地球上充满了生命——而水使这一切成为可能。但在宇宙的其他地方，生命可能由不同的化学物质构成，这些物质溶解并组装在其他液体中：可能是甲烷、煤油，甚至是氯仿。目前，人类还无法踏足这些世界去看看那里有什么，但研究人员正在地球上的实验室中探索一些可能性。
一种奇特的平行生命形式，其细胞使用完全不同的化学物质进行与我们相同的基本活动，这个想法对科学来说并不新鲜。艾萨克·阿西莫夫在 1962 年的论文《非我们所知：生命的化学》中首次提出了这个问题。2004 年，即卡西尼号宇宙飞船进入土星轨道的同一年，生物化学家史蒂文·本纳在《生物化学最新观点》杂志上发表了一篇论文，提出在土星的卫星土卫六这样的世界上，生命可能使用液态碳氢化合物作为溶剂（一种可以溶解其他物质的液体），就像地球上使用水一样。
随着每天都有新的系外行星加入已知世界的行列，其中一些可能拥有己烷、醚、氯仿或其他奇异液体的海洋（或至少是温暖的水坑），这些液体可能成为我们尚未了解的生命的基础。
收集碎片
在这样的外星海洋中，地球上的生命化学根本无法运作。水是一种极性分子；它的氧端带微弱的负电荷，而氢端带微弱的正电荷。这些电荷影响了水中可能发生的化学键合类型。DNA 和蛋白质等分子的结构依赖于水的极性氢键。
大多数碳氢化合物（由氢和碳组成的化合物，如甲烷和乙烷）是非极性的——分子两端都没有电荷。因此，在这些化学物质中形成与水中相同的键是不可能的。这就是为什么如果你想在土卫六的甲烷湖中创造生命，你将不得不使用一套完全不同的构建模块。
来自美国各地的化学家和生物学家——由圣路易斯大学的有机化学家保罗·布拉彻领导，并获得国家科学基金会三年期资助——组成了一个团队，探索真正外星生命的构建模块可能由什么构成。他们利用计算机模拟和动手实验室工作，探索分子如何在己烷、醚和氯仿等液态碳氢化合物中键合。他们的工作恰好介于科学之间，化学在此成为生物学。
“这就像在自家后院用割草机零件造汽车，而不是让玛莎拉蒂工厂造一辆超级跑车。我们所知的生命就是超级跑车，我们正试图用一套不同的零件拼凑出一些类似它的东西，看看我们能从中了解什么，”地球生命科学研究所的克里斯·布奇说。布奇是一名计算化学家，他将使用数字模拟来帮助理解同事们将在实验室中观察到的化学细节。
那么，你需要从你比喻的割草机上抢救哪些零件来制造出像玛莎拉蒂的东西呢？构建细胞所需最重要的两个组成部分是能够携带信息的分子，如 DNA 或 RNA，以及可以形成膜的分子组合。该团队的目标是研究哪些其他分子可能以模仿生命基本过程的方式相互作用，但使用不同的机制。为了实现这一目标，他们正在使用更短、更简单的复杂聚合物版本，这些聚合物共同执行生命的化学过程。他们的实验包括将我们所知的生命构建模块诱导进入油性“膜”中，修改 DNA 和 RNA 的结构，以及从头开始创建自己的遗传分子。
生命的边界
想象一片外星海洋，其中碳氢化合物液滴悬浮在水中。“只要有海浪拍打海岸，或者某种天气，那么如果石油浮到顶部，它就会以液滴形式持续混合到水相中，”康涅狄格州立大学生物化学家莎拉·毛雷尔说，她的兴趣领域是细胞膜和容器。
如果你想要生命，你必须将细胞中发生的所有化学反应都包含起来，将其与外部环境分离。在地球上每个生物体的细胞中，油性膜提供了这种容器。膜在为细胞功能提供动力方面发挥着重要作用；它们参与了使植物和动物细胞产生能量的化学反应。而这些化学反应依赖于膜是一种与其中水性细胞相互作用的油性结构这一基本事实。
当海水进入海底裂缝，被下面的热岩浆加热，然后沸腾着从裂缝中涌出时，就会形成热液喷口。这些喷口通常充满了生命，包括将矿物质和其他化学物质转化为能量的微生物。这样的喷口也可能为宇宙其他地方的生命提供一个适宜的环境。（图片来源：太平洋火环 2004 年考察/NOAA 海洋探索办公室/Bob Embley, NOAA PMEL）
太平洋火环 2004 年考察/NOAA 海洋探索办公室/Bob Embley, NOAA PMEL
但该团队的实验不会使用甲烷或乙烷，这些是填充土卫六湖泊的液态碳氢化合物。这些物质只有在像土卫六表面那样极其寒冷的温度下才呈液态，而不是地球化学实验室中通常的温度。相反，研究人员坚持使用己烷等碳氢化合物，它是一种很好的甲烷类似物，但在室温下仍保持液态，以及氯仿等。这些液滴的边界——油水交界处——作为细胞膜早期发展的简单类比。
