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问题

地球在全宇宙中只是沧海一粟，为何科学家都认为对人类而言的“极端环境”中一定没有生命体？

回答
你提出的这个问题非常有意思，也触及到了我们对于生命认知的一个核心盲区。我明白你的意思，地球上那些我们觉得“要命”的地方，比如沸腾的硫磺泉、深不见底的黑暗海底、或者极度干燥的沙漠，对人类来说绝对是“极端环境”。但你注意到一个现象：很多时候，当科学家谈论到宇宙中寻找生命时，他们似乎不太愿意直接断言在这些我们认为的“极端环境”里就没有生命。这其中的原因很复杂，但我们可以从几个层面来剖析。

首先，我们要明确一点，科学家们并非“认为”在这些环境中一定没有生命。更准确的说法是，基于我们目前对生命的理解和已有的证据，我们在这些极端环境中寻找生命的可能性会大大降低，或者说，在那里发现的生命形式很可能与我们熟悉的地表生命有本质的不同，其生存条件会非常特殊。 这种“可能性降低”和“我们找不到”之间的区别，是理解这个问题的关键。

让我们先从我们为什么觉得这些环境“极端”说起。对于人类而言，“极端”意味着超出我们生理极限的条件，比如：

温度： 极高（如沸腾的温泉），极低（如南极冰下湖泊）。人类的体温是恒定的，我们的酶系统在特定温度范围内才能高效运作。
压力： 极高（如深海），极低（如太空）。人体在巨大压力下会被压垮，在真空环境下体液会沸腾。
化学环境： 强酸（如某些火山湖），强碱，高浓度的盐分（如死海），高浓度的有毒物质（如重金属或有毒气体）。我们身体的生化反应需要特定的pH值和离子浓度。
辐射： 高剂量的紫外线或电离辐射。DNA很容易被辐射破坏，导致细胞死亡或变异。
缺水/缺氧： 极度干燥的沙漠或没有大气层的星球。水是生命必需的溶剂，氧气是大多数地球生物进行呼吸作用的关键。

那么，为什么在地球上，即使在这些我们认为的“极端”条件下，生命依然能够顽强地存在呢？这就是问题的核心所在。

地球上极端环境中的生命，也就是“嗜极微生物”（Extremophiles），给了我们极大的启示。 这些微生物，比如：

嗜热菌 (Thermophiles)： 生长在温泉、火山裂缝中，可以忍受高达 80°C 甚至更高的温度。它们的蛋白质和细胞膜具有特殊的结构，能够抵抗高温带来的破坏。
嗜冷菌 (Psychrophiles)： 生活在南极冰层下、高山冰川等极寒环境中，能在零度以下正常生长。它们体内含有特殊的抗冻蛋白。
嗜压菌 (Piezophiles / Barophiles)： 存在于深海热液喷口附近，能够承受千百个大气压的巨大压力。它们的细胞膜和蛋白质结构适应了高压环境。
嗜酸菌/嗜碱菌 (Acidophiles / Alkaliphiles)： 可以在 pH 值极低（如 1 左右）或极高（如 11 左右）的环境中生存。它们的细胞壁和细胞膜能够维持内部稳定的pH环境。
耐辐射生物 (Radioresistant organisms)： 比如缓步动物（水熊虫），它们在干燥、真空、高辐射环境下可以进入休眠状态，代谢近乎停止，待条件适宜后再恢复生命活动。
厌氧菌 (Anaerobes)： 在没有氧气的环境中生存，有些甚至会因为氧气而死亡。

这些嗜极生物的存在，极大地拓展了我们对“生命条件”的认知边界。 它们证明了生命不一定需要像我们一样“舒适”的环境。这为我们在宇宙中寻找生命提供了重要的参考：

1. “极端”是相对的： 我们认为的“极端”是基于我们自身的生理需求。对于一种完全不同于地球生命的生命形式，它们的“极端”可能与我们的完全不同。比如，一种以硫为能量来源、能在高温高压下生存的生命体，对于我们来说是极端，但对于它自己来说，却是最适宜的环境。
2. 生命的适应性超乎想象： 地球生命演化的历程告诉我们，生命有惊人的适应能力。只要有一些基本的物质和能量来源，并且能够抵御一些环境的破坏性因素，生命就有可能出现和繁衍。
3. 我们对生命的定义可能过于狭隘： 我们目前所知的生命，都是以碳为骨架、以水为溶剂、依赖DNA复制的“碳基生命”。但在宇宙中，是否存在以硅为骨架的生命？是否以其他溶剂（如液态甲烷或氨）为基础的生命？这些我们尚未知道。如果存在这样的生命，它们在地球上被认为是极端、甚至是不可能的环境中，或许反而是它们理想的家园。

