探索外星生命

  1957年，斯坦利·米勒收到了一封来自苏联科学院的邀请函，原始汤假说的提出者之一亚历山大·奥巴林邀请米勒去莫斯科参加一场生命起源研讨会。虽然当年的米勒才只有27岁，却已经被大家誉为“前生命化学教父”了。但米勒不敢肯定自己应不应该接受邀请，因为当时正值麦卡锡主义的高峰期，负责研制的曼哈顿计划的领导人罗伯特·奥本海默（Robert Oppenheimer）刚刚因为“左”倾思想而接受了美国国会的质询，米勒的前导师爱德华·泰勒（Edward Teller）则因为在奥本海默听证会上作证而遭到了美国学术界的暗中，两条政治路线的斗争进入了白热化阶段。

  犹豫不决的米勒跑去请教自己的导师哈罗德·尤里，后者是的同情者，他让米勒自己作决定，但却警告他要小心后果，“谁也不知道麦卡锡会干出什么样的事情来”。最终米勒还是决定去莫斯科参加会议，果然美国中央情报局（CIA）立刻找上门来，要求米勒汇报苏联在生命起源领域的进展，因为CIA担心苏联人在这样的领域超过美国。

  不过，CIA的注意力很快就被另一件事情吸引过去了。1957年10月4日，苏联成功发射了人类历史上第一颗人造卫星“斯普特尼克1号”（Sputnik 1），在航天技术上领先了美国一个身位。这件事让另一位美国青年学者感到忧心忡忡，这就是当年只有32岁的威斯康星大学微生物学家乔舒亚·莱德伯格（Joshua Lederberg）。他刚刚发现微生物同样具备交合的能力，这个发现让他获得了1958年的诺贝尔医学或生理学奖。他也收到了苏联科学院的来信，但他拒绝了奥巴林的邀请，却借机去了趟印度的加尔各答，拜访正在那里流亡的另一位原始汤理论提出者霍尔丹。两人讨论了苏联发射的人造卫星，一致觉得应对这件事保持高度警惕。

  回到美国后，莱德伯格立刻给美国科学院写了封信，提醒对方注意防范人造卫星可能从太空带回地球的有害微生物。这封信引起了美国航天工程师休·德赖登（Hugh Dryden）的注意，此人是1958年刚刚成立的美国航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，简称NASA）的第一任代理署长，他上任之后的第一件事就是成立太空科学委员会，并任命莱德伯格担任外星生命研究小组的组长。这可不是一个闲职，因为这个小组获得了NASA提供的大笔研究经费，可拿来研究生命的起源。要知道，当年生命起源研究纯属业余爱好，基本上没获得经费的可能性。米勒—尤里实验只花了不到1000美元，还是从尤里的其他项目中省出来的。

  虽然最终目的是打赢冷战，但NASA的资金支持仿佛是一针强心剂，让整个生命起源研究领域迅速活跃了起来。莱德伯格用这笔钱到处招兵买马，除了把尤里和米勒招至麾下之外，还招募了卡尔文循环的发现者梅尔文·卡尔文（Melvin Calvin），以及尤里的另一位学生，当时只有24岁的卡尔·萨根（Carl Sagan）。萨根对探索地外生命这件事很有激情，后来成为该领域最优秀的科普工作者。他和莱德伯格一起发明了天体生物学（Astrobiology）一词，一个全新的研究领域从此诞生了，而NASA也成为全世界在生命起源研究领域投钱最多的研究机构。

  NASA为天体生物学研究拨出的第一笔经费给了耶鲁大学医学院的沃尔夫·维斯尼亚克（Wolf Vishniac），委托他研制一台能够测出外星土壤里是否含有微生物的遥控检测仪。他用这笔钱制造了一台沃尔夫探测仪（Wolf Trap），可以通过遥控机械臂把外星土壤样本装进一个盛满了营养液的容器。他相信，如果土壤样本里有微生物的话，那么培养一段时间后溶液就会变色或者变浑浊。

  现在想来，这个思路显然是有问题的，因为外星生命的饮食上的习惯很可能与地球生命完全不同，按照地球生命的口味配制的营养液不一定管用。NASA显然也意识到了这一点，没有将这台设备放进1975年发射的“海盗号”（Viking）火星探测器的仪器舱。还有一件事影响了NASA的决定，那就是1969年“阿波罗11号”登月计划顺利完成，阿姆斯特朗从月球上带回来很多月壤样本。这些样本先是按照莱德伯格的要求被放入无菌室隔离了3个星期，证明无毒后才被拿出来做多元化的分析，根据结果得出月球上不但没有活的微生物，甚至连有机物都极其稀少，几乎能够说是一片不毛之地。于是NASA降低了对火星的期望值，不再寄希望于发现活的火星微生物，只要能发现火星上曾经存在过生命的迹象就已经心满意足了。

  1976年，“海盗1号”和“海盗2号”火星探测器分别在火星表面软着陆成功，每个探测器分别搭载了4台生命信号探测仪，它们全都传回了信号。其中3台是基于生物学的检测仪，分别用于测量微生物代谢后生成的气体废物，微生物进行光合作用后整合进身体里的碳-14，以及微生物吃进碳-14标记的营养的东西后释放开来的含有碳-14的二氧化碳。另外一台是基于生物化学的气体质谱仪，试图寻找火星土壤中含有的有机物。最终除了释放碳-14标记的二氧化碳实验给出了阳性结果之外，其余3个实验都给出了阴性结果。但当科学家们仔细分析了实验数据后，却发现它们要么是假阳性，即非生命过程有可能给出类似的结果，要么是假阴性，即有可能错过了生命存在的信号。总之，NASA的这次豪赌没有正真获得任何肯定的答案，无论是NASA的官员还是美国公众都相当失望。

  可惜维斯尼亚克没能看到这一个结果。被NASA拒绝后，他并没有死心，而是带着他发明的沃尔夫探测仪去了南极大陆，试图测量南极高原土壤里是否含有微生物。当时科学界一致认为像南极那样严酷的地方是不可能有生命存在的，但维斯尼亚克证明他们都错了。

