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土卫六|在实验室里能探索外星生命？

在美国系列电影《复仇者联盟》中 ， 大反派灭霸的老家是一个叫做泰坦的星球 。 实际上 ， 宇宙中真的存在泰坦星 ， 它是环绕土星运行的卫星中最大的一颗 ， 不仅如此 ， 泰坦星还被不少人称为“另一个地球” 。 因为它是太阳系中有大气层的4颗岩石星球之一（另外3颗为地球、金星和火星） ， 而且泰坦星上还有液态甲烷构成的湖泊和河流 。 液态甲烷在整个泰坦星上 ， 起到了类似地球上水的作用 ， 它们不断地蒸发到空中 ， 冷却成甲烷云 ， 然后形成甲烷雨 ， 回到湖泊和河流 ， 构成了完整的循环系统 。
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于是便有人开始思考 ， 地球上充满了生命 ， 很大一部分原因是由于液态水的存在 。 但在宇宙的其他地方 ， 生命很可能是由不同的化学物质组成的 ， 这些化学物质或许可以在像甲烷这样的液体中溶解和聚集 。 不只如此 ， 现在天文学家们新确认的系外行星越来越多 ， 它们中的一些很可能拥有由己烷、醚类、氯仿或者其他的液体组成的海洋 ， 这些液体很可能是未知的生命基础 。
目前 ， 人类还不清楚这些星球上是否有新的生命形式 ， 但是研究人员正在地球上的实验室里探索着一些可能性 。
最基础的生命模块
对于简单的生命来说 ， 最基础的组成部分是什么？
答案应该是能够携带遗传信息的分子（DNA或RNA）以及能够形成细胞膜的分子组合 。 因为遗传信息是生命的核心 ， 也是生命延续和传递的媒介 ， 而且生命的运行需要一系列可控的化学反应 ， 细胞膜可以将生命物质与外界环境分离开来 ， 保证这些生化反应的可控性 。 因此 ， 研究者们寻找新的生命形式 ， 首先就要从细胞膜和遗传因子入手 。
然而地球上的生命化学机制不能适用于像泰坦星上那样的碳氢化合物（碳元素和氢元素组成的物质 ， 比如甲烷、乙烷、氯仿等）形成的海洋 。
在水分子中 ， 氧原子所在的一端带一点负电荷 ， 而氢端带一点正电荷 ， 水分子不呈电中性 ， 而是有极性的 。 这种极性会影响水和各种生物体组成成分的结合 ， 比如 ， 水能够通过氢键（稍带正电的氢与稍带负电的其他原子间的相互作用）与蛋白质结合 ， 影响蛋白质的结构以及生物学功能 。
而大多数的碳氢化合物是非极性的 ， 分子两端都不带电荷 ， 呈电中性 ， 很难通过电荷的相互吸引作用 ， 与其他化学物质形成一些特别的化学键（比如 ， 使水与蛋白质结合的氢键） 。 因此如果在泰坦的甲烷湖中有生命 ， 那将是完全不同的一套构建体系 。
关于新生命形式的各种试验
科学家要想在其他星球上发现异质结构的生命 ， 先要尝试在地球上创造一些异质的东西 。 目前 ， 世界各地的化学家和生物学家都在通过计算机模拟和实验室的实际操作 ， 探索新的生命分子和结构 。
2015年 ， 美国康奈尔大学的行星科学家乔纳森·兰尼尔与另外两名化学工程师一起进行了一项研究 ， 探索在土卫六充满甲烷的低温环境中 ， 生命形态是什么样的？他们使用计算机数字模型确定了一种名为丙烯腈的有机化合物 ， 这种化合物在液态甲烷中 ， 能够组合在一起形成“空心球” ， 类似于组成生物体必须的膜结构 。 然后在2017年 ， 美国宇航局的科学家们利用光谱望远镜在土卫六的大气中检测到大量的丙烯腈 ， 这增加了土卫六上存在“另类生命”的可能 。
