氯化镁|“水是生命之源”的说法不是百分百准确的_池塘|水溶液|极限|液态水|环境

【编者按】
生命的诞生、发展与进化受到多重因素、环境条件的限制和影响，人类以及其他生命形式诞生于地球到底是一种偶然，还是一种必然？在其他星球上，是否能够形成与人类及其他地球生物相提并论的生命形式？如果在遥远的星球真的存在生命，那种生命与地球上的生命有什么联系和共同点吗？
我们目前还没有在除地球之外的任何星球发现过生命，但是通过思考地球之外的生命是否会遵循与地球相同的演化路径，是否会采取与地球生命不一样的结构和形态，天体生物学研究也为思考地球生命背后的普遍原理提供了启迪。
英国爱丁堡大学天体生物学教授查尔斯·科克尔（Charles S.Cockell），多年来致力于对恶劣条件下的生命特征、外星生物的宜居性，以及太空探索和移居等课题的研究。本文摘编自其《生命的实验室》一书的第六章《生命的极限》，由澎湃新闻经中信出版集团授权发布。
【氯化镁|“水是生命之源”的说法不是百分百准确的】除了温度极限之外，科学家们同样痴迷于确定生物体内的水活度极限。随着搜寻范围的逐步扩大，越来越多生活在极端环境中的生物被人们发现，水活度的极限值也随之逐步下降。不过从本书的角度来看，更重要的是从概念的角度理解水活度对于生命的限制，而不是追究具体数值能有多低。液态水是生命存活的最基本需求，一旦水的可用性（水活度）降低至0.6以下，可存活的生物种类就会大大减少。而在约0.5的水活度下几乎不可能存在任何活跃的生物。这一切仅仅只是由于没有足够的液态水。蜂蜜是一种常见的低水活度日常厨房用品，其水活度往往低于0.6 。因此将蜂蜜置于常温并不会发霉，因为微生物无法在这片缺水的“沙漠”中生存。
蜂蜜的例子告诉我们，不是所有含有液态水的地方都适合生命居住。人们往往习惯性地认为任何有水的环境都适宜生命生存。我们常听到行星学家说，寻找外星生命就是寻找水源，人们也常把“水是生命之源”挂在嘴边。这些说法来源于我们对于日常生活的观察，我们认为水对一切生物都至关重要，但是，这个说法不是百分百准确的。
除了蜂蜜之外，还有许多物质的水溶液不适宜生命生存。在25℃的情况下，饱和氯化镁溶液的水活度为0.328 ，远低于生命的适宜值。这些低水活度的水溶液还会造成生物分子的功能紊乱。即使是在地球上，我们也能轻易找到不适宜生命存活的氯化镁环境，比如地中海深处的卤水。微生物学家发现这些卤水的浓度位于生命存活的极限。
在布尔比矿井的深处，水流四通八达。水在流经各处的同时，溶解了氯化钠和硫酸盐。整个矿井内几乎所有的盐水中都有活跃的生命存在，这些嗜盐微生物仅靠着贫瘠的资源维持生活。有时，盐水的溪流会流经氯化镁矿脉，在这种情况下，随着氯化镁浓度的升高，水流的水活度直线下降。所以，在这类水流里没有生命存活的迹象。在经过氯化镁之前，我们的溪流已经旅行了很长的距离、流经了许多盐矿，但一旦其流过少量的氯化镁，哪怕是嗜盐微生物也无法在这样的水环境中存活。
同样，在南极洲麦克默多干谷有一个乍看之下毫不起眼的小池塘。这个池塘被命名为唐胡安池，人们一度认为该池塘中没有活跃的生命存在。自20世纪70年代以来，这个罕见的水池一直吸引着科学家。唐胡安池由高浓度的氯化钙水溶液构成，其水活度低于0.5 ，理论上没有任何生命能在其中存活。不过，在对从池水中提取出的样本进行培养后，微生物学家们得出了好坏参半的结果：尽管池塘里确实没有活跃生命，但科学家们同时观察到，从池塘里捞出的微生物可以在池塘外存活。只要把某些微生物从池塘中分离，并铺在琼脂平板上，在较为温和的实验室条件下，这些从唐胡安池而来的微生物就能够生长。对于这种现象，人们提出了一个较为合理的解释：在春季，南极洲的积雪融化流入池塘，在水池的上层形成淡水层，该水层的水活度高于生命能够存活的极限值，在这种情况下，生命获得了短暂的喘息，得以繁衍生息，直到上下水层混合，总的水活度又让它们无法活跃下去。
这些有水却无生命的栖息地向我们揭示了一条深刻且重要的道理。水确实是生命必需的，但即使是在地球上，也存在着拥有大量液态水但不足以支持生命的环境。而这不仅仅是由于外在环境十分干燥——比如在下加利福尼亚，毒辣的阳光使盐田的水分蒸发，形成固态的盐壳。事实上，即使处于液态，某些盐溶液的性质依旧会导致它们无法释放足量的水分子。即使不去其他星球寻找极限情形，人们依旧能够确定其极限值——演化中发生的任何偶然事件都无法跨越盐度的障碍。在过去的35亿年中，虽然演化一直在尝试各种各样适应环境的方法，然而，在低水活度的条件下，即使是演化也无能为力。就算我们在饱和氯化镁或氯化钙溶液中加入足够的营养物质、有机材料，或者任何已知的能量来源，该水环境一样无法支持细胞繁殖。