  1973年12月10日，维斯尼亚克独自一人去南极野外采集样本，不幸失足坠入深谷，为他钟爱的生命起源探索事业献出了生命。但是，正是因为维斯尼亚克的努力，大家终于意识到地球生命的分布范围远比此前设想的要广得多，这才有了后来发现的深海热液喷口生物群、陆地热泉喷口生物群，以及地壳深处的耐高压微生物群落。南极大陆也摇身一变，成为探索生命起源的热门地点。

  不但如此，南极大陆还是寻找陨石的最佳地点。1984年12月27日，NASA派出的一个陨石搜寻小组在南极大陆的艾伦山（Allen Hill）附近发现了一块铅球大小的陨石，重约1.9公斤，在太阳光下呈深蓝色，表面有灰绿色的斑点。当时大家并没有觉得它有任何特殊之处，便将这块编号为ALH84001的陨石和其他样本混在一起运回了约翰逊宇航中心，并将其作为陨石样本的代表放在美国国家航天博物馆的展柜里展出了5年之久。

  1990年，博物馆的一名工作人员在对展品所做的一次例行检查时发现这块陨石里富含碳酸盐。已知地球上几乎所有的碳酸盐都生成于富含水的地方，这件事引起了一些人的兴趣。进一步分析表明，这块陨石居然很可能来自火星，当时像这样的火星陨石在整个世界也只发现了9块，于是对它感兴趣的人就更多了。

  大部分读者也许不知道，火星上的石头是有可能降落到地球上的。原来，太阳系可不是一片净土，经常有大质量的流星撞击各大行星。这些撞击产生的冲击力非常强，有可能把行星表面的岩石撞飞出去，变成太空陨石。因为太阳系每颗行星的成分都不相同，科学家们便能够最终靠分析陨石的化学成分，大致猜出这块陨石最大有可能来自哪里。

  新一轮更加细致的检查得出了更加惊人的结论。ALH84001形成于40亿年前的火星表面，大约1700万年前被一颗流星撞飞到了太空之中，然后在1.3万年前降落到南极大陆的艾伦山。40亿年前的火星表面大概率有液态水，这就解释了这块陨石里为何会有碳酸盐。这些碳酸盐聚集在灰绿色的斑点上，这一点和在大峡谷发现的隐生藻化石（cryptozoon，一种陀螺状叠层石）很像。陨石内部还发现了很多微小的磁铁矿（magnetite）晶体，这一点和地球上的趋磁细菌（magnetotactic bacteria）留下的化石痕迹非常相似。斯坦福大学的科学家运用一种新发明的激光质谱仪分析了陨石的成分，发现其中含有大量多环芳香烃（PAHs），地球上这类物质也常和古代生物分解后的产物发生关联。

  当然了，这些证据都不只有一种解释，比如PAHs也有一定的可能是化石能源燃烧后产生的废物。但负责这项研究的戴维·麦基（David McKey）已经在内心里认定这是火星曾经存在生命的证据，于是他说服NASA把当时世界上最强大的电子显微镜借给他使用，这台显微镜本来是用于检查航天飞机金属壳裂纹的，ALH84001成了这台显微镜所分析的第一个陨石样本。麦基从显微镜拍摄的照片里找出了好几个非常像细菌的东西，虽然尺寸比地球上的细菌小了点，但仍然可以被认为是一种纳米级的微生物。

  麦基将这个结果写成论文投给了《科学》杂志，并将这个消息通报给了当时的美国总统比尔·克林顿。麦基的本意是想在论文发表的当天在NASA举办一个新闻发布会，向全世界公布这条消息，但克林顿的一位顾问把这个消息透露给了一位高级女郎，后者为了挣点零花钱，又把这个消息透露给了媒体，于是克林顿只好硬着头皮于1996年8月7日紧急召开新闻发布会，对外宣布美国科学家发现了火星存在生命的证据。

  这个新闻出来后果然火遍全球，很多不明真相的围观群众都认为既然美国总统都出来讲话了，这件事一定是真的。著名的美国畅销书作家丹·布朗（Dan Brown）甚至以这件事为蓝本，创作了一部非常好看的惊险小说《骗局》（Deception Point）。不过，科学界可不是这么好糊弄的，来自各个领域的科学家们纷纷站出来指责克林顿说话不负责任，这件事还远没有定论呢。果然，后续研究发现了更多的反面证据，证明麦基看到的那些微细菌很可能是某种无机化学反应带来的假象，这块火星陨石并不足以证明当年的火星上真的存在过生命。

  不过，我采访过的地质学家多米尼克·帕皮尼奥（Dominic Papineau）认为这块石头仍有研究价值，因为它很可能代表着当年火星上出现的前生命时期的地质化学状况，就像如今地幔深处的橄榄石一样，属于一块会呼吸的石头。这就引申出了一系列新的问题，那就是究竟什么样的证据才能毫无疑问地证明我们确实发现了地外生命？是否必须看到生命的具体形态才能下结论？目前的技术是否只能检测到活的生命？假如某颗行星上曾经存在过生命，那么多年之后我们能否还会检测到生命留下的分子信号？

  首先需要明确的是，仅凭形态是不足以判定生命存在的，除非我们看到的是一头大象。但实际上我们遇到的几乎所有的外星生命形态都属于微生物的范畴，出错的可能性很高。美国著名科普作家菲利普·鲍尔（Philip Ball）在2023年8月15日出版的《皇家社会学报·化学卷》（Royal Society of Chemistry）上发表了一篇评论文章，指出很多化学反应都能生成复杂而又有规律的微观形态特征，比如大家熟悉的“化学花园”（chemical garden）就是把无机盐加入硅酸钠溶液中生长出来的纤维状结构，看上去好似一朵在水中盛开的花。另外，NASA曾经试图运用人工智能来判断到底哪种形态才是生命专属的，最终这个项目遭到了彻底的失败。这件事从另一个侧面证明，起码在微生物层面，某种看似很特殊的形态和生命的存在之间没有必然联系。

