科學之謎：真有外星人嗎？

莎士比亞說，人類是宇宙的精華。如果這句話是對的，那麼人類是宇宙中唯一的精華嗎?會不會有比人類更高級的生命呢?最近，英國科學家給出了一個與眾不同的說法。

莎士比亞曾經借哈姆雷特之口，這樣表達了人類的自豪：人類是宇宙的精華!但隨著我們的視野伸向太空，才逐漸感到，在宇宙深處，可能還存在著更高級的智慧生命，我們不過是一個「小角色」而已。但要證實這個猜測，最好的辦法還是找到我們的宇宙夥伴——外星人。

為了儘快找到外星人，半個多世紀以來，人類什麼手段沒試過：我們研製的空間望遠鏡功能越來越強大，可以把天空掃個遍;我們殫精竭慮地設計了各種信號，向外星人發去問候……但多少次我們從驚喜的巔峰摔到了失望的谷底。譬如1960年代，科學家就一度把脈衝星信號看作了空間小綠人給我們的迴音。至於家門口的那個「火星叔叔馬丁」讓我們魂牽夢繞了多少年，那就更別提啦!

可是另一方面，隨著高性能望遠鏡緊鑼密鼓的搜尋，越來越多類地行星進入我們的視野。儘管迄今還沒有發現一顆跟地球完全一樣的行星，但種種跡象表明，宇宙中適宜生命棲居的行星並不罕見。

這就把我們帶回到了一個由來已久的謎團：既然宇宙中有很多適宜生命居住的家園，那麼為什麼找不到外星人呢?

當然也有人曾提出過種種開脫的理由：或許外星文明還沒有來得及到外星球殖民，就毀滅啦;或許即便萬事俱備，生命也很難產生——比如有人就提出，地球上的生命種子並非「土生土長」，而是來自太空……但這些觀點總是不能讓人信服。

既然不能通過外部來回答這個問題，那麼能否通過審視地球生命，來找到一點線索呢?

上篇 生命誕生並不難

生命需要能量的支撐

誰都知道，要想活命，就要吃東西。我們所吃的食物最後都轉化為了給細胞提供動力的「燃料」。但對於現代細胞來說，這「燃料」的利用是極其複雜的，而且這一套複雜的機制，本身就是進化的產物，對於原始生命來說，顯然並不具備。

那麼地球上產生原始生命所需的能量來自何處?傳統觀點是：來自閃電或者紫外線的輻射。

這些觀點靠譜嗎?

先來看閃電。首先，閃電釋放能量的特點是時間短、能量大，但無法收集和儲存，我們至今還沒有發現任何一種細胞或動植物能獲得這種形式的能量。原始生命恐怕也無法獲得這種能量。

那麼紫外線呢?的確，今天個別單細胞生物和大多數的植物都能通過光合作用從太陽獲得能量，但光合作用涉及的過程很複雜，最初的生命應該也不會具有此項本領。

那麼最早的生命又是如何獲得能量的呢?

對此，可供我們探索的有兩條線索：第一條線索來自對現代單細胞生物基因組的比較和研究。通過這種比較，我們可以為它們建立「族譜」，追溯它們共同的祖先。研究表明，最早的細胞很可能是從H2和CO2的反應中獲得碳和能量的。這個反應除了直接生產有機分子，還能利用釋放的能量，把小分子「串接」成有機高分子，而生命的物質基礎正好是複雜的有機高分子。

第二條線索來自對細胞能量產生機制的研究。科學家通過研究認為，細胞可以靠一種電活動來獲得能量。這個觀點是1961年由英國生化學家彼得·米切爾提出的，但因為太出人意料，在爭論了近20年之後才被大家所接受。

生命離不開電活動

米切爾提出，在現代的多細胞生物中，細胞獲得能量靠的是一種電活動。具體說來，靠的是線粒體內膜兩側因H+濃度不同而產生的電位差。因為H+帶正電荷，在膜兩側由於濃度的不同就形成了大約150毫伏的電位差。這聽起來似乎不算多，但考慮到膜的厚度大概只有1毫米的500萬分之一，所以這個電場的強度是極其驚人的，能達到3千萬伏特/米，與閃電相當。單細胞生物完全可以用它來驅動鞭毛運動，或者用來提供其它動力。至於單細胞生物，雖然它們體內沒有線粒體，但上述能量產生機制依然存在，只是產生電位差的不是線粒體膜，而是細胞膜。

