生命的最基本必需品

雖然尚沒有對生命的完美定義，但我們有理由認為，地球生命的生物化學組成中的某些常見原子可能也會被地外生命利用。這種認識可以幫助我們識別地球之外的潛在生命。地球生命的主要構成元素是碳、氮和氫，同時，生物化學反應在液態水中發生。天體生物學界達成了一個廣泛共識：其他地方的生命很可能也是碳基的，而一個有液態水的星球至少對“我們所認知的生命”是有利的。這樣的推論源于我們意識到，生命是由一套有限的工具，即元素周期表構筑的，這在整個宇宙中都是相同的。

事實上，碳是唯一能夠形成像DNA（脫氧核糖核酸）這樣由數十億個原子組成的長化合物的元素。由此可知，似乎只有碳基地外生命才能擁有與地球生命相當的復雜基因組。碳也擁有一些其他特性，使它的化合物具有獨特的化學性質，足以延伸出一整個有機化學學科。碳的特殊性質包括：能與自身形成單鍵、雙鍵和三鍵，并且能與其他很多元素成鍵。碳也可以通過將六元環連接起來，從而構建復雜的三維結構。

生命需要起源和繁衍，因此構成生命的主要原子可能也是在宇宙中大量存在的原子。碳在宇宙元素豐度中排行第四，僅次于氫、氦和氧。事實上，天文學家已經在太空中發現了許多非生物成因的有機分子。這些宇宙的“免費贈品”可能為生命起源提供了前體物質（詳見第三章）。例如，以質量計，星際塵埃中約30%都是有機物，而我們太陽系中所謂的碳質球粒隕石和行星際塵埃顆粒，分別含有2%和35%的有機碳。

雖然硅在宇宙中的豐度只有碳的不到十分之一，但鑒于硅和碳具有類似的化學性質，也有人主張，硅可能支持形成一種非碳基分子的地外生物化學體系。可是，至少在水中，硅的化合物往往是不穩定的，且容易形成溶解度很低的固態硅氧化物。在常見的行星溫度條件下，二氧化碳是氣體，溶解在水中可以為生物體提供足量的碳源。與其相反，二氧化硅往往是溶解度很低的固體，例如石英。此外，硅氧鍵、硅氫鍵比較強，但碳氧鍵、碳氫鍵與碳碳鍵的強度接近，這使得碳基化合物可以進行交換和改變反應。硅氫鍵在水中很容易受到破壞，因此硅基分子需要低溫環境來減緩它的水解反應。這種環境包括遠離恒星的冰質行星上的液氮海洋。目前，這些對于硅基生命的探討還僅僅停留在純粹的推測。

不管怎樣，穩定的介質對于新陳代謝和基因復制等生物化學過程一定是必需的。在地球上，這樣的介質就是液態水。對于地外生命，這種介質可以是另一種液體或是某種稠密氣體，只要它在所處環境中不容易變成固體即可。然而，水有一些獨特性質。例如，在常壓下，水會在100℃以下變成液體，而不像它的孿生子、散發著臭味的硫化氫，只有在— 61℃時才會凝結成難聞的液體。液態水的穩定性主要歸功于，水分子中的氧原子帶輕微的負電荷，與其他水分子中帶輕微正電荷的氫原子形成了較強的氫鍵，而硫化氫分子間的氫鍵更弱一些。水分子間的氫鍵強于水分子與油性物質分子間的氫鍵。正因如此，油與水分離，使細胞膜得以形成，為基因和新陳代謝過程提供穩定安全的環境。

水的另一個不同尋常的性質是，固態（冰）的密度小于液態。當水結冰時，分子排列成有原子尺度空洞的環狀結構。如果冰比水更致密，冰將在湖和海中更冷的底部積累，使其隔熱且保持冰凍的狀態。大海將從底部開始向上結冰而變得不適合生命存在。這是因為當冰積累至海面時，陽光會被冰面反射，導致溫度持續下降、冰繼續積累。逐漸凍結可能是其他液體海洋，如氨海洋的悲慘命運。在一個標準大氣壓下，氨在—78℃到—33℃這個區間內呈液態。但任何氨海洋都傾向于從底部向上凝固，而不像水海洋那樣即使在低溫下形成冰蓋也能在內部保持液態。

我們可以在地球上任何有水的地方（除了滅菌設備中）找到微生物，因此“我們所認知的生命”既以水為基礎，又以碳為基礎。這樣一來，對于太陽系探索來說，尋找液態水或它們過去存在的痕跡是行星探測器，比如火星探測器的重要目標。盡管如此，仍然可以設想用有機溶劑作為水的替代品，這對土星最大的衛星土衛六來說可能很重要（詳見第六章）。

對地球生命的另一個觀察結果是，就質量而言，僅六種非金屬元素—碳、氫、氮、氧、磷和硫—就構成了99%的生物體組成物質。這些元素通常被縮寫為“CHNOPS”，但我更喜歡說“SPONCH”，因為更方便讀出來。生命體的最主要成分水由氫和氧構成，遺傳物質中的核酸以及糖類主要由碳、氫和氧構成，而蛋白質的主要成分是碳、氫、氮和硫，磷則是核酸和儲能分子所必需的。因此，探測生命可利用形式中的SPONCH元素是行星空間探測器尋找類地生命的另一個可行的目標。