所以，科学家们不轻易否定在极端环境中没有生命，不是因为他们觉得这些环境“不极端”，而是因为：

证据不足以排除所有可能性： 我们还没有完全探索地球上的每一个角落，更不用说整个宇宙了。很多我们认为“不可能”的环境，可能隐藏着我们尚未发现的生命形式。
类比的局限性： 我们只能以地球生命作为参照。但宇宙是如此广阔和多样，很可能存在着我们完全无法想象的生命形式，它们的生存方式和所需环境也可能完全超出我们的想象。
科学的严谨性： 科学讲究的是“证有不证无”。在没有确凿证据证明某种条件下生命不可能存在之前，科学的态度是保持开放和探索。科学家们更倾向于说“在这些条件下我们尚未发现生命”，而不是“这些条件下一定没有生命”。

以寻找火星生命为例： 火星表面环境极其恶劣，寒冷、干燥、辐射强、大气稀薄。但科学家们仍然在火星的地下寻找可能存在的液态水和微生物。因为他们知道，地球上的许多微生物能在地下或冰层下生存，它们可以躲避表面的恶劣条件。这本身就说明，即使是表面我们认为的极端，也可能存在生命的庇护所。

总而言之，我们之所以觉得某些环境“极端”，是基于我们作为人类的生理和生存需求。而地球上的嗜极生物证明了生命可以突破我们想象的界限。因此，在宇宙探索中，科学家们不会轻易断言在“极端环境”中没有生命，而是会带着更开放的心态去寻找那些可能适应了我们认为的“极端”条件的、我们尚未理解的生命形式。宇宙的奥秘远超我们的认知，而生命的可能形式，更是充满了无限的想象空间。

网友意见

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这是你的误解。目前，宇宙生物学或嗜极微生物方面的论文很小众，媒体对科学上的认识与进展的宣传力度分布不均匀，读者被误导而产生“科学家都认为OOOO”的错误印象是很常见的事。

现实中，地球上的多种微生物可以在近地轨道上生存，什么寒冷、无氧都是小菜一碟。你对生物的定义博爱一点的话，地球上就有完全不需要水和氧的生命形式。使用道金斯对生命的定义“自然选择塑造的信息”，你可以说生物并不会“必需”任何特定的物质。

不过，题目所称的“恰恰是其他生命体的最适环境”也是个误解：

地球表面的环境根本就不是地球生物的“最适环境”。就连小麦和蟑螂都是在微重力的空间站上繁殖更快、长势更好。

地球生物需要的是容易获取的热力学自由能。你搞个恒星中心级别的环境就只适合等离子生物、黑洞生物之类，整个接近量子真空的环境则只能搞玻尔兹曼生物。那样的生物的环境耐性可能过于强，乃至可以捣毁周围的环境，造成“不存在所谓最适环境”。

关于液态水：

  • 关于宇宙生物学的新闻报道有时会说地球型碳基生物的宜居带标准是液态水，但最近几十年里对太阳系天体的研究早已证明，无论天体的表面温度有多低，天体内部的衰变热、潮汐加热等都有可能让冰壳或地层下面的水保持液态。
  • 就是说，“天体表面有没有液态水”这件事对“这天体上有没有地球型碳基生命”的判定都是毫无意义的。木卫二的巨大冰壳下面就可能有生命。

关于氧气：

  • 地球大气里的绝大部分氧气是蓝菌、色藻和植物通过光合作用制造出来的，地球生物的起源、原核生物的早期发展与氧气毫无关系。
  • 现在地球上仍有大量的专性厌氧生物，而且许多蓝菌都能在黑暗中用电子受体从岩石里取得能量。
  • 美国麻省理工学院一项研究显示，大肠杆菌、酵母菌等平凡地球微生物可以在100%氢气中生存、生长、复制，大肠杆菌繁殖速度减半，酵母菌繁殖速度降为平时的40%。
  • 地球上存在只由不需要阳光和氧气的生物组成的生态系（后详）。

即使在大气和地表测不出生物的痕迹，也不能代表该天体内部没有生物，因为地球地下就存在规模巨大的生物圈。需要水和氧气的生物，完全有可能生活在外表看起来没有水和氧气的地方。

  • 我们知道地球生命中最耐环境的部分完全可以在根本就不像地球的地方生存。例如日本实验证明在离心机里培养的地球细菌可以迅速适应巨大的加速度，其中Paracoccus denitrificans能在403627g下正常生长、繁殖，这已经足够承受大质量恒星的表面重力与一定距离上的超新星爆发抛射；你身上就有的大肠杆菌无需特别的适应过程就能承受400000g。