米切爾的這個理論後來得到了證實，他因此榮獲1978年諾貝爾生理或醫學獎。

雖然這套能量產生機制對於現代細胞來說也是極其複雜的，但既然它為單細胞和多細胞生物所共有，那麼可以推測，最早的單細胞生物也完全可以利用這個機制產生能量，只是這套機制當時還沒有變得像現在一樣複雜而已。這就好比一架機器，開始比較簡單，經過世代的改進，如今已變得精巧複雜，但其基本的工作原理卻從一而終，沒有太大的變化。

誕生生命的搖籃

那麼，早期生命是如何完成今天需要很複雜的機制才能勝任的這一工作的?科學家想到了深海熱液。

提起「深海熱液」，許多人立馬會想起海底的黑煙囪，這種黑煙囪存在於海底火山口附近，這種熱液是酸性的。但我們這裡指的是一種鹼性的海底熱液，它靠海水滲進地幔中的橄欖石礦而形成。

橄欖石和海水反應，生成蛇紋石，這個過程叫「蛇紋石化」。這一過程會產生鹼性溶液(也就是H+濃度較低的溶液)和氫氣。當它們鑽出地殼，與寒冷的海水接觸，裡面溶解的礦物就析出來，形成像塔一樣的白色煙囪。這樣的煙囪，為「孵化」生命提供了有利條件。

讓我們不妨穿越時空，回到40億年前生命曙光乍現的時候，考察一下當時地球的環境。

那個時候，如果有氧氣，也一定非常稀薄，因為大氣中的氧主要來自植物的光合作用，而那個時候還沒有植物。所以，在那種缺氧的條件下，鐵不易被氧化，海洋富含鐵。那時CO2或許比現在還多，更多的CO2溶於水，意味著海洋顯酸性，海水富含H+。

試想一下，在這樣的環境下會發生什麼事情?在多孔的海底煙囪，有很多像細胞一樣的小室，裡面彼此相通，其表面由一層礦物薄膜與海水隔開。這層薄膜富含鐵、鎳和硫化鉬等礦物，而這些礦物是著名的催化劑，至今依然被細胞利用(當然，它們被包含在了蛋白質之中)來催化把CO2轉變成有機分子的反應。

橄欖石蛇紋石化的過程中產生的富含氫氣的熱液，自然會滲進這些小室。這樣，在礦物薄膜的內側，是H+濃度較低、呈鹼性的熱液，在外側則是H+濃度較高、呈酸性的海水。內外因H+濃度不等，形成了電位差。假如膜很薄，形成的電場可以非常強。

本來，一般來說，要讓CO2和H2發生反應是很難的：即使用鐵等催化劑，也要在高溫下才能進行。但科學家注意到，在活細胞中，一旦有生物膜形成的高壓電場參與，這個反應的門檻就會大大地降低了。

生命誕生並不難

現在，再讓我們一起來盤點一下這些小室周圍究竟有些什麼：首先，從反應材料來說，海水富含CO2，熱液富含H2;其次，從反應條件來看，小室的礦物薄膜富含鐵、鎳等催化劑，而且在膜兩側又可形成足堪與閃電相當的高壓電場。反應材料和條件都已經一一齊備!所以，把CO2和H2合成有機分子的反應應該很容易發生，反應釋放的能量又用於把有機小分子「串接」成氨基酸、糖和核甘酸等有機高分子。

由此來看，生命誕生所需要的條件和過程並不複雜，遠非什麼破壞熱力學第二定律的神秘現象，而是星球上自然狀態的不平衡所導致的必然結果。這個不平衡主要表現在礦物薄膜兩側海水酸鹼度的失衡上。

