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空中接口学园技术学习阅读、学习 → 来读《并非我们所知的——论生命的化学形式》
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为了讨论那些“Life-not-as-we-know-it”(并非我们所知的生命),让我们试图改变一下生命的舞台背景或舞台上的角色。先从舞台背景开始!

 水是一种神奇的物质,具备一系列非凡的特性,对于那些“Life-as-we-know-it”(我们所知的生命),它是非常理想的。对于生命而言,水是如此完美的适合,以至于一些人理所当然地将水的一些性质看作是神赐的。但是,这其实是不对的,因为生命是进化成这样的,它逐渐适应了以水作为媒介。生命适应水,而不是相反。

 那我们是否可以想象生命进化并适应了其它种类的液体呢?一种也许与水非常类似的东西。一个很明显的候选者就是氨。

 氨几乎在任何方面都同水非常类似。水的分子结构包含一个氧原子和两个氢原子(H2O),它的分子量为18,而氨的分子由一个氮原子和三个氢原子组成(NH3),它的分子量为17。液氨与水比较,气化所需的温度几乎是一样的高,作为溶剂的用途几乎是一样的广泛,释放氢原子的倾向也几乎是一样的。

 事实上,化学家已经在研究那些在液氨中发生的化学反应,并且发现它们可以和那些在水中进行的化学反应相类比。“氨化学”已经被研究得相当细致了。

 因此,以液氨作为生命背景是很有可能的,不过不是在地球上。地球上的温度让氨以气体的形式存在。氨的沸点是-33.4°C (-28°F),而冰点是-77.7°C (-108°F)。
 
那么其它行星呢?

在1931年,借助分光镜,科学家揭示出木星的大气,以及土星的大气(在相对较少的程度上),都含有氨。有一种理论说,木星上覆盖有巨大的氨的海洋。

 确实,木星可能具有的温度不超过-100°C (-148°F),因此你可能会想它上面大部分的氨也许是以固态形式存在的,剩下的一小部分则以在大气中的氨气形式存在。太糟了,如果木星离太阳近一点就好了。不过且慢,我上面所给的这个氨的沸点,是在地球的大气压下测得的。在更高的压力下面,沸点会上升,因此当木星的大气足够浓密,云层足够厚时,其上存在巨大的氨的海洋的可能性终究是有的。

 然而,针对将氨作为生命背景的观念,一种反对的意见可能被提出。它基于这样一个事实,任何活着的生物体,都是由那些可以参与快速的、精细的、和多样的化学反应的,不稳定的化合物组成的。组成“Life-as-we-know-it”(我们所知的生命)的,必须是处于不稳定边缘的蛋白质。温度的小小提高,都会令它们破环分解。

 而在另一方面,温度的下降,也可能令蛋白质分子变得太过稳定。当温度接近水的冰点时,所有的非温血生物都会变得非常懒散。在一个液氨环境下,温度甚至比水的冰点还要低百度左右,那些化学反应会不会变得太过缓慢而无法支持生命呢?

 答案有两方面。首先,为什么要把“慢的”说成是“太慢了”?为何不能有一种生命形式生活得比我们慢呢?植物就是嘛。

 其次,也是更重要的,是形成生命的蛋白质结构让自己适应了周遭环境的温度。如果让蛋白质结构在液氨温度条件下也经历数十亿年来适应这样的温度,它就很可能会进化得在液态水温度下哪怕待上几分钟就会变得非常不稳定,而在液氨温度下则会变得足够稳定而能适宜地生存。

 我们无法想象这样的结构可能会是一个什么样子,但我们也无需担心。假设我们是一种长期生活在赤热环境中的生物(自然是基于一套与我们现有理论存在本质区别的化学)。在这种情况下,我们能理解地球上的那种蛋白质吗?我们会将压力容器冷冻到25°C,去形成蛋白质然后去研究它们吗?当我们尚未发现利用这种蛋白质的生命形式,我们会梦想去这么做呢?

那么,除了氨之外,还有什么呢?

好的,在宇宙中,真正普遍存在的元素是氢、氦、碳、氮、氧和氖。我们去掉氦和氖,因为它们是惰性气体,并且几乎不参与任何化学反应。宇宙中绝大多数的元素是氢,因此,碳、氮和氧都会以氢化物的形式存在。氧的氢化物就是水(H2O),而氮的氢化物就是氨(NH3)。这两个我们都已考虑过了。现在就剩下碳,它和氢构成甲烷(CH4)。在木星和土星上,除了氨以外,还存在甲烷。而在更遥远的天王星和海王星上,甲烷则是主要的物质,而氨则被冻结成了固体。这是因为液态甲烷有着比液氨更低的温度。在常规大气压下,甲烷的沸点是-161.6° C (-259° F.),冰点在-182.6° C. (-297° F.)。

 我们能否将甲烷看作是生命的一种可能的舞台背景,而舞台上的角色是一种更加不稳定的蛋白质呢?很不幸,这个并不这么简单。

 氨和水都是极性化合物,也就是说,分子间的电荷呈非对称分布。而甲烷分子的电荷分布则是对称的,换句话说,甲烷是非极性化合物。

 一种极性液体可以用来溶解极性物质,而不能溶解非极性物质。而一种非极性液体则可以用来溶解非极性物质,它是无法溶解极性物质的。

 因此,水,由于它是极性的,它可以用来溶解盐和糖,不过它不能用来溶解脂或油(合在一起就是化学家所谓的类脂化合物(lipid)),因为后者是非极性的。这也就是俗语中所说的“油和水不相容”的道理。

 另一方面,甲烷,作为一种非极性化合物,能够溶解类脂化合物而不能溶解盐或糖。由于蛋白质和核酸是极性化合物,当然它们也就无法溶解在甲烷当中。事实上,很难设想任何一种结构能够让蛋白质和核酸溶于甲烷。

 如果我们考虑以甲烷作为生命的舞台背景的话,那么现在,我们就必须更换舞台上的角色了。

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主题:  来读《并非我们所知的——论生命的化学形式》(3405字) - tom,2013-11-11
    回复:  就此,依据温度的不同,从赤热到接近绝对零度,我们可以将生命的化学构成列示出来: 1,&n..(1410字) - tom,2013-11-11
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