  其次，某些分子信号确实可以作为生命存在过的证据，但要想找到这样一种分子并不容易。举例来说，假如我们在火星土壤里发现了一条DNA长链，那么我们有充分的理由相信它来自生命。但如果我们找到的只是一些核苷酸，恐怕我们就很难下定论，因为核苷酸完全可以通过非生命过程被合成出来。事实上，几乎每一种有机分子单体，比如核苷酸、氨基酸、多糖分子和脂肪酸分子等，都可以来自无机过程，所以仅仅检测到一些有机分子单体是远远不够的。

  同理，像磁铁矿、碳酸盐和PAHs等化学物质在地球上往往是生命留下的证据，但它们也都有可能来自某个无机过程，并不是判断外星生命存在的铁证。

  当然，如果我们只对活的外星生命感兴趣的话，那么检测起来就要容易得多，检测方法也更加多种多样。比如同位素丰度的变化和手性分子的存在与否就是两种常用的生命检测手段，准确率也比较高。但是，某些非生命过程也会偏好某一种同位素或者某一种手性的分子，所以这两个证据也都不能算是铁证，只能说概率很大而已。相比之下，化学非平衡态的存在是一个较为过硬的证据。举例来说，地球上的氧气几乎百分之百来自光合作用，地球上的甲烷有95%来自有机物的分解（比如牛打嗝），但氧气同样可以来自被阳光分解的水分子，甲烷也可以来自火山喷发，两者单独存在于大气之中都不足以说明问题。但是，假如某颗行星的大气层中同时存在大量的氧气和甲烷，那么几乎可以肯定有某种生命过程参与了这两种气体的制造，因为这两种气体共存的环境属于典型的化学非平衡态环境，如果没有生命存在的话，这样的非平衡态是很难维持下去的。

  这方面的一个最佳案例就是地球。1989年10月，NASA发射了一台名为“伽利略”（Galileo）的木星探测器。为了提高飞行速度，“伽利略号”探测器需要先飞向金星，然后再利用金星提供的引力加速度折返回来，再奔向木星。折返途中它会从地球的身边掠过，于是萨根建议NASA将探测器上的各种仪器设备都打开并对准地球，看看能否得出地球上有生命存在的结论。NASA照办，果然得出了十分肯定的结论，原因并不是因为“伽利略号”探测器拍到了地球上生命活动的照片（事实上完全没有），而是因为它成功地检测到了高浓度的氧气和甲烷气。

  不过，上述案例只能算是特殊情况，大部分时候我们只能通过望远镜来进行超远距离观测，并通过光谱仪来估算目标行星的大气成分和相对丰度。这样获得的数据误差很大，很容易出现假阴性和假阳性的结果。其中假阳性结果是最糟糕的，因为发现地外生命这件事的意义太过显著，人类是禁不起那么多假高潮的。ALH84001陨石事件让大家白高兴一场，导致后来的很多更重要的发现都没有在公众中产生应有的反响。比如NASA的“菲尼克斯着陆器”（Phoenix lander）首次在火星上发现了液态水，“好奇号”火星车（Curiosity rover）首次在火星上发现了复杂的有机化合物，以及詹姆斯·韦伯太空望远镜（James Webb Space Telescope，简称JWST）首次在一颗名为K2-18b的地外行星上发现了二甲硫醚（dimethyl sulfide）这种起码在地球上只能来自生命过程的有机化合物。这三个重大发现全都引起了学术界的轰动，但在普通民众眼里它们根本算不上什么大新闻。

  甚至在某些专家眼里，这样的事情也不值得大惊小怪。就在克林顿公布NASA发现火星生命后没几天，美国著名的古生物学家史蒂芬·杰伊·古尔德（Stephen Jay Gould）就在《》上发表了一篇题为《火星上发现生命了又能怎样？》（“Life on Mars？ So What？”）的评论文章，认为火星曾经有过生命是一件再正常不过的事情，因为生命就是碳基化合物发展到一定阶段后的必然结果。

  美国宇航局喷气推进实验室（Jet Propulsion Laboratory，简称JPL）海洋项目主管凯文·汉德（Kevin Hand）有着类似的想法。他在2020年出版的《地外海洋》（Alien Oceans）一书里指出，我们之所以要花费那么大的精力去搜寻地外生命，最主要的目的就是了解生命起源到底需要怎样的条件，是不是只有地球才符合这样的条件，以及生命到底是不是宇宙间的常态。次要目的是想知道生命是否只有地球生命这一种样式，有没有其他的可能性。火星和地球距离太近，诞生初期的环境也差不多，火星上曾经有生命这件事是一个大概率事件，根本说明不了什么问题。我们甚至无法排除早期生命通过陨石互相播种的可能性，所以即使我们真的发现了活的火星生命，也很难彻底排除地球播种的可能性。

  换句话说，汉德认为关键问题不是发现地外生命，而是找到生命的第二个起源之地。要想实现这一点，我们必须把眼光放远一点，去火星以外的地方寻找。按照天文学家的计算，水星、金星、地球和火星这4颗行星相互距离太近，不能排除互相播种的可能性。但来自这4颗行星的陨石是不太可能飞到木星的，即使有个别陨石做到了这一点，也会因为路途遥远而导致其中含有的任何生命种子全部失去活性，所以我们在木星或者土星附近发现的生命一定是独立起源的，只有这样才能帮助我们回答上述那几个关键问题，从而增进我们对生命起源的认知。

  但是，传统观念认为，木星距离太阳太远，那里是不可能有生命的。直到1977年科学家们发现了黑烟囱，这个传统观念终于被打破。

  关于生命的起源，有3个硬性条件一直没变，即碳、水和丰富的其他元素。其中碳是有机物的核心，碳原子有4个化学键，非常适合作为有机物的骨架。硅原子虽然也有4个化学键，但硅硅键的强度比碳碳键低30%，很容易断裂，所以以硅为骨架的分子远不如以碳为骨架的分子种类丰富。另外，硅分子不太容易发生相变，所以含硅的分子大都为固体形态，而碳则可以生成二氧化碳，常温下为气态，便于发生反应，这就是为什么虽然地球上的硅比碳多得多，但地球生命还是选择了碳的原因。其实宇宙中碳原子的总体丰度要比硅原子高，如果某颗行星上的环境条件适合生命起源，那么生命肯定首选碳而不是硅，所以硅基生命只存在于科幻小说家们的想象之中，真实世界里是不太可能发生的。