2021年，更有一项研究发现，有些位于类似太阳的恒星的宜居带内的岩石行星可能呈现氧气假阳性：

如果行星的初始二氧化碳-水比值超过1、引起持续的失控温室效应，或者行星的初始水含量超过地球50倍、让整个行星被深水或厚冰覆盖，或者行星的初始水含量在地球的30%以下导致缺乏与硅酸盐的互动，恒星辐射分解水蒸气产生的氧气会留在大气中而不能被岩石风化等清除，此时没有光合生物也能测到氧气和水。

这意味着测得“行星上存在液态水和氧气”不能单独作为“光合生物存在”的证据，需要大口径望远镜去确认行星的其它特征。

“氧气和较多的甲烷共存”仍是一种有效的生物特征，这在上述氧气假阳性情况下不会发生。

Krissansen‐Totton, J., Fortney, J. J., Nimmo, F., & Wogan, N. (2021). Oxygen false positives on habitable zone planets around sun‐like stars. AGU Advances, 2, e2020AV000294. doi.org/10.1029/2020AV0

结论是，水和氧气根本就不能作为标准。

实际上科学家对地外生命的探索并没有局限于地球上生物的生存条件，所谓宜居带划得非常之宽，也早就考虑了戴森提出的巨型构造之类文明迹象，现有观测数据里也确实有许多异常天体。过去几十年间，搜寻地外生命的实践并没有建立在“其它星球上的生命需要氧气”的基础上。

以我们现有的观测能力，很难发现远离恒星的、规模接近地球的岩石行星，也看不到和我们水平相近的文明的活动痕迹，100光年内的太阳系外行星的大气里的卤代烷之类污染物都得等詹姆斯·韦伯空间望远镜发射才能识别。就连地表被任意特定颜色的生物（例如绿色植物）覆盖导致的反射光谱，在目前的水平下都很难有效观测。

  • 现在能隔着遥远的距离发现的东西的规模之大、能量之高，谈是不是生命活动是没有可证伪性的。就算观测到疑似曲速飞行、规模大如星辰的物体（例如视速度超越真空光速的遥远类星体），也得先当成自然现象。
  • 如果观测到恒星级强度的红外线源，我们也很乐意猜测那是不是高级文明的超构造体，但那也谈不上可证伪性。比如吸引了一波热度的塔比星的所谓疑似戴森球，就拿尘埃云和大量彗星先搪塞过去了[1]。塔比星不是什么独一无二的目标，科学家已经发现了21个光度像这样异常波动的恒星[2]，15个情况与塔比星相似，6个较塔比星更频繁地变暗[3]。

在这个高不成低不就的历史阶段，能够从少得可怜的信息里读到生命迹象的就是大气成分的吸收光谱：

  • 对于非红矮星的恒星[4]附近的行星，排除假阳性干扰后如果大气含有大量的氧，说明有持续制造氧的非光照机制，很可能是碳基光合生物。
  • 对于岩石行星[5]，如果大气含有大量的磷化氢，说明有持续制造磷化氢的非高温高压机制，很可能是无氧呼吸的碳基生物。
  • 大肠杆菌等细菌的代谢会产生氨、二甲基硫化物、氧化亚氮、甲烷等气体。在大气层以氢气为主的行星的吸收光谱中如果检测到若干此类气体，可能表明那里有碳基生命。

这就是2020年“在金星大气中发现异常浓度的磷化氢”的消息[6]引起关注的原因。

金星大气几乎没有氧气，水蒸气的含量也相当低。你可以看看几个月前围绕金星的争论：无论是支持尽快发射航天器探索金星大气[7]的学者还是认为磷化氢可能有其它非生物成因的学者，都不觉得水和氧气对金星大气微生物的存在构成障碍。后来，一些研究人员认为磷化氢的数据是误报，目前热度已经降低了。

地球上存在的、只由不需要氧气的生物组成的生态系：

一、

辐射合成细菌Candidatus Desulforudis audaxviator可以在只有铀矿的辐射作为能源的环境下利用岩石和水中溶解的物质合成有机物并增殖，在南非地下1500~3000米深的矿井地下水中建立了只由这一个物种组成的生态系。相关论文发表在2008年10月10日的Science杂志[8]。

该物种不需要氧气，辐射也不是必需的，且它们在作为化能自养生物的同时还可以分解同类的死细胞来回收材料。在科学家检测的五吨地下水里，Candidatus Desulforudis audaxviator的230万个碱基对只有32个突变过不止1次，显示出其生活方式的极端慢节奏。

图片来自NASA，公有领域

Candidatus Desulforudis audaxviator的环境耐性和能量获取途径允许它在太阳系的多个天体的地下生存，包括火星。如果人类用航天器将它们送过去，我们就得到了一个没有氧气、相当缺水而有生物圈的星球。