毛雷尔的实验不会产生任何可以合理称为细胞膜的东西，但它们可能会揭示一些在油水边界可能发生的基本化学反应。
“我们的细胞需要这种油相来驱动能量生成，”毛雷尔说，“所以，以某种方式，通过利用油滴的表面来驱动反应，使油滴具有类似于水性细胞的功能，这是有道理的。”
这个团队并不是第一个考虑外星细胞膜这个想法的。在 2015 年《科学进展》上发表的一篇论文中，康奈尔大学的行星科学家乔纳森·卢宁与两位化学工程师（这三位都没有参与布拉彻的项目）合作，使用数字建模确定乙烯基氰（一种由氮、碳和氢组成的化合物，也称为丙烯腈）理论上可以在甲烷中形成原始屏障。
“称其为膜会有点过誉，但它至少是某种能包围并形成一种容器的东西，”卢宁说。2016 年，他与化学家马丁·拉姆（当时在康奈尔大学，目前在查尔姆斯理工大学）对氰化氢化合物进行了数字建模，结果显示它们可以在模拟的碳氢化合物海洋中结合形成薄片和卷。随后在 2017 年，另一篇发表在《科学进展》上的论文宣布发现了土卫六上存在乙烯基氰的证据，标志着在寻找能够支持这个遥远卫星上生命的分子方面迈出了重要一步。
侧边栏：水与生命
水是一种极性分子，由两个氢原子和一个氧原子组成。一个水分子中的氧原子倾向于吸引相邻水分子中的氢原子，反之亦然，这赋予了水独特的性质。这些性质对于地球上的生命化学至关重要。
为了使生命的化学过程发生，分子必须能够以特定的方式连接、分离和重新连接。例如，考虑 DNA 复制。构成遗传密码的碱基对通过其带负电的氢原子被另一个核苷酸中带正电的原子吸引而结合。这些键将双螺旋的两条链连接在一起，但由于水分子中的氢也以这种方式结合，因此酶相对容易地“解开”双螺旋进行复制，然后再次结合两条新链。
然而，生命分子在碳氢化合物中的作用方式与在水中的作用方式不同。这是因为大多数碳氢化合物不倾向于形成氢键。但甲烷湖中漂浮的其他分子可能会以允许它们执行生命基本化学功能的方式结合和反应。
回到地球，毛雷尔的实验很简单。她和她的同事们想看看他们是否能让化合物穿过油水边界。他们将从熟悉的遗传分子 DNA 和 RNA 开始，但这些分子需要一些帮助才能穿过。DNA 和 RNA 等核酸的骨架是较小分子磷酸盐的链，磷酸盐带微弱的负电荷。但带负电荷的分子与油相互作用的可能性低于与水相互作用的可能性，因此我们熟悉的遗传分子可能不会很容易地进入油滴。
然而，其他分子可能会与核酸配对，帮助它们穿过边界。生物化学公司已经开发出被称为转染剂的分子，它们有助于核酸穿过膜，该团队的目标之一是寻找能够迁移到碳氢化合物液滴中并保持稳定的 DNA 和转染剂组合。
“这基本上是在说，‘我们能诱导我们的生物学在这些奇怪的环境中在某种程度上发挥作用吗？’”佐治亚理工学院分子生物学家洛伦·威廉姆斯说，他对聚合物在液态氯仿中的行为特别感兴趣。
该团队还希望将核酸的磷替换为硅，从而制造出一种更容易溶解在碳氢化合物中的分子。他们还计划测试一种使用所谓“非经典核苷酸”的替代遗传分子，用其他化学物质替代熟悉的腺嘌呤、胸腺嘧啶、鸟嘌呤和胞嘧啶。
还有一些真正奇特的想法。圣路易斯大学的布拉彻团队正在研究一种完全合成的分子，它将像 DNA 一样工作，但由完全不同的分子构成，形成不同类型的化学键。布拉彻的版本将使用共享硫酯分子的碱基对，而不是连接 DNA 碱基对的氢键。
在这张艺术家的概念图中，土卫六湖泊表面漂浮着由碳氢化合物而非水构成的冰。科学家们利用卡西尼号数据，证实了这个多云卫星湖泊中存在乙烷，除了地球，土卫六是太阳系中唯一已知拥有表面液体的天体。（图片来源：NASA/JPL-Caltech/USGS）
NASA/JPL-Caltech/USGS
有理由相信这会奏效。2015 年，本纳（2001 年创立应用分子进化基金会，但未参与布拉彻的项目）在煤油溶剂中测试了一种带有醚骨架的 DNA 版本。他发现这种组合无法在像土卫六一样寒冷的地方形成生命，但在一些所谓的“温暖土卫六”系外行星上，这可能是一个不错的选择。
“考虑到我们正在遥远的恒星周围发现如此多的系外行星，很可能存在像土卫六这样可能会发生有趣事情的其他世界，”布拉彻说。
玩转积木
从那里开始，下一步就是看看外星生命的构建模块可能如何进化。化学受自然选择的支配：更善于自我复制的系统和结构往往会胜过其他系统和结构。这个过程可能就是分子系统如何向更复杂的方向进化，最终产生形成细胞的特化分子和反应系统。