  同理，水是宇宙中最常见的液体，因为水分子保持液态的温度区间相当大。水分子中的两个氢原子带轻微正电，一个氧原子则带轻微负电，所以水分子是比较罕见的极性分子，这个性质使得液态水是一种非常好的溶剂，溶于水中的分子既有充分的机会通过相互碰撞而发生反应，又有足够稳定的环境可以维持某种化学状态，所以直到今天生物界的主流意见都认为生命只可能是以液态水为介质的碳基生命，其他可能性微乎其微。

  在1977年之前，大家普遍相信生命的能量来源是恒星发出的光，所以地外生命只能存在于表面含有液态水的岩石星球上，因为只有岩石星球才能提供生命所需的其他元素。要想满足表面含有液态水这个苛刻条件，该行星和恒星之间的距离必须非常适中才行，这就是所谓“宜居带”（habitable zone）这个概念的来源。宜居带的位置并不固定，和恒星的大小以及年龄有着很大的关系。太阳系里只有金星、地球和火星位于宜居带上，但今天的金星和火星都是不毛之地，表面看不到任何液态水的迹象，这说明宜居带只是表面含有液态水的必要条件而不是充分条件，具体情况还要根据行星的特征来判定。

  既然木星和土星不在宜居带内，所以早年的天体生物学家们根本就没往那方面想，而是把注意力全都集中到了金星和火星上。金星很快因为表面温度太高而被放弃，于是火星成了关注重点。但随着1976年“海盗号”火星探测器造访火星寻找生命计划的失败，NASA便对天体生物学失去了兴趣，立刻消减了相关预算。ALH84001的出现挽救了天体生物学，NASA增加了每年数亿美元的专项拨款，启动了一项名为“起源”（Origins）的地外生命探索项目，其结果就是“勇气号”（Spirit）、“菲尼克斯号”（Phoenix）、“机遇号”（Opportunity）、“好奇号”（Curiosity）和“毅力号”（Perseverance）探测器相继登陆火星，以及哈勃太空望远镜（Hubble Space Telescope）和JWST的升空。

  1992年，第一颗太阳系外行星被发现。之后，天文学家们利用哈勃和JWST这两台天文望远镜又发现了5500多颗系外行星（exoplanet），证明大部分恒星系内部都是有行星的，太阳系绝不是宇宙间的一个特殊的存在。但是，因为距离太过遥远，缺乏有效的观测手段，科学家们仅仅发现了100多颗位于宜居带内的所谓类地行星，而且证据并不充分。于是，大家又把注意力转回到了太阳系。

  事实上，即使出于纯粹天文学方面的考虑，NASA也不可能放弃木星和土星。1973年，NASA发射的“先驱者10号”（Pioneer 10）行星探测器便已成功到达木星，成为第一个穿越火星与木星之间的小行星带的人造飞行器。不久之后，“先驱者11号”（Pioneer 11）也穿过了小行星带，成功到达土星，它俩传回的木星和土星的近距离照片让人类第一次看到了这两颗神秘行星的线年，NASA发射的两艘“旅行者号”（Voyager）深空探测器再次飞出小行星带，并造访了木星的几颗卫星。“旅行者号”传回的图像让科学家们大吃一惊，其中木卫二（Europa）的表面极其光滑，既没有陨石坑又没有火山口，但它又不是气态行星，因此只能有一种可能的解释，那就是其表面覆盖着一层厚冰，陨石撞击的历史痕迹都被融化的冰水抹平了。这个发现立刻引起了天体生物学家的兴趣，因为美国科学家刚刚在两年前发现了海底黑烟囱，彻底改变了人类对生命宜居带的认知。众所周知，固态的水比液态的水轻，所以冰总会漂在上面，为下层的液态水保温。如果木卫二冰盖下面真的有液态水的话，兴许也会存在海底热液喷口，这就有可能成为大家期盼已久的生命的第二个起源之地。

  但是，木卫二距离太阳非常遥远，从太阳接收到的光极其微弱，所以木卫二的表面平均温度只有-171℃。如果没有强大的内部热源的话，再厚的冰层也会被冻得死死的。地球内部之所以保持着高温，是因为地球体积巨大，内部的核聚变燃料一直没有烧完。可木卫二比月球还小一圈，其内部的核燃料应该早已燃烧殆尽了。

  好在天无绝人之路，两位美国天文学家研究了木星卫星的轨道，发现它们全都非常扁，这就意味着卫星和木星之间的距离变化幅度相当大，导致卫星受到的木星引力的变化幅度也相当大。众所周知，月球和地球之间的引力差是潮汐的动力来源，但因为月球的绕地轨道相当圆，所以潮汐力不够大。1979年，来自NASA等机构的3位美国科学家计算了距离木星最近的木卫一（Io）所受的潮汐力，得到的结果是每平方米2400瓦，几乎和金星受到的太阳辐射强度差不多了。于是3位科学家把这个计算结果写成一篇论文，预言如此强大的潮汐力会把木卫一表面的水蒸发殆尽，并使其内部的岩石常年处于相互摩擦的状态，岩石摩擦产生的热量足以将岩石本身熔化成为岩浆，把木卫一变成一个火山频繁爆发的星球。就在论文发表后没几天，NASA收到了“旅行者1号”发回来的木卫一照片，证实了他们的猜测。如今我们知道，木卫一是整个太阳系当中火山活动最频繁的行星，其爆发频率远比体积比它大得多的地球要多得多。

  1.土卫二，2.土卫六，3.木卫三，4.木卫一，5.木卫四，6.木卫二

  这三位科学家还计算了其他几颗木星卫星所受到的潮汐力，结果表明木卫二和木卫三（Ganymede）所受到的潮汐力要比木卫一小，但也足以保证其表层冰壳下面的水维持液体状态。再加上这两颗卫星的质量和密度也适中，说明它们的核心是岩石，这就具备了形成海底热液喷口的条件。