二、

深海底部一些地方的地壳不到2000米厚，有一些裂缝在涌出蛇纹岩化反应产生的pH11的水，那里面有碳基微生物。根据日本的深海调查，这类微生物大量分布在橄榄岩上、缺少我们认为对自由生活的原核生物来说必需的一些基因，而拥有一些未知基因，其生存可能依赖蛇纹岩化反应。

2017年，研究人员从美国加利福尼亚2处地方的蛇纹岩化反应涌出水里检出了多种微生物，其中79种的基因组已经被解析。它们是细菌但ATP合成酶基因与古菌相同，一部分物种没有ATP合成酶基因，核糖体构造与已知细菌不同，这之中还有一部分物种也没有糖酵解酶基因，其能量获取途径不明，也许和体表覆盖的纳米级橄榄石/蛇纹岩有关。

这些微生物的环境耐性和能量获取途径，看起来完全超越了日常对地球型碳基生物的理解。按照目前对岩石行星形成过程的认识，任何岩石行星的深层地下都可能允许这类细菌存活，

如果你不想局限于地球型碳基生物，球状孤立等离子体、晶体、灰尘等都能表现出生命的一部分特征。即使按照我们给地球生命总结出的特征，我们也能发现很多超乎寻常的东西符合生命的定义，可以参照：

不过，也不是什么东西都适合在我们这个宇宙里当生物的基础介质与常用溶剂的。

阿西莫夫曾经在《并非我们所知的:论生命的化学形式》(Not As We Know It-The Chemistry of Life)中从生化上描述过6种生命形态：

一、以氟化硅酮为介质的氟化硅酮生物；
二、以硫为介质的氟化硫生物；
三、以水为介质的核酸/蛋白质生物；
四、以氨为介质的核酸/蛋白质生物；
五、以甲烷为介质的类脂化合物生物；
六、以氢为介质的类脂化合物生物。

这些物质是液体的温度范围是很不相同的，对应着许多不同的自然环境和那种条件下化合物的活性、化学反应的激烈程度。不过，基于这个宇宙中的原子的丰富程度，通过纯粹的化学现象最有可能产生的生命形式主要是我们这种。

  • 乙醇和油可以作为介质和溶剂，但自然形成大量乙醇或油有相当的难度，很难找到那样的自然环境。
  • 天然气和沼气的主要成分就是甲烷，它可以在宇宙中自然地大量形成。

对硅基生物的研究一直在小规模地存在着[9]，可以参照：

在这之外，科幻作家早已设想过靠核能生存的金属生物、生活在气体行星里的雾状生物、生活在恒星上的能量生物、生活在空间里的纯精神体、生活在多维空间里的不可名状的生物，等等。基于攀比设定的需要，一些幻想生物早已使用了比多重宇宙还高几个层次的高阶无穷。目前在科学上没有什么有效的手段去搜索这类东西。

参考

  1. ^ https://arxiv.org/abs/1906.08788
  2. ^ https://www.sciencealert.com/a-bunch-of-potential-tabby-s-star-alikes-have-just-been-identified
  3. ^ https://digitalcommons.unl.edu/cgi/viewcontent.cgi?article=1054&context=physicsschmidt
  4. ^ 红矮星会自然光解出氧，就不需要看氧了。
  5. ^ 气体行星会自然形成磷化氢并排放到大气中，就不需要看磷化氢了。
  6. ^ 金星大气层中发现磷化氢，这意味着金星上存在生命吗？磷化氢为什么会被作为生命存在的证据？ - 赵泠的回答 - 知乎 https://www.zhihu.com/question/421069854/answer/1472415965
  7. ^ 探索方法可以参照：https://www.zhihu.com/question/421487483/answer/1480425264
  8. ^ Dylan Chivian, Eoin L. Brodie, Eric J. Alm, David E. Culley, Paramvir S. Dehal, Todd Z. DeSantis, Thomas M. Gihring, Alla Lapidus, Li-Hung Lin, Stephen R. Lowry, Duane P. Moser, Paul M. Richardson, Gordon Southam, Greg Wanger, Lisa M. Pratt, Gary L. Andersen, Terry C. Hazen, Fred J. Brockman, Adam P. Arkin, Tullis C. Onstott,"Environmental Genomics Reveals a Single-Species Ecosystem Deep Within Earth", Science, 10.1126/science.1155495
  9. ^ 所谓硅基生物，在我们现在知道的化学体系里能适用的条件其实是非常苛刻的，标志物质也很多：氟化硅酮或氟化硫。事实上目前观测到的所有太阳系外行星上都没发现这样的痕迹。

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