當然，我們得承認這幅圖景還有很多空白需要填補，許多細節還有待搞清楚。但不妨暫時先考慮大的方面。根據這幅圖景，生命起源所需的「採購單」其實很簡單：橄欖石、水和CO2。而水和橄欖石是宇宙中最豐富的物質之一。在太陽系中，許多行星的大氣富含CO2，這說明，CO2在宇宙中也很普遍。所以這種自發的反應，可以大規模地發生在任何有水有橄欖石的行星上。

所以，從這一切我們可以預測，一旦星球的條件具備(譬如行星冷卻到合適溫度)，單細胞生物的出現就不可避免。無怪乎，地球上的單細胞生命在地球誕生不到5億年之後就迫不及待地出世了。

下篇 複雜生命產生不易

巨大的鴻溝

那麼此後發生了什麼?人們通常認為，一旦單細胞生物出現，只要給予合適的條件，它必然就會逐漸進化成更複雜的多細胞生物。

但這件事在地球上有些蹊蹺。當然，毫無疑問，地球上的多細胞生物是由單細胞生物進化而來的，但其間經歷了超乎尋常的延宕，大約過了相當於地球年齡一半的時間，複雜的多細胞生物才開始出現。而且，單細胞生物進化成多細胞在40億年的進化歷史上僅發生了一次。這一切都暗示著，單細胞生物變成多細胞生物或許是進化史上一次極為稀罕的偶然事件。

再者，如果說單細胞生物是通過數十億年的時間緩慢進化成多細胞生物的，那麼就應該存在一系列中間狀態的細胞，甚至它們的後代有些至今還存在，但這種中間狀態的生命至今沒找到。

相反，在單細胞生物和多細胞生物之間，橫亘著一條巨大的鴻溝。一邊是細菌，不論體積還是基因組的規模而言都非常小;而另一邊是體積龐大、行動笨拙的真核細胞，一個典型的真核細胞體積大約是一個細菌的1500倍，基因組也差不多是這個倍數。假如把細菌比作輕巧的戰鬥機，那真核細胞就好比航空母艦。

地球上所有複雜的生命，動物也罷，植物和真菌也罷，都是真核生物，它們是由共同的祖先進化而來的。所以，假如沒有發生一次性產生真核細胞祖先的事件，那就沒有植物，沒有魚，沒有恐龍和我們靈長類。

低級生命「升級」難

低級生命「升級」為高級生命很難，其實是因為細菌本身就缺少能夠進化成真核細胞生物的合適構造，或者不妨說，它們先天不足。

如最近，一些科學家收集了各種細胞新陳代謝率和基因組的數據，並據此計算了一下，假如細菌要想「升級」——長得更大些，需要消耗多少能量。他們發現，倘若讓一個細菌的體積和基因組擴大到一個真核細胞般大小，那麼每個基因平均可以利用的能量只及真核細胞的數萬分之一。

我們知道，基因控制著蛋白質的合成，細胞的絕大多數能量最後都用於製造蛋白質，所以每個基因平均可以利用的能量是衡量蛋白質種類和產量多寡的重要指標。而蛋白質又是維持細胞各項生理功能的最重要物質，種類和產量越多，意味著生命活動越複雜。

所以，對於單細胞生物來說，它的每個基因可以利用的能量非常有限，哪怕有心，力也不足，根本無法指導合成大量參與複雜生命活動的蛋白質，因此長得更大對它一點好處都沒有。

這就是單細胞所遇到的難以跨越的困難：它想「升級」變複雜，變成一條魚或者一棵樹，就不得不擴充自己的基因組;可是，單靠它自身又不能為這些「擴招」的基因提供適足的活動「經費」;於是，變複雜的「升級夢」也就永遠實現不了。

高級生命，拜天所賜

那麼真核細胞是如何突破這個困境的呢?答曰：通過獲得線粒體。

大約在距今20億年前，一個單細胞里不知怎麼回事鑽進了一個細菌。並且這個細菌沒被它吃掉，竟然在它體內繁殖起來。當這個細胞一分為二，寄宿在其體內的這些細菌也分成兩半，所以細菌的後代依然寄宿在細胞的後代身上，形成一種共生的關係。沒想到這些細胞因禍得福，比起別的細胞來，更具生存優勢，所以在弱肉強食的世界上逐漸壯大起來。