  以上都是根据轨道数据所做的计算，真正获得确凿证据的是前文提到的“伽利略号”木星探测器。这颗探测器是专门为木星设计的，在报废之前一共围绕木星转了8年之久，收集了大量关于这颗行星及其卫星的数据。“伽利略”专门携带了一台近红外测绘光谱仪（NIMS），用于分析行星表面的化学成分，结果证明木卫二表面确实是水冰，而且混有硫酸盐和氯化钠，说明冰面下很可能是与地球海洋类似的富含矿物质的咸水。

  接下来，NASA动用了由设在加州巴斯托、西班牙马德里和澳大利亚堪培拉的3处地面基站所组成的深空网络（DSN），精确追踪了“伽利略”的飞行轨迹和飞行速度，计算出了木卫二的转动惯量（moment of inertia），得知它的核心是一个600公里半径的铁核，中间是岩石层，最外侧是一个厚达80～170公里的水层。如果水层中有一部分是液态的，那么这层含盐液态水在转动时就会影响到周围的磁场，于是NASA又通过测量木卫二的磁场变化，最终证明了之前的猜测，即木卫二的冰层下面确实有一个含盐的液态水层，而且水层下面是坚硬的岩石。

  所有这些测量完成于2000年，白烟囱正巧也在那一年被发现了。一方面，罗素和马丁在白烟囱的基础上正式提出了生命起源的碱性热液喷口假说。另一方面，NASA的天体生物学家证明木卫二的冰层下面很可能存在一个和地球非常类似的深海环境，不把两者联系起来是不可能的。

  2005年，又一个天大的好消息从土星那边传回了地球。由NASA负责制造的土星探测器“卡西尼号”（Cassini）对土卫二（Enceladus）进行了一番细致的测量，发现它也很可能拥有一个地外海洋。不但如此，“卡西尼号”还拍到了土卫二上存在羽流（plume）的证据。这是从星体内部喷出的水蒸气柱，以每小时1290公里的速度从土卫二的南极点附近一直喷到了160公里高的外太空，这就为天体生物学家们提供了一个难得的采样地外海水的机会。

  问题在于，科学家在设计“卡西尼号”时并没有预见到羽流的存在，因此也就没有事先做好采样的准备。但“卡西尼号”团队的科学家没有放过这个千载难逢的机会，他们经过精心计算，修改了“卡西尼号”的轨道，终于让它以正确的姿态从羽流上方通过，然后利用探测器上搭载的一台质谱仪（mass spectrometer）测量了水蒸气的成分，发现其中含有水、二氧化碳、甲烷、乙烷和丙烷等小分子化合物，和白烟囱喷出的物质非常相似。

  这个结果震惊了科学界，但很快有人指出彗星的尾巴也有可能产生类似的结果。于是“卡西尼号”团队再次调整飞行轨道，又一次接近羽流，用搭载的一台宇宙尘埃分析仪（cosmic dust analyzer）对水蒸气进行了第二次采样，发现其中含有氯化钠、硫酸镁和氯化钾等盐分。已知绝大部分彗星都不含盐分，这就排除了彗星尾巴可能造成的数据污染，证明土卫二喷出来的水蒸气极有可能来自一个和地球海洋非常相似的地外海洋。

  更妙的是，这台宇宙尘埃分析仪还发现了氧化硅的踪迹，这种物质通常是岩石的一部分，说明这股羽流很有很大的可能是从岩石海床的下面喷出来的，类似黑烟囱或者白烟囱。大家当然更希望看到白烟囱，而地球上的白烟囱的一个关键特征是其中含有大量氢气。那么，土卫二喷出的水蒸气里是否含有氢气呢？为了解答这个问题，“卡西尼号”团队不得不再次冒险，让探测器以一个特定的角度高速穿过羽流，发现其中的氢含量大大超过了预期值。要知道，氢原子是宇宙间最常见的原子，质谱仪测出的氢原子很可能有多种不同的来源，所以这个高于预期的结果足以证明的确有氢气从土卫二的海底喷了出来。

  最后这次羽流穿越发生在2015年10月，当计算结果出来时，全世界的天体生物学家一片欢腾，大家意识到他们极有可能发现了另一个地外海底碱性热液喷口。如果真是这样的话，那么无论是否发现生命都将是生命起源研究领域的重大成果。

  截止到目前，科学家们一共在太阳系内发现了6颗有可能存在液态水的固态行星卫星。除了前文提到过的木卫二、木卫三和土卫二之外，还有木卫四（Callisto）、土卫六（Titan）和海卫一（Triton）。其中土卫二似乎是最有希望的一个，不但因为它的各方面条件都更合适，还因为它的表面存在羽流，方便科学家采样。如果需要钻探的话，土卫二南极点附近的冰盖只有约13公里厚，下层海水的深度在26～31公里之间，相对而言都不算太难。唯一的问题是土星距离地球有点远，所以目前的地外海洋探测计划大都集中在木星周围。

  其中木卫二肯定是科学家们的首选，它的各方面条件也都不错，而且后来发现它的表面也会喷出羽流。木卫二的冰层厚度目前尚不确定，但主流意见认为应该不到10公里厚，算是比较薄的了。根据JWST的最新研究，木卫二喷出的羽流甚至可以喷到一万公里的高空，这就为探测器收集水蒸气样本提供了很大的方便。另外，一项新研究显示，木卫二的海洋里含有磷元素，这是地球生命起源的一个短板，但对木卫二来说似乎不是问题。木卫二还有一个优点非常重要，那就是它的年龄比土卫二长得多，这就为生命起源提供了更加充足的时间。所有这些优点加起来，使得木卫二成为目前地外海洋探索的重中之重。

  NASA早在2010年就计划发射木卫二探测器，但因为国内经济出了问题，美国国会消减了NASA的预算，这项计划被搁置。好在3年后国会增加了拨款，木卫二计划重启，其结果就是2024年秋天即将发射的“欧罗巴快船”。

