环球观焦点：寻找外星生命时为何一定要寻找水？外星生命不能是其他形式吗？

科学家们（生物学家，化学家，天文学家和天体生物学家）并没有坚持生命一定需要水，题主太小看他们的想象力了。

(资料图)

首先来看看水为什么对于生命来说十分重要。我们所认识的生命的基础是各种复杂的生物化学反应。为了让各种物质能够充分接触，高效地参与反应，把它们溶解在某种液态溶剂中是一个理想的选择。此外，把物质溶解在液体中，也是在生物体内运输物质的便利途径。宇宙中，甚至地球上，存在着各种液态物质。而其中，水无疑是一种十分理想的溶剂。

水分子由一个氧原子和两个氢原子构成。两个氢原子与氧原子的连线夹角是104.5度。这样，水分子就有了极性：氧原子的一侧形成了水分子的负极，两个氢原子形成了水分子的正极。正极可以吸引负离子，负极可以吸引正离子。这个特性让水有了十分优秀的溶解能力。

氢和氧在宇宙中都是含量十分丰富的元素，所以水在宇宙中并不少见。真正稀罕的是液态水存在的条件：不能太热，也不能太冷。它只能存在于恒星系内的宜居带（Goldilock Zone）。

天文学家热衷于在太阳系外行星寻找水的另一个重要原因是：在我们目前认识的宇宙中的生命形式当中，100%都是以水为溶剂的。

然而，水的缺点也很明显。固态的水（冰）反射率很高。一旦行星表面形成了一定规模的冰盖，它就会把大部分恒星辐射的能量反射回去，减少行星的能量供给，导致温度继续下降，冰盖继续扩展。这就是地球上反复发生冰川期，甚至几次形成全球冰封的原因。

除了氢和氧，宇宙中其他含量较高的元素包括：氦，碳，氖，铁，氮，硅，镁和硫。下图是银河系中主要化学元素的丰度（单位是百万分之一）。

以这些元素为原料，宇宙会大量产生其他具有一定溶解能力的液态物质。我们来看几个例子。

1. 氨（NH3）

和水一样，氨也是一种含量十分丰富的物质。它的化学性质也和水非常相似。氨对有机物的溶解性甚至比水还好，而且，它还能溶解很多金属单质，如除了铍以外的碱金属和碱土金属。此外，很多与水有关的有机物（如带有羟基OH的醇类）和与氨有关的有机物（如带有氨基NH2的胺类）具有一一对应的关系。

然而，氨也有它的弱点。首先，氨分子之间的氢键强度比水弱得多，所以氨蒸发时吸收的热量只有水的一半，而且氨的表面张力只有水的1/3。所以，氨的融点比水低很多：在一个大气压下，液态氨存在的温度范围是零下78到零下33摄氏度。在这个温度下，化学反应速度十分缓慢，所以，生活在液氨中的生物新陈代谢和进化的速度都应该比地球生物慢得多。

不过，在较高的压强下，氨的融点和沸点都可以相应提高。比如，在60个大气压下，液态氨可以在零下77摄氏度到零上93度范围内存在。这倒是一个比较理想的温度范围，不过，能达到这个气压的行星恐怕很少。

氢键太弱也导致了另一个缺点：液氨不能像水一样和没有极性的有机分子发生疏水反应。疏水反应这对很多地球生物，尤其是动物，是非常重要的。如果没有这样的机制，像细胞膜这样的结构就无法稳定存在了。

细胞膜主要由两层磷脂分子构成。磷脂分子的亲水端向外，疏水端向内，构成细胞膜的骨架。对于这个结构至关重要的是水和磷脂分子之间的疏水反应。显然，在缺乏疏水反应的液氨环境中，生物无法具备细胞膜这种有效隔离同时又能保证物质运输畅通的理想结构。

疏水反应的另一个重要作用是，在生命发展的早期阶段，具有疏水性的有机分子会聚集成团，然后逐渐发展出能够自我复制的复杂分子，如DNA。而在液氨环境中，这个过程也变得十分困难了。