思考这些限制让我们想要继续探索生命的极限，讨论还有什么条件可能会阻止生命的前进。同时，这些探索能够帮助我们更完整地理解物理学对于生物圈的限制。在西班牙南部有着精美建筑的古老小镇塞维利亚附近，有一条明亮的橙红色河流——力拓河。力拓河横穿整个伊比利亚半岛，总长一百多千米，穿过了一条富含硫化物的岩石带。这些硫化的岩石会发生氧化反应，遇水成为硫酸，于是，力拓河成为一条强酸性河流，河水的平均pH值仅为2.3 。不过，与加利福尼亚州艾恩山的情况相比，力拓河的酸度不过是小巫见大巫：在艾恩山，类似的酸性河流的pH值可低至0~1 ，接近蓄电池中的酸液。在这种极端的化学条件下，人们或许会认为这已经接近，甚至超过了生命所能容忍的极端条件。
然而实际上，在这些环境中，生命仍旧欣欣向荣。水溶液的pH值反映了溶液中的质子浓度，游离的质子浓度越高，溶液的酸性越强。对于生命而言，质子并不是一种有害物质：在细胞内，质子在细胞膜间频繁流动，其形成的质子流是生命能量收集的基础。不过过量的质子也会积累过多的电荷，对蛋白质或细胞的其他关键部位造成损害。住在力拓河和艾恩山的嗜酸微生物必须想办法使体内的质子浓度不至于过高。为了实现这一目的，它们把质子泵出来，以维持细胞内部质子浓度的恒定，其体内的pH值几乎保持中性。可见， “嗜酸微生物”这个名称在某种程度上不太恰当，因为这些微生物只是通过演化获得了防止其内部变酸的各种机制。不过也正因为它们竭尽全力在强酸性环境下维持体内的质子浓度，它们已经充分适应了这样的生存条件。如果把它们置于酸性较弱的环境中，许多都会死亡。
而另一类微生物——嗜碱微生物则站在pH的另一个极端，它们能耐受高pH值（强碱性）的生存环境。加利福尼亚州死亡谷以北的莫诺湖是嗜碱生物的天堂，在这里，造型奇异的管状碳酸盐岩丘（被称为“石灰华”）从湖面穿出，湖的四周同样分布着很多岩柱，这样的场景仿佛只会出现在某些诡异的外星球上。这些烟囱似的岩柱由湖水中的矿物质沉积而成，湖水的pH值高达10 ，含盐量是海水的3倍。如此之高的pH值并没有阻碍生命的诞生，不仅微生物能够在湖水中生长，还有碱蝇（Ephydra hians）沿着湖岸线漫无目的地飞行，丰年虾（Artemiamonica）愉快地在盐水湖中游动。在莫诺湖，即使是动物也可以繁衍生息。碱蝇幼虫就在湖水中生活，它们具有特殊的器官，能够将碱性的湖水转化为碳酸盐矿物，这些矿物质将会包裹在幼虫周围，使幼虫免受碱性物质的毒害。通过这种聪明的办法，碱蝇幼虫将水中的离子转变为细小的矿物颗粒，使其变得无害。
莫诺湖存在许多未解之谜，是许多科学家集中精力研究的实验对象。然而，它并不是世界上碱性最强的湖泊。其他比莫诺湖碱性更强的湖，比如东非大裂谷中的马加迪湖，其湖水的pH值超过11 ，而湖中同样存在着生态系统。
迄今为止，在自然情况下，所有人类已知的极端pH值环境都无法阻止地球生命的定居。这是物理定律限制生命的一个例外吗？也许并不是，让我们从物理事实的角度来重新看待这个观点。如果不断提升温度，最终一定会上升至生命无法承受的程度。因为在这样的极端情况
下，生命分子的化学键中被注入了巨大的能量，破坏了生物分子的基本结构。脆弱的碳基生命无法在1000℃的高温下让分子内的原子依旧结合在一起。所以，我们可以轻松地推断出生命极有可能存在温度的上限，虽然关于具体这个上限是多少，以及在极限温度下分子到底是如何解体的还有待研究。盐浓度的极限也是同样的道理。简单来说，盐浓度，或者生物对干燥的耐受程度的极限由可用水的数量来决定，在完全脱水或加入过多盐使水分子完全不可用的情况下，生命就失去了反应所必需的溶剂。由此，我们可以轻松地推断出盐浓度存在极限，就其本质而言，可用水的多少必定会为生命划出一道界限。
而对于pH值，没有哪个内在的本质原理能够完全限制生命的产生。只要细胞具有足够的能量以及功能完善的离子泵，根据具体情况泵出或泵入质子，细胞内部的pH值将始终保持在中性左右，不受外界极端pH值的影响。只要离子位于细胞外，它们是不会对生命造成致命威胁的，所以也许不同pH值环境下都存在生命这一点并不奇怪。