  欧洲航天局（ESA）则把关注重点放在了木卫三身上。按照计划，2023年4月发射的“果汁”探测器（Jucie)将先花几年的时间拜访木星的其他几颗卫星，然后于2034年12月进入木卫三的轨道，对它进行为期一年的专项考察。木卫三是太阳系里体积最大的卫星，甚至比水星还要大。它还是太阳系里唯一自带磁场的卫星，这一点也让它显得与众不同。问题在于，木卫三的水含量高达40%，如此多的水在木卫三表面形成了一个800公里厚的水层，很可能会导致海底的水压超过了临界值，变成了一层高密度的水冰。如果真是这样的话可不是一件好事，因为这层水冰妨碍了海水与岩石的直接接触，热液喷口也就无从谈起了。

  木卫四和木卫三很像，海底很可能也有一层因高压而形成的水冰，所以木卫三和木卫四含有生命的可能性相对较低。不过这个结论是根据目前的观测结果推断出来的，期望“果汁”会给我们带来一些意想不到的惊喜吧。

  按照计划，“果汁”完成自己的使命后，将于2035年以“自杀”的方式主动坠毁于木卫三表面，就像它的两个前辈一样。“伽利略号”探测器已于2003年9月21日主动坠毁于木星，而“卡西尼号”探测器则于2017年9月15日主动坠毁于土星，完成了各自的使命。这么做主要是为了保护木卫二和土卫二这两颗最有希望诞生生命的卫星，防止探测器上的有机物质污染了那里的地外海洋。

  “欧罗巴快船”的命运还未确定，NASA将会根据情况选择坠毁于木卫三或者木卫四，其目的同样是为了保护木卫二免遭污染。不过，NASA计划于2027年发射一台木卫二着陆器（Europa Lander），上面会搭载一架“蜻蜓号”（Dragonfly）无人机。按照计划，木卫二着陆器和“蜻蜓号”无人机将会于2034年到达木卫二，届时人类将会有很大机会知道这颗卫星上到底有没有进化出生命。

  说到着陆器，那就必须提一下“惠更斯号”（Huygens）。这是ESA负责建造的土卫六探测器，当年跟随“卡西尼号”一起飞到了土星附近，然后“卡西尼号”直奔土卫二，“惠更斯号”转去了土卫六，并用自身携带的降落伞于2005年1月14日安全降落到了土卫六表面。

  这是迄今为止成功完成地外软着陆的距离地球最远的着陆器，具有划时代的意义。这件事之所以成立，一是因为土卫六是太阳系里唯一自带稠密大气层的卫星，而且其地表大气密度是地球的1.5倍，所以“卡西尼号”只需一个降落伞就可以安全着陆，无需携带额外的燃料用于降速。二是因为土卫六看上去实在是太像地球了，难免让人产生很多美好的联想。根据“伽利略号”探测器拍到的影像，土卫六表面既有高山峡谷又有河流湖泊，甚至还有云彩，会下雨，看上去几乎与地球无异。可惜“惠更斯号”着陆器传回的数据清楚地表明，土卫六表面的液态物质不是水，而是甲烷，因为土卫六的表面温度接近-180℃，只有甲烷还能保持液态。甲烷不像水分子那样具有两亲性，所以液体甲烷不是一种很好的溶剂，很难想象生命会从这里诞生。

  不过，天体生物学家们并没有完全放弃土卫六，他们认为人类对生命的定义太过狭隘了，也许液体甲烷能够孕育出某种我们不熟悉的生命形态。这就引发了一个更深层次的问题，那就是我们应该如何去寻找那些和地球生命不一样的全新生命。

  天体生物学界有个流传甚广的笑话：如果一个人在深夜丢了钥匙，他肯定会先去路灯下寻找。这个笑话的大意是说，地外生命搜索者们往往只会以自己最熟悉的地球生命为模板，去寻找所谓的生命印迹（biosignatures）。但地外生命很可能没有DNA或者RNA，也不用蛋白质作为催化剂，对于这样的生命形态，地球上适用的生命印迹就不管用了。

  这就涉及我们应该如何定义生命这个根本性问题了。目前天体生物学界普遍采用NASA于1992年提出的定义，即“生命是一个能够发生达尔文式进化的自我维持的化学系统”。但这个定义里的“自我维持”和“达尔文式进化”都属于过程性描述，很难被直接观察到，于是大家又提出了很多更具实操性的生命定义，比如化学不平衡态或者超复杂结构等等。以色列遗传学家爱德华·特里冯诺夫（Edward Trifonov）曾经于2011年将大家提出的生命定义列成了一张表，居然超过了100条。经过一番细致的比对之后，特里冯诺夫提炼出了一个最简单的定义：生命就是一个会出错的自我复制系统。

  按照这个新定义，生命不一定是碳基的，也不一定非得依靠氧化还原反应来获取能量，这就给地外生命搜索者们提出了一个新的挑战：如果这条街上根本就没有路灯，我们应该到哪里去找钥匙呢？

  为了解决这个问题，苏格兰格拉斯哥大学（University of Glasgow）的李·克罗宁（Lee Cronin）和美国亚利桑那州立大学（Arizona State University）的萨拉·沃克（Sarah Waker）共同提出了组装理论（Assembly Theory），试图从生命分子的构建过程中去寻找生命的印迹。

  这个理论首先假定，无论地外生命采取怎样的方式复制自己，它们一定会进化出和地球上的有机物相提并论的复杂分子，这些复杂分子不可能凭空产生，而是必须从最简单的原子开始，以化学键作为胶水，一步一步地组装起来，组装理论研究的就是这个组装过程。

  苏格兰格拉斯哥大学的李·克罗宁教授和他的价值100万美元的质谱仪（袁越 摄）

  为了了解组装理论的来龙去脉，我专程去格拉斯哥大学采访了克罗宁教授。他中等身材，头发凌乱，说话时手舞足蹈，语速极快。“组装理论的灵感来自我多年前的一个疑问，那就是原子之间的组合方式如此之多，为什么我们只看到了少数几种？”克罗宁开门见山地对我说，“后来我意识到，这些原子在组装过程中的每一步都经历了某种选择，正是这一步一步的选择过程，最终导致了一个特定的结果。”