這樣，一代又一代，這些共生的細菌逐漸進化成了細胞里微小的能量產生器——線粒體。線粒體既包含有製造能量所需的膜。而且，它們還沿著這一既定角色越變越小，任何多餘的東西都被統統拋棄，最初大約有3000個基因，最後只剩下40個。

對於宿主細胞，那又是另一回事。當線粒體的基因組縮小的時候，每個宿主基因分配到的可以利用的能量卻在不斷增加。受益於一群線粒體的「服侍」，它得以自由地擴充自己的基因組和長得更大。

基因組的擴大為複雜生命的進化提供了物質基礎，使細胞變複雜成了可能。

這樣看來，複雜生命的出現，完全維繫於一個非常偶然的事件——一個單細胞獲得了另一個單細胞!這意味著單細胞生物並非必定能進化成複雜的多細胞生命。永不停歇的自然選擇，在過去的數十億年里，作用於無以數計的細菌，但這並沒有導致複雜生命從它們中湧現。細菌或許僅僅因為體內缺少一個線粒體，於是它們好像陷入了進化的陷阱，左衝右突也出不來，而多細胞生物則全靠偶然和僥倖才逃離這口陷阱。

人類，是宇宙唯一的精靈

經過這樣一番探索，現在，我們可以對許多問題做出回答了。

宇宙中低級生命出現的概率有多大?由於構建單細胞的材料——水、橄欖石和CO2——在宇宙中的存在是如此普遍，所以我們有理由相信，生命在宇宙中並不是地球的「專利」，在外星發現低級生命，應該是意料之中和情理之中的事情。

但是，高級生命的出現就又是另一回事了。單細胞生物進化成複雜的多細胞生物並非像人們先前所想像的那麼必然，不過是一場僥倖而已，而且在地球40億年的時間裡才發生過一次，可見這種事情發生的概率是極其低的。所以，即使宇宙中遍布單細胞生命，它們進化成多細胞生命的可能性也少之又少，甚至很可能，以宇宙之浩瀚，歲月之漫長，也僅在地球上發生過一次。所以，我們似乎註定是茫茫宇宙中的一孤獨者。當然，另一方面也可以說，是全宇宙的傑作和驕傲。

所有這一切或許能夠解釋為什麼我們至今還沒發現外星人的任何蛛絲馬跡。當然，這個解釋跟別的解釋，譬如超新星爆發毀滅了外星生命之類的解釋並不矛盾。如果超新星爆發毀滅了外星生命的情況也屬實，那麼在宇宙中外星人存在的希望就更加渺茫了。另一方面，當然我們又可以說，人類不僅僅是莎士比亞所說的「宇宙的精華，萬物的靈長」，而且乃是全宇宙唯一的精華和萬物的靈長!

線粒體和多細胞生物的起源

科學家已經證實，要是沒有線粒體，單細胞就不可能變大、變複雜，但假如僅僅如此，那細胞變大變複雜之後也完全可以過「單身」生活，也沒有非過集體生活的必要。換句話說，單憑這一點似乎還破解不了多細胞生物的起源之謎。

科學家發現，通過剖析線粒體的另一本領——它對細胞凋亡的控制，我們就可以破解開這個謎題。

細胞的凋亡，也叫細胞的程序性死亡，是指細胞個體為了大局的利益而自殺的行為。過去，人們認為這一過程受細胞核基因的控制。直到1990年代中期，研究人員才發現，細胞凋亡實際上受線粒體的控制。

我們不妨試想一下，假如沒有細胞的程序性死亡，那會怎樣?一個有獨立生存能力的細胞，憑什麼要為了群體的利益而自殺?但這樣一來，每個細胞都自顧自盲目地分裂，整個生物體就只有死路一條。癌症就是因癌細胞不受凋亡機制的控制而產生的。

所以，沒有細胞的程序性死亡，將單細胞聯結成複雜多細胞的紐帶也許永遠也不會進化出來。由於細胞程序性死亡依賴線粒體，所以也可以說，沒有線粒體就沒有多細胞生物。沒有線粒體，地球上的單細胞生物永遠不會進化成細菌以外的東西。

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