但是，这并不意味着pH值在所有情况下都无所谓。在与其他极端条件（如高温或高盐）同时存在的情况下，极端的pH值无疑是雪上加霜，细胞需要更多的能量以应对多种困境。在地球上，虽然在大多数极端环境下，只有一种极端条件占主导，但环境中仅存在一种极端条件的情况非常罕见。深海中低温高盐，而火山池往往高温强酸。人们已经发现多种可以同时应对高盐、高温、高pH值的微生物。在任何环境中，应付一种极端情况就可能足以榨干细胞的所有能量了，而第二种，甚至第三种极端条件将成为压倒细胞的最后一根稻草。不过就pH值本身而言，它似乎并不是地球自然环境中对生命的一种基本限制。
除了pH值之外，还有其他我们未能确定极限的限制因素。在地壳和海洋深处，巨大的压力压缩并限制着细胞内的分子。不过出乎意料的是，在海洋深处约11千米的马里亚纳海沟底部，人们发现了生命的存在，在那里，物体受到的压强是海平面压强的1000倍。同样，在地壳深处也有生命蓬勃发展。为了应对高压，生命演化出了一系列适应机制：通过在细胞膜上排布气孔及转运蛋白，细胞能更轻松地排出废物并吸收营养；同时，这些嗜压微生物的蛋白质都经过了修饰，能够更好地适应高压环境。深入地壳，温度可能在压力之前率先达到生命的极限：由于地热梯度的存在，在细胞被压力限制至无法移动之前，它们就已经被巨大的热量破坏了。
对于压力问题，我们的认识还相当有限。在没有温度干扰的情况下，生命会受限于某个一定的压力极限吗？压力的问题比一般的极限问题更为复杂，因为压力会间接影响许多其他因素，例如气体的溶解度和流体的行为。所以，对于高压情况下达到极限的生命，我们无法确定这种影响是直接来源于压力，还是由于极端压力间接改变了外在环境，让生物无法从环境中获取足够的营养或能量。
许多极限都会阻碍生命的存活，但有一种极限条件对生命的限制尤为严峻——电离辐射。电离辐射类似于高温，会将能量传递给生物分子，对它们造成不同程度的破坏。生命能够在一定程度上抵御辐射所带来的负面影响：DNA等分子可以自我修复受损链，蛋白质可以重构，某些色素（如类胡萝卜素）能够“浇灭”辐射与水瞬间反应时产生的活性氧。生命具有一系列应对辐射引发分子损伤的机制，哪怕只是一个小小的单细胞微生物都装载着全套防护体系，令人不得不感叹生命的奇妙。
拟色球蓝细菌属（Chroococcidiopsis）是一类居住在沙漠岩石中的蓝细菌。尽管看上去并不起眼，但它们可以耐受约15千戈瑞的辐射剂量，约为人类致死剂量的1000倍。在“抗辐射榜”上同样榜上有名的还有耐辐射奇异球菌（Deinococcus radiodurans），它通过自我修复及减轻损害，至少能够承受10千戈瑞的辐射剂量。
生物对于辐射的耐受必然存在上限。如果攻击细胞的辐射能量过大，细胞自身修复与制造新分子的能力将无法跟上细胞遭到破坏的速度，这种破坏的原理与高温所造成的破坏相似。在我们的星球上，只有极少数的生命环境（无论是自然的还是人为的）存在持续的高剂量辐射。所以，生命遭遇极端辐射的情况并不如遭遇极端温度那般常见，与之相关的演化也较少。但是，我们依旧可以想象有着一条这样的边界。
整个生物圈就像一个被围墙包围的动物园。在围墙之内，各种生物，无论微小还是巨大，都在某些法则的引导下演变成为可以预测的形式。尽管这些规则具有限制性，但在它们允许的范围内，生物能够尝试各种各样的可能性。正是这样的自由度造就了生物圈的复杂性，使生物在细节上极为多样化。不过，动物园高高的围墙严格限制了整个生物圈演化的潜力。其中，某些限制可能是普适的，无论演化的色子掷出怎样的结果，地球上也不会出现不需反应溶剂或不受任何温度限制的生物。不过更具体的细节，如具体某种蛋白对温度的敏感度，就存在着较为灵活的变化空间，可能会随着具体生命（甚至整个生命群体）的生死而发生微调。不过，若从更为广阔的角度来看，物理学定律为生命的边界砌起了一座不可逾越的牢固高墙，任何生命都受到这座高墙的限制。
这个动物园并不能随心所欲地“扩建” 。人们在初识地球上多姿多彩的生物界时，很容易将生命的多样性想象为无穷无尽—确实，如果考虑到生命之间所有微小的差异，我们可以认为这种变化“无穷无尽” 。但是，地球生命处在的行星尺度，及它们能够适应的物理、化学环境条件，相比整个已知宇宙实在太过渺小。我们只是生活在一个由常规的极限所限制的袖珍泡沫中，在泡沫里我们只能沿着有限的演化轨迹前行。

文章图片

《生命的实验室》， [英]查尔斯·科克尔著，张文韬、叶宣伽、张雪译，中信出版集团2020年11月。
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