  克罗宁拿出一支粉笔，在黑板上画了起来：假设我们有3个原子abc，它们可以有各种不同的组装方式，比如abc、acb、bac等等。假设因为某个简单的原因，比如结构更稳定，或者合成起来更方便等，导致abc这个组合更容易出现并存活下来，我们就会看到abc的数量开始增加，超过了acb或者bac等等。之后，假设我们又有了一个新的原子d，理论上它完全可以安插在任何一个原子之后，但假设只有当它安插在c的后面时才最稳定，于是我们就会看到更多的abcd，其他各种可能的组合都不见了。

  这个组装过程可以一直进行下去，我们可以因此而得出一个结论，那就是组成一个分子所用的原子越多，需要做出选择的步骤也越多，这个分子也就越复杂。为了衡量一个分子的复杂度，克罗宁引入了组装系数（Assembly Index，简称AI）这个概念，即构建某个分子所需的最少步骤。AI值越高，这个分子就越复杂。

  “我们在2021年的《自然通讯》上写了篇论文，介绍了AI这个概念。但当时我们没有把拷贝数考虑进来，所以论文遭到了很多人的批评。于是我们做了修改，引入了拷贝数这个参数，又写了一篇论文投给了《自然》，结果这篇论文成了2023年被下载次数最多的《自然》论文之一。”

  1924 年，美国政府设立“全国无线电静默日”，其间三名华盛顿科学家研究用无线电摄像机捕获的无线电信号

  我读过这篇论文，大意是说，构建某个分子所需的组装步骤越多，这种分子的存在概率就越低，除非它经历过某种选择机制。换句话说，如果我们在某个外星球上发现了一种AI值很高的复杂分子，这件事本身不能说明任何问题。但如果我们发现这个分子存在多个拷贝，那么我们就可以认为一定有某种生命形式参与了这个分子的合成过程。

  “让我用乐高积木来打个比方，也许这样更容易理解。”克罗宁对我说，“假设我们有一个由1000个模块组成的乐高积木，其组合方式是个天文数字。如果让一个啥都不懂的小孩来搭积木的话，那么每次的结果肯定都不一样。但如果让一个成年人来组装的话，因为他知道如何看图纸，也对最终的成品（比如城堡）有了解，所以他一定会把这1000个模块组装成一座城堡，而且每次重新组装都会是同一个结果。对于一个外星人来说，他不知道城堡应该长什么样，所以他看到一个小孩子随便搭出来的乐高积木不会有任何特殊的想法。但假如他看到很多一模一样的乐高积木，那么他一定会认为这是某个智慧生物组装出来的东西，因为这些组装过程不可能都是随机的。”

  “这个道理似乎很简单，以前应该有人想到过吧？”我问克罗宁，“我看到网上有人评论说，你这个理论就是柯氏复杂度（Kolmogorov Complexity）理论的翻版，只不过用了一个新名字而已。”

  “确实，我那篇论文出来后得罪了很多人，包括物理学家、进化生物学家、生命起源研究者、复杂系统研究者和宗教界人士在内的很多人都很愤怒。但当我看到大家如此愤怒时，就意识到自己确实创造了一个全新的领域。”克罗宁自豪地对我说，“很多人指责我重新发明了轮子，但他们根本就没有看懂我的论文。我不仅仅提出了一个新的理论，还提出了一个可验证的计算方法。这就好比说以前大家都知道重力的存在，但不知道如何计算它，直到牛顿出现。如果我的这个方法最终被证明是正确的，以后我们就可以用这个方法去宇宙中寻找我们不熟悉的新生命了。”

  克罗宁的这股傲气和马丁非常像，他也和马丁一样特别喜欢边写边讲。他用粉笔在黑板上迅速写下了一个公式，等式左边是组装值（A），代表某个分子在形成过程中所需经历的选择次数。等式右边是一个包含AI值和拷贝数在内的函数公式，可以通过实验计算出来。克罗宁解释说，在分子量较小的情况下，一个分子的AI值大致和它的分子量成正比，即分子量越大的分子就越复杂。但当分子量变得越来越大时，分子量和复杂度之间的关系就变模糊了。比如有个分子是AAAA，另一个分子是ABCD，两者的分子量相似，但前者只是一个基本单元的简单重复，AI值很低，后者包含4个不同的组分，AI值却很高。于是他发明了一套算法，可以用质谱仪推断出某个未知分子的AI值，然后代入公式，算出它的组装值。

  顾名思义，质谱仪可以测出分子的质量谱系，即该分子含有多少不同的组分，以及各个不同组分的含量分别是多少。我们可以把质谱仪简单地理解成一台硬币计数器，只要把一袋硬币扔进去，它就会按照分值的不同自动地把硬币分成1分、2分、5分、1角和5角这5个不同的组，在仪器上显示出5个尖峰，峰值的高低代表每组硬币的数量。克罗宁用质谱仪测量了一系列已知结构的分子，将这些分子的AI值和质谱仪测出的尖峰个数拟合成一条曲线，然后就可以根据这条曲线估算出未知分子的AI值了。这个分子的拷贝数则和质谱仪的灵敏度有关，这就相当于把拷贝数这个变量也带入了公式，算出的组装值能够很好地反映出该分子的选择次数。选择次数越高，说明该分子就越有可能来自生命活动。

  接下来，克罗宁和他的同事们用这套方法测量了大量样本的组装值，结果表明地球生命的组装值阈值是15，即凡是等于或者高于15的样本全都来自生命过程，比如细菌培养液、植物浸出液和一些化石样本等。凡是低于15的样本则大都不含有生命成分，比如大部分岩石和陨石样本。不过，一些年代过于久远的古生物化石测出的结果低于15，这是因为多年的高温高压作用导致其内部含有的有机物全都被分解殆尽了。换句话说，这个方法有时会出现假阴性结果，但基本上不会出现假阳性结果。不过，正如前文所说，生命起源研究领域最怕假阳性，不怕假阴性，所以这个特点反而成了组装理论的一大优势。

  值得一提的是，克罗宁用这套方法测量了尤里—米勒实验剩下的残渣，得出的结果是阴性的，说明这个实验产生的有机物全都是随机生成的焦油，距离生命还差得很远。

  “组装理论有三大应用，一是帮助NASA寻找外星生命，尤其是我们不熟悉的陌生生命。”克罗宁对我说，“可惜高质量的质谱仪都非常笨重，不太可能发射到其他行星上去，所以我特别希望NASA能够把火星样本送回地球，这样就可以用我们的质谱仪测一下，看看结果是什么。”

