外星人
寻找外星生命的存在问题
在2020年，一组研究人员在金星的高空云层中发现了一些令人惊讶的东西。地面的望远镜探测到了磷化氢的光谱特征，这是一种简单的分子，它在那些极度酸性的云层中不应该存在。研究人员小心翼翼地写道，磷化氢可能是“未知的光化学或地球化学”造成的，或者，他们几乎有点羞涩地指出，“也可能是生命”。
这是一个令人激动的可能性。“在金星周围的云层中发现了生命的迹象”，一条标题大声宣布；另一条，“外星人一直在金星上？！”事实证明，这是一个错误的警报。磷化氢不仅不是生命的信号，甚至可能根本不存在，这是一次数据解释的失误。金星的云层仍然是，就任何人所知，像以前一样没有生命的。
科学家们对这个错误的警报很淡定。回到起点，他们似乎说，耸耸肩，或者至少回到他们的望远镜。这就是科学的工作方式，毕竟：逐渐地，一小步一小步，通过宣布、怀疑和重新考虑数据。当研究的对象是地球外的时候，这更难。金星是外星生命最近可能的家园，但我们没有办法去取一些它的大气样本放在显微镜下。寻找外星生命是远程进行的，通过解释和推断。疑似的磷化氢——被天体物理学家认为是一种“生物标志”，因为地球上的磷化氢只有在它是生命的产物时才会很丰富——甚至没有被直接观察到。相反，研究人员通过分析可能暗示金星大气中可能存在的分子的光波长来探测它。研究人员正在寻找生命的迹象的迹象。有很多错误的空间。
寻找外星生命的过程不太可能产生一个啊哈的时刻——不是在意义上，用目前可用的工具，科学家们会看着从宇宙中带来的数据，立刻宣布，“是的，这是生命。”有太多的技术障碍，太多的变量需要时间来解决。即使考虑到这些问题，还存在另一个障碍——一个考验科学极限的持久的难题。事实是，我们仍然不知道生命是什么。
把一块石头放在一朵花旁边，你可能很自信地知道区别。但自从亚里士多德的时代以来，科学家和哲学家一直努力在生与不生之间画出一条精确的界线，经常回到诸如自我组织、新陈代谢和繁殖等标准，但从来没有找到一个能够包含和排除所有正确事物的定义。如果你说生命消耗燃料来维持自己的能量，你就有可能包括火；如果你要求能够繁殖，你就排除了骡子。NASA也没有能够做得比一个工作定义更好：“生命是一种能够进行达尔文进化的自我维持的化学系统。”这是一个描述地球上生命的不错的方式，但它缺乏实际应用。如果人类在另一个星球上发现了一些看起来像是活着的东西，我们要等多久才能看到它进化？
问题是，在任何试图定义生命的尝试中，我们都受到人类直觉和我们目前所知的一个例子的固有限制。我们所知道的唯一的生命是地球上的生命。一些科学家称这为n=1问题，其中n是我们可以从中归纳的例子的数量。我们不知道地球上的生命在宇宙中是平均的还是某种怪异的异常。考虑到其他行星的各种化学性质，推动进化的各种偶然性，物质和能量相互作用的各种方式——谁知道另一个世界上的生命会有多奇怪？如果我们所知道的生命是错误的生命，我们要寻找的生命呢？
我们真正想要的不仅仅是一个生命的定义。我们想知道生命，从根本上说，是什么。为了这种理解，科学家们转向理论。理论是一种科学的基础。它不仅回答问题，而且构建问题，开辟新的研究方向。它解释我们的观察，并为未来的实验提供预测。考虑一下将重力定义为“使苹果落到地面的力量”和像牛顿那样解释它为宇宙中所有粒子之间的万有引力，与它们的质量的乘积成正比等等之间的区别。一个定义告诉我们我们已经知道的东西；一个理论改变了我们对事物的理解。
近年来，揭开生命理论的潜在回报吸引了一批来自不同学科的研究人员。亚利桑那州立大学的物理学家Sara Imari Walker是这项工作的先驱之一，她告诉我：“生命中有一些事情似乎很难解释。如果你挖掘表面，我认为有一些结构暗示了形式化和数学定律。”长期以来，人们一直认为，虽然理论可以解释物理学和化学，但生物学太混乱，太偶然，无法用数学和公式来归纳。1997年，著名的生物学家恩斯特·迈尔写道，尽管组成生命有机体的分子像所有分子一样服从物理定律，“有机体与惰性物质根本不同。”有一个物质可以跨越的阈值，超过这个阈值，物理定律无法解释或预测发生的事情；在那个阈值的另一边是生命。
但是Walker并不像生物学家或天体生物学家那样思考生命。当她谈论生命的迹象时，她不谈碳、水、RNA或磷化氢。她找到了不同的例子：一个杯子，一部手机，一把椅子。这些物体当然不是活的，但它们显然是生命的产物。在Walker看来，这是因为它们的复杂性。她说，生命给宇宙带来了复杂性，无论是在它自己的存在还是在它的产品中，因为它有记忆：在DNA中，在重复的分子反应中，在制作椅子的指令中。
