，最後生命存在的假設被駁回。一次又一次，天體生物學家似乎只能找到生物徵跡（biosignature），但令人沮喪的是，生物徵跡不能作為地外生命存在的決定性證據。有什麼指標，可以讓我們確定發現了外星生命嗎？
「複雜性」帶來的新思路
一項發表於《自然·通訊》（Nature Communications）的研究提出了名為「裝配理論」（assembly theory）的新思路。裝配理論不再關注簡單的生物徵跡，轉而關注生命本質的複雜性（complexity）。它基於一種理念：宇宙中任何形式的生物都會以複雜的分子組合編碼生命資訊，而這種複雜性與無生命物質迥然不同。
在天體生物學領域，呼籲關注「複雜性」的聲音已經持續了一段時間。NASA在1994年給「生命」下了一個複雜的定義：生命是能夠進行達爾文式演化的、自我維持的化學系統。問題是，這個定義包含的關鍵概念本身就很複雜、難以被測試和量化。正如NASA的首席科學家吉姆·格林（Jim Green）所說：「我總不可能製造出能夠尋找‘演化’、‘繁殖’或‘新陳代謝’這些過程的機器吧。」
而裝配理論提供了一種更清晰、更普適的生命的定義。裝配理論假設，對任何環境中的任何物件（object）來說，當其丰度（abundance）和複雜性增加時，它來源於生命活動的可能性就會增加。丰度指該物件在環境中出現的頻率，而複雜性可以透過估算裝配出這種物件所需的步驟來衡量。
研究合著者、亞利桑那州立大學的生物物理學家薩拉·沃克（Sara Walker）認為，裝配理論是天體生物學領域的一個里程碑，因為它首次提出了可操作的複雜性測量方法，使關於生命本質的理論有機會與實驗觀測資料相結合。
複雜的分子
儘管裝配理論適用於多種尺度的物件，但研究人員重點關注它在分子層面的應用。因為無論在實驗室還是在宇宙中，分子都是生物最基礎的組成部分。為了衡量分子的複雜性，該團隊定義了「物質裝配指數」（mass assembly number， MA），透過演算法為不同的分子賦值。
MA指的是理想情況下構建一個分子所需的步驟數。我們知道一個分子通常可以由多種方式合成，MA對應其中最短的裝配路徑。它只考慮價態規則，不考慮包括化學反應條件在內的其他限制，且每一步建立的物件可以在隨後的步驟中被重複使用。因此，化學鍵種類越少、對稱性越高的分子，其MA值越低，反之亦然。
研究人員為一個化學資料庫中的250萬種分子進行了MA賦值。被部分科學家視作的金星的生物徵跡磷化氫，由1個磷原子和3個氫原子構成，以對稱的磷-氫單鍵相連，其MA僅為1。相比之下，色氨酸分子由11個碳原子、12個氫原子、2個氮原子和2個氧原子構成，結構更為複雜，其MA為12。
為了驗證MA的有效性，研究人員用真實的分子進行了檢驗。因為高MA的分子有更多化學鍵和相對更低的對稱性，研究人員預測它們會在質譜分析中生成更多峰（每個峰代表混合物中的不同離子），而具有低MA的分子則相反。實驗結果與他們的預測一致——峰數與MA之間存線上性關係，相關性為0.89。
生命的「門檻」
建立起理論與實際的聯絡之後，研究人員進一步檢驗他們的核心假設：高MA的分子幾乎只能由生物產生。他們檢測了多種混合物樣品的質譜，包括大腸桿菌、植物生物堿、煤炭、花崗岩甚至啤酒，並根據線性關係估計它們的MA值。研究人員發現，只有具有活生物的樣品MA高於15。
這項研究的領導者、格拉斯哥大學的化學家李·克羅寧（Lee Cronin）表示，當一個分子的MA大於15時，其在類地條件下產生於非生物過程的機率極低（小於6×1023分之一）。因此，MA值大於等於15的分子幾乎只能由生命產生。也就說，我們可以透過MA大於某個閾值的混合物發現生命。
那麼，15這個MA值是判定生命與非生命的絕對標準嗎？不是的。首先，許多MA值較低的分子也可能是生物徵跡，比如生物透過光合作用釋放到地球大氣中的氧氣分子結構就很簡單。其次，克羅寧指出，雖然在地球上，MA是否大於15似乎是存在生命與否的臨界條件，但在與地球截然不同的行星環境中，這個臨界值可能不同。
為了測試他們的理論，研究合著者、NASA戈達德太空飛行中心的天體生物學家希瑟·格雷厄姆（Heather Graham）向克羅寧寄送了一組盲樣。其中一種是數百萬年前的生物化石，另一種是默奇森（Murchison）隕石的樣品。默奇森隕石是1969年墜落到地球上的一顆火流星，它富含有機的含碳化合物，但不含生物。
克羅寧透過實驗發現，化石樣品具有高MA值，被確定有生命的痕跡；而默奇森隕石雖然含有豐富的分子，但其MA值仍低於15。這是對裝配理論的一次驗證，其結果激動人心，表明僅僅是複雜的樣品組成不代表有生命的參與，能體現化學組織複雜性的「複雜的分子」才是生命的關鍵要素。
付諸實踐
NASA以往的星際任務已經在其他星球收集了一些質譜資料。格林與NASA的科學家好奇，是否可以用裝配理論在其中尋找生命的跡象。
格林首先考慮是從土衛二（Enceladus）採集了水蒸氣樣品的卡西尼號（Cassini）飛行器。可惜的是，卡西尼號的質譜儀只能檢測小於100原子質量單位（amu）的分子，但裝配理論只對大於150 amu的分子適用。而NASA的好奇號（Curiosity）和毅力號（Perseverance）火星探測器雖然搭載了可以檢測150 amu以上的分子的質譜儀，但它們缺乏研究單一分子的能力，不足以分析出MA值。
格林說，未來的太空探索任務都應該配備能測量更大的分子、進行更精確分析的質譜儀。將於2034年飛抵土星的衛星「泰坦」（Titan）的蜻蜓號（Dragonfly）有望實現這一目標。它將探測泰坦的大氣和表面，尋找生命的組成成分。儘管蜻蜓號的質譜儀不具備實驗室質譜儀的全部功能，但它有能力檢測複雜的分子。
在太陽系中，還有可能存在生命的地方等待人類的探索，大型望遠鏡也為我們在浩瀚的宇宙中尋找著可能宜居的星球。裝配理論提供了一個從分子的尺度看待宇宙的新視角，指引我們尋找地外生命時關注獨屬於生命的複雜性。此時此刻，就有不可計數的複雜分子在我們身體內合成著、流淌著、工作著，它們讓我們在宇宙中如此不同。
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