迈克尔·特拉维萨诺是一位具有天体物理学背景的进化生物学家，他计划在团队的分子阵列上模拟这个过程。在这种情况下，选择将基于分子或分子组是否能够在油和水之间的屏障来回移动。结果将告诉团队哪种类型的分子结构或键最适合模拟环境。“这就是自然选择的内容，”特拉维萨诺说。
毛雷尔感兴趣的是分子是否能够支持碳氢化合物液滴内的基本化学反应。例如，DNA 中的碱基对通过寻找哪个碱基“足够好”地与另一个碱基（腺嘌呤与胸腺嘧啶，胞嘧啶与鸟嘌呤）形成键来“识别”彼此。如果这些分子的替代版本能够在其他溶剂中相互识别并形成键，这是一个令人鼓舞的迹象，表明在外星海洋中可能存在基本的生物化学。
当然，这样一个系统离一个正常工作的细胞还差得很远，而且它仍然缺少一些重要的生命基石。在地球上的细胞中，蛋白质（称为酶）帮助反应足够快地发生以发挥作用。然而，该团队没有替代酶来搭配其膜和遗传物质。
“我们正在制造骨架，我们将拥有碱基对，但问题是我们没有能够复制它的酶，因为骨架化学结构不同，”威廉姆斯说。“我们真的必须从更基本的化学层面开始，并尽可能向前推进。”
寻找外星生命
“其中大部分将是探索性科学，”布奇说。“我认为这是一个非常酷的想法，它正在推动我们对化学向生物学转变的假设的边界。”换句话说，不会有合成的外星生物从试管中爬出来。
“我不认为我们会在未来三年内发现生命的起源，或者我们会在未来三年内弄清楚生命如何在非极性溶剂中（在其他世界上）发展，”布拉彻说。“这个项目的真正目的是开始弄清楚游戏规则可能如何从我们所知的水中生命转变为在油和非极性溶剂中运作的新形式生命，无论是在地球上还是在遥远的行星上。”
虽然土卫六是太阳系中寻找生命的主要焦点，但还有其他可能存在生命的冰冷世界：欧罗巴、伊阿珀托斯、恩克拉多斯和特里顿都是可能存在生命的候选者。（图片来源，从上到下：NASA/JPL/DLR；NASA/JPL/空间科学研究所 (2)；NASA/A. Tayfun Oner）
布拉彻和他的同事们希望，这将告诉我们生物化学的前体是否可以在由水以外的物质组成的海洋中形成。如果答案是肯定的，那么这意味着我们目前寻找生命的努力存在一个巨大的盲区。
“我们寻找生命的问题在于，我们主要是在寻找我们自己的生命。“追随水”可能会找到一些生命，但它可能找不到其他类型的生命，”威廉姆斯说。通过证明至少基本的生物化学可以在其他液体中产生，该团队可能有助于开辟新的宜居区域，或者至少避免排除一些有趣的地方。
这些结果不仅可以提供关于何处，还可以提供关于如何寻找我们所不知道的生命的有益想法。例如，地球大气层富含氧气，因为植物和蓝藻将其作为光合作用的产物释放出来。如果布拉彻和他的团队能够识别出外星细胞潜在的分子构建模块，他们也可能能够预测这些细胞会将其家园世界的哪些化学物质排放到大气中。
土卫六上的复杂化学：土卫六低空的浓厚雾霾是由于进入的能量（阳光和来自土星的高能粒子）与卫星高层大气中的氮气和甲烷等分子之间发生化学反应的结果。这些反应——涉及碳、氢和氮等元素——生成了较轻的碳链分子（中间方框），这些分子最终形成了科学家认为会沉降到月球表面的较大有机分子。然而，并非所有这些反应都已为人所知或理解，生命的迹象可能隐藏在卡西尼号任务尚未分析的数据中。——Alison Klesman（图片来源：Roen Kelly/DISCOVER，改编自 ESA）
2005 年，天体生物学家克里斯·麦凯计算出土卫六上的生物体可能如何代谢乙炔或乙烷，并意识到它们会在土卫六大气中留下明显的特征——事实证明，这种特征可能确实存在，尽管证据尚不明确。卡西尼号和惠更斯号探测器观测到土卫六周围缺乏乙烷层，其表面也缺乏乙炔，尽管两者都被预期存在。这些物质的耗尽可能是由于“生物汇”——生命消耗它们并导致其缺失。
这种研究可以指导我们如何梳理卡西尼号等任务已经掌握的大量数据，卢宁说。“没有人真正仔细地审查过这些数据，所以现在可以回头，看到它们具有这些有趣的特性，并真正尝试深入挖掘数据，看看它是否真的存在，”他说。
归根结底，涉足外星生物化学是迈向未知的一步，尽管团队对可能发生的事情有一些想法，但他们也为沿途的惊喜做好了准备。
“我预计，我们认为对生命而言的许多挑战最终将不再是挑战，而我们没有意识到是困难的事情将突然变得异常艰难，”特拉维萨诺说。“有趣的是什么会失败，什么会成功。期待惊喜。”
Kiona N. Smith 是一位科学技术记者、科学史博客作者和《Ars Technica》的科学通讯员。