格拉斯哥大学的化学教授Lee Cronin是Walker的主要合作者，他告诉我，当Walker第一次向他解释她对生命理论的想法时，“我就像，‘我不知道你在说什么。但感觉我们说的东西非常相似。’”Cronin研究生命的起源，这也是Walker的主要兴趣之一，结果发现，当用数学表达时，他们的想法基本上是一样的。他们都把复杂性作为生命的特征。Cronin正在设计一种系统化和测量复杂性的方法，他称之为组装理论。他通过计算将对象的最小构建块以某种方式组合在一起所需的步骤数来测量一个对象(比如，一个分子)的复杂性。他的实验室发现，例如，在测试一系列分子时，那些“组装数”在15以上的分子都是生命的产物。生命也制造一些更简单的分子，但只有生命似乎能够制造出如此复杂的分子。
没有人期望在火星的杰泽罗陨石坑中找到一个外星手机。但Walker的整个概念是，不仅理论上可能，而且真正可以实现的是，识别一些更小的东西但仍然必然是生命的结果。这个模型在某种意义上，就像生物标志一样，作为一种可以寻找的生命的指示。但它会大大改善和扩展目标。Walker会用这个理论来预测一个特定行星上的生命可能是什么样子的。这需要知道很多关于这个行星的信息——我们可能对金星有这样的信息，但对一个遥远的系外行星还没有——但关键的是，它完全不依赖于地球上的生命是如何工作的，地球上的生命可能会用这些材料做什么。Walker认为，如果不能把寻找外星生命的能力与我们所知道的生命的例子分开，那么寻找几乎是没有意义的。“简单的化学反应中的任何小的波动实际上都可以让你走上非常不同的进化路径，”她告诉我。“我无法想象(生命)在两个世界上发明相同的生物化学。”
设计一个普遍的生命理论是一个雄心勃勃的项目，至少可以这么说。我采访过的领导寻找生物标志的科学家们倾向于欢迎Walker的非传统方法，理由是，可用的工具越多越好。即便如此，没有人放弃了他们的搜索，希望人类很快能解开生命的奥秘。毕竟，找到任何外星生命的例子——无论是类似地球的还是不类似的，无论用什么方法——都会极大地推进我们理解这一现象的能力。
Walker的方法是建立在其他人的工作之上的，其中包括科学哲学家Carol Cleland，她写了《寻求生命的普遍理论》。但是Cleland并不认同Walker的雄心，认为一个理论可能触手可及；相反，她警告说，任何生命的理论，就像一个定义一样，不能被我们目前所知的生命的一个例子所限制。“在一个例子的基础上开始理论化是一个错误，即使你努力不要以地球为中心。因为你会以地球为中心，”克莱兰告诉我。换句话说，除非我们找到其他的生命例子，否则我们没有足够的数据来制定一个理论。抽象地远离地球性并不是一种不偏不倚的方式，Cleland认为。这是一种过于抽象的方式。
这是一个容易让人陷入困境的难题：我们没有一个生命的理论来指导寻找外星生命，但我们需要先找到外星生命，才能用一个理论来理解生命。Cleland呼吁采用一种更灵活的搜索方法，由她所说的“暂定标准”来指导。这样的搜索会有一种我们要寻找什么的感觉，但也会对那些挑战我们的先入之见的异常现象保持开放，探测到的东西既不是我们预期的生命，也不是熟悉的非生命——既不是花也不是石头。如果你想要一个坚定的答案或一个快速的答案，这可能会让你感到不满意，但它体现了探索和发现可能真正扩展我们对宇宙和我们自己世界的理解的希望。
Cleland的方法最终听起来很像今天寻找生物标志的很多工作。在金星的云层中发现真正的磷化氢无疑是一个异常现象，而且绝对会挑战我们对那些云层中发生的化学反应的先入之见。该领域的其他工作也在寻找类似的惊喜。天体生物学家Kimberley Warren-Rhodes研究地球上生活在已知适宜性边缘的生命，比如在智利的阿塔卡马沙漠。她实验的目的是更好地理解生命如何存在，并且如何在火星上找到它。“生物学遵循一些规则，”她告诉我。你观察到的规则越多，你就越清楚地知道在其他世界上要在哪里寻找。从这个角度看，我们寻找外星生命的最直接的问题可能不是我们只知道地球上的生命，而是我们甚至不知道地球上的生命到底有多少。“我会说我们大概了解了5%，“沃伦-罗兹估计我们的累积知识。N=1是一个问题，我们可能只有n=0.05。
当我和别人谈论生命的理论时，这是我最近试图进行的小聊天，我会用重力理论作为一个熟悉的类比。有人可能会问，“好吧，那么在重力方面，我们对生命的理解在哪里？像牛顿那样吗？”再往后，再往后，我说。Walker把我们比作前哥白尼的天文学家，依赖于小轨道内的小轨道，来理解我们在天空中观察到的运动。克莱兰用化学来表达，如果是这样的话，我们是炼金术士，甚至还不是真正的化学家。我们了解得太少了，我们以为我们准备好了去找其他的生命？
也许我们永远不会准备好。但我们怎么能不去寻找呢？现在，詹姆斯·韦伯太空望远镜正在窥探系外行星的大气层，寻找光谱特征。毅力号火星车正在火星上装满土壤样本，为未来的任务带回地球进行研究。我们怎么能不在宇宙中搜寻任何能够帮助我们理解我们在其中的位置、亲缘关系，以及地球上的这种生命是如何形成的呢？所以我们尝试。我们搜寻其他的世界，扫描它们的云层。并且挖掘表面之下，寻找那个可能用方程式和抽象来解释一切的理论，看看我们能看到的东西下面的更深刻的真相。
本文译自 The Atlantic，由 BALI 编辑发布。