除了上述数字模拟寻找细胞膜的方式 ， 还有科学家在实验中寻找可能构成细胞膜的化合物 ， 美国康涅狄格州立大学的生物化学家莎拉·毛雷尔就是其中一员 。 她表示细胞膜参与了动植物细胞的化学反应 ， 膜除了使细胞与外界保持相隔外 ， 还需要有选择性地运输物质进出 。
尽管甲烷和乙烷充满了泰坦湖 ， 但是这些物质只有在极低的温度下才会变成液体 ， 所以研究人员使用己烷来代替它们 ， 己烷可以在室温下保持液态 。 至于如何验证某种物质是否适合作为细胞膜呢？他们将实验测试的物质制成膜状后 ， 再观察磷酸盐（构成DNA和RNA主干的小分子）——一种带有轻微负电荷的分子能否穿过细胞膜 。 一般情况下 ， 作为遗传物质的重要组成部分 ， 细胞内的磷酸盐应该不能够通过细胞膜 。
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美国佐治亚理工学院的分子生物学家劳伦·威廉姆斯也计划做类似的实验 ， 他希望将液态基底更换为氯仿 ， 用硅酸盐替代磷酸盐 ， 从而使分子更容易溶解在碳氢化合物中 。 他的团队还准备用其他化学物质来代替我们熟悉的腺嘌呤、胞嘧啶（DNA核苷酸中的碱基 ， 组成部分之一）等 ， 测试新的、可能的基因分子 。
关于新的DNA分子的实验其实也有很多 。 复杂的DNA其实只有四种碱基排列组合而成 ， 分别为鸟嘌呤、胞嘧啶、腺嘌呤和胸腺嘧啶 ， 通常用字母G、C、A和T表示 。 四种不同类型碱基的排列组合 ， 储存着地球上所有生命的遗传信息 。
2019年2月份 ， 美国佛罗里达州阿拉库阿应用分子进化基金会创始人史蒂文·本纳领导的研究小组在《科学》杂志上发表了一篇重要的文章 。 研究人员成功地将4种人工合成的碱基 ， 与天然存在的四种碱基结合 ， 创造出了由8种碱基组成的DNA分子 ， 并且该DNA分子能够像天然DNA一样存储和转录信息 。 该研究证明了 ， 人工合成的碱基能够相互识别并结合 ， 并且它们形成的双螺旋结构能够保持着稳定的结构 。 同时也证实了 ， 宇宙中的确可能存在其他的生命基因系统 。
另外 ， 美国圣路易斯大学的布雷彻研究小组正在研究一种新的可能构成遗传基因的分子 ， 这种分子的碱基不依靠氢键配对 ， 而是通过共享一种叫做硫代脂的分子而配对 。
寻找外星生命
上述实验都是科学家对于新生命形式的探索 。 在这些实验中 ， 他们不会真的创造出外星生物 ， 但实验也许可以回答“是否有一种新的生命形式可以在液态碳氢海洋中生存”这一问题 。
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目前 ， 人们寻找外星生命都是以水为前提的 ， 如果上面问题的答案是肯定的 ， 那么这意味着我们目前对生命的探索存在一个巨大的盲点 。 通过证明最基本的生命化学可以在其他的液体中产生 ， 科学家可以开辟新的探索领域 ， 或者指导我们如何梳理空间探测器收集到的大量数据 。
例如 ， 2005年 ， 美国宇航局埃姆斯研究中心的天体生物学家克里斯·麦凯的研究指出 ， 泰坦星上可能有生物通过代谢乙炔或乙烷生存 ， 并表示它们会在泰坦星的大气层中留下明显的痕迹 。 然而在对环绕土星飞行、考察土星的卡西尼号空间探测器收集到的数据进行筛查后 ， 研究人员发现 ， 卫星的表面既没有乙烷层 ， 也没有乙炔 ， 从而在很大程度上推翻了这种说法 。
【土卫六|在实验室里能探索外星生命？】也许在实验室中探索外星生命的意义就在于此 ， 它可以指导我们到哪里 ， 又该如何去寻找和验证外星的生命 。


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