  不过，这件事难度很大，起码还得再等上好几年，于是克罗宁尝试用远红外光谱法（infrared spectroscopy）来代替质谱仪。如果成功的话，JWST就可以派上用场了。

  “第二个应用是在实验室里复现生命起源的过程，我希望能说服公众相信生命是无处不在的。”克罗宁带我去参观他的实验室，指着一台插满了管子的设备对我说，“这台机器正在做这件事，全部操作都由机器人来完成，这就杜绝了人类实验员不可避免的个人偏见。”

  据克罗宁介绍，这台机器能够把各种不同的原始大气组分输入一个富含金属催化剂的反应炉里，模仿早期地球的原始汤。机器背后连接着一台质谱仪，负责实时测量反应物的组装值，机器人所干的事情就是试验各种不同的小分子组合，看看哪一种组合获得的组装值更高，然后想办法强化这个组合，帮助系统不断进化，看看能否制造出新的生命。

  “运行我这个实验室每年需要300万至400万美元，光是一台质谱仪就需要100万美元。”克罗宁自豪地对我说，“我很会搞钱，因为我知道如何把理论和实际应用联系起来。比如组装理论可以用于分析化合物的结构，帮助制药厂寻找新药，所以很多大公司都愿意给我钱。”

  “不过，我最擅长的事情是提出宏大的理论。”克罗宁补充道，“比如组装理论的第三个应用就是提供了一个关于生命本质的全新解释，我甚至希望用这个理论来代替物理学，成为解释这个复杂世界的终极理论。”

  克罗宁认为生命的本质不是抵抗熵增，而是寻找选择，生命就是组装过程中的一次次选择的必然结果。他最喜欢用的一个词是“contingency”，这个词最常用的中文翻译是“偶然性”，但在他的语境里，这个词指的是关于未来的各种可能的状态，这些状态无法用一般物理学加以推断，只能通过一次次的选择逐渐揭示出来。

  比如，物理学无法告诉我们未来的生命究竟会进化成什么样子，因为物理学是一门没有时间和历史的学问。生命在进化过程中的每一次改变都是由环境的改变所触发的，生命会根据自己积累的历史记忆做出针对性的选择，然后被这个选择引向一条无法预测的道路，并在这个过程中逐渐变得复杂。

  “不但生命如此，非生命也一样。组装值是一个连续的谱系，说明生命与非生命之间很可能并没有明确的边界。”克罗宁对我说，“世界上为什么会有这几样东西，却没有那几样东西？这就是选择在起作用的证据。世间万物每时每刻都在进行存在竞争（a competition to exist），只要某种组装方式提高了存在的可能性，它就会被保留下来。另外，所有这些选择都需要时间。如果我们正真看到这个世界变得越来越复杂，这就是时间存在的证据。”

  听来听去，我感觉克罗宁其实就是想把达尔文的自然选择学说扩展到其他领域，变成关于这个世界的普世理论，这一点确实和很多前辈大师的想法是一致的。

  “所有的选择过程都和信息有关，每做一次选择，就增加了一个信息点，所以越是复杂的东西，包含的信息就越多。”克罗宁对我说，“我不知道为什么地球生命的阈值是15，但我猜这是因为超过15的分子进化出了某种复制机制，极大地增加了信息的保存和扩散能力。同样的道理也适用于人类社会的进化，比如我相信文字的出现加速了人类文明的进化，因为文字更高效地储存了人类积攒的信息。”

  信息也是克罗宁经常提到的词，他相信只要信息能够不断地积累并扩散，这个世界就会变得越来越复杂有趣，人类社会就会发展出无限的可能性。事实真的是这样吗？让我们再次重温一下地球生命的进化史，看看生命除了信息，还需要些什么。

  1924年8月底，美国政府颁布了一条法令，要求广播电台每小时停播5分钟，以免错过来自火星人的信号。原来，那几天正好是近百年来火星距离地球最近的一次，当时有人通过望远镜看到火星上有很多类似河流的线条，认为那就是火星人挖的运河，于是美国人相信火星上一定有人居住，而他们也一定会试图通过无线电波跟地球人取得联系。

  这件事说明了一个颠扑不破的真理，那就是人类最擅长从自己的视角来揣测别人，甚至连火星人都逃不过这个宿命。

  犹豫不决的米勒跑去请教自己的导师哈罗德·尤里，后者是的同情者，他让米勒自己作决定，但却警告他要小心后果，“谁也不知道麦卡锡会干出什么样的事情来”。最终米勒还是决定去莫斯科参加会议，果然美国中央情报局（CIA）立刻找上门来，要求米勒汇报苏联在生命起源领域的进展，因为CIA担心苏联人在这个领域超过美国。

  其中碳是有机物的核心，碳原子有4个化学键，很适合作为有机物的骨架。硅原子虽然也有4个化学键，但硅硅键的强度比碳碳键低30%，非常容易断裂，所以以硅为骨架的分子远不如以碳为骨架的分子种类丰富。另外，硅分子不太易发生相变，所以含硅的分子大都为固体形态，而碳则可以生成二氧化碳，常温下为气态，便于发生反应，这就是为什么虽然地球上的硅比碳多得多，但地球生命还是选了碳的原因。其实宇宙中碳原子的总体丰度要比硅原子高，如果某颗行星上的环境条件适合生命起源，那么生命肯定首选碳而不是硅

  桂子山下划线月底，美国政府颁布了一条法令，要求广播电台每小时停播5分钟，以免错过来自火星人的信号。原来，那几天正好是近百年来火星距离地球最近的一次，当时有人通过望远镜看到火星上有很多类似河流的线条，认为那就是火星人挖的运河，于是美国人相信火星上一定有人居住，而他们也一定会试图通过无线电波跟地球人取得联系。这件事说明了一个颠扑不破的真理，那就是人类最擅长从自己的视角来揣测别人，甚至连火星人都逃不过这个宿命。