所以，在液氨环境中，我们所认识的很多生物机制都无法运转。如果液氨中能孕育生命的话，它们应该会走上一条和我们完全不同的道路。

下图是一个液氨环境的生命星球的艺术想象图。

2. 甲烷和其他碳氢化合物

甲烷分子包含1个碳原子和4个氢原子。碳和氢都是宇宙中丰度很高的元素，所以甲烷含量也不低。比如，土卫六（泰坦）就包裹着以甲烷含量很高的厚实的大气层，并且表面布满了甲烷湖泊和海洋。

然而，和水相比，甲烷的溶解能力就差了很多。

甲烷分子没有极性，和水相比，溶解能力弱得多。像油或者脂肪这样的脂质可以少量溶解在液态甲烷中。所以，严格来说，基于液态甲烷的生命并非完全不可能，只是要困难得多。为了让其他的有机分子参加生化反应，这些分子必须被连接在油脂分子上。而且，在甲烷世界中的生命活动将会十分迟缓。

以甲烷或其他碳氢化合物为溶剂的生命形式可能性不太大，但是并非绝对没有。天体生物学家克里斯·麦凯（ Chris McKay ）甚至认为，土卫六上可能就有生命。他认为，如果土卫六上面有生命的话，它们应该需要把复杂的碳氢化合物（如乙烷或乙炔）降解成简单碳氢化合物（如甲烷），从中获得能量。这个过程需要消耗氢气（H2）。对这种假想中的土卫六生命来说，乙烷或乙炔相当于我们的葡萄糖，而氢气相当于我们的氧气。而对土卫六发现，大气层下层的氢气和乙炔含量比上层低，这表明在大气层下层中发生着某种消耗这两种物质的反应。这似乎在证明土卫六表面有生命活动的假设。

3. 氟化氢（HF）

氟化氢和水比较相似，它的分子具有极性，溶解能力很好。在一个大气压下，氟化氢在零下84摄氏度到零上19摄氏度保持液态，这是一个大约100摄氏度的范围。而且，氟化氢分子之间也有很好的氢键。虽然对地球生物来说，氟化氢是有毒的，但是有的有机物却可以在氟化氢中稳定存在。

然而，遗憾的是，氟化氢在宇宙中含量很少（因为氟元素丰度就很低）。

4. 硫化氢（H2S）

从分子式可以看出，硫化氢和水的分子结构十分相似，只是把氧原子换成了同族的硫原子。然而，硫化氢分子的极性比水小，所以它对无机物的溶解能力也相对较弱。

如果一个行星表面有大量液态硫化氢的话，一个可能的来源是火山。在这种情况下，火山可能也会产生一些氟化氢。在硫化氢中混入氟化氢可以有效提高它对矿物质的溶解能力。

居住在硫化氢环境中的植物可能从一氧化碳和二氧化碳得到碳，并释放出一氧化硫（相当于我们的氧气）。

硫化氢的另一个缺点是，保持液态的温度范围很小。当然，提高气压可以缓解这个问题。

上面列举了一些分子结构比较简单，而且比较常见的溶剂。实际上，其他一些看上去更加另类的物质也有支持生命的潜力，比如硫酸，二氧化硅，超临界状态的二氧化碳和氢，高温下的氯化钠，以及低温下的氮和氢等等。

很多科幻电影中都描绘了一种世界大同，人类和各种外星人杂居的宇宙图景。支持不同生命形式的溶剂显然不在考虑范围之内。想象一下，如果你在酒吧端起一杯啤酒时，左边的外星人正在津津有味地品尝一杯硫化氢，右边的外星人却在猛灌一大桶氨水，相信你手上的啤酒也喝不下去了吧。

我们目前只知道一种生命形式——地球生命。这个样本实在太小了。也许宇宙中的生命形式和地球上完全不一样，甚至根本不需要化学反应。比如，在星云或恒星表面，可能生活着等离子体的生命；在中子星上，也可能生活着简并态的生命。这些假设都有一定的理论和试验的支持。在这些假设被推翻之前，我们并不能否定哪怕十分微小的可能性。

不过，从现实的角度出发，在太阳系外行星上寻找水无疑是探索生命最为可靠的一种方法了。因为，我们确信无疑的是，水是可以支持生命活动的。

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