为什么地球上的生命需要水和氧气之类的，其他星球也一定需要这些才能存在生命？

这个问题触及了我们对于生命本质的根本认知，也关乎着我们在浩瀚宇宙中寻找同伴的希望。简单来说，地球生命之所以如此依赖水和氧气，是因为它们在地球这块“试管”中，通过数十亿年的演化，找到了最适合、最高效的生存方式。但这是否意味着其他星球上的生命也必须遵循同样的剧本，这就需要我们更深入地剖析了。

为什么地球生命离不开水？

首先，让我们来看看水。在地球上，水扮演着无可替代的角色，是所有已知生命形式的“血液”和“溶剂”。我们可以从以下几个方面来理解：

万能溶剂的奇迹：水的分子结构非常独特，它具有极性，这意味着水分子的两端带有微弱的电荷。这种极性使得水能够溶解许多不同的物质，包括无机盐和极性有机分子。想象一下，细胞内的各种化学反应，都需要各种分子在水环境中自由移动、碰撞、结合。如果没有水，这些反应将无法进行，生命也就无从谈起。蛋白质需要溶解在水中才能折叠成正确的形状，DNA也需要水来维持其双螺旋结构并参与复制。
参与化学反应：水不仅仅是溶剂，它本身也是很多生命化学反应的直接参与者。例如，在细胞呼吸过程中，水分子会参与分解葡萄糖以释放能量的反应（水解反应）；在光合作用中，水则提供电子和氢离子来合成葡萄糖。可以说，水是生命体内的“反应堆”和“催化剂”。
温度调节的稳定器：水的“比热容”非常高，这意味着加热或冷却一克水需要大量的能量。这使得地球的海洋和大气层能够储存和释放大量的热量，从而极大地减缓了地球表面温度的剧烈波动。生命体内的水分也起到了类似的作用，帮助维持细胞内相对恒定的温度，这对于细胞内精密的生化反应至关重要。没有水的缓冲作用，生命体将难以忍受夜晚的寒冷或白天的酷热。
物质运输的载体：在多细胞生物体内，血液、淋巴液等都以水为主要成分，负责将氧气、营养物质输送到全身各处，并将代谢废物运走。即使是单细胞生物，细胞内的物质运输也离不开水的流动。
结构支持：水能够填充细胞，维持细胞的膨胀压力（膨压），这为植物提供了挺拔的姿态，也为许多软体动物提供了基本的结构支撑。

为什么地球生命离不开氧气？

再来看看氧气。对于大多数地球生命，尤其是复杂的动物而言，氧气是赖以生存的能量来源。

高效的能量生产：氧气在细胞呼吸过程中扮演着关键角色，它作为最终的电子受体，能够非常高效地从葡萄糖中提取能量，产生大量的ATP（三磷酸腺苷），这是细胞的“能量货币”。如果没有氧气，生命需要依靠发酵等效率低得多的无氧呼吸来获取能量，这只能支持相对简单的生命形式，或者限制了它们的代谢能力和活动范围。
氧化还原反应：氧气是一种强氧化剂，它参与许多氧化还原反应，这些反应是生命活动的基础。例如，铁在血红蛋白中运输氧气，就是在进行一种特殊的氧化还原过程。
臭氧层保护：还有一个很多人可能忽略但至关重要的方面是，氧气在大气高层会形成臭氧层。臭氧层能够吸收大部分来自太阳的有害紫外线辐射。如果没有臭氧层的保护，强烈的紫外线会破坏DNA，对生命体造成毁灭性的打击，尤其是对于生活在陆地表面的生命。

那么，其他星球的生命也一定需要水和氧气吗？

答案是：不一定，但水的作用可能是最难被替代的。

我们之所以如此强调水和氧气，是因为它们在地球上表现出了无与伦比的效率和普适性。但这并不意味着宇宙中就只有这一种实现生命的方式。以下是一些思考的角度：

“如果不是水，那会是什么？”：
溶剂的多样性：虽然水是绝佳的溶剂，但宇宙中可能存在其他能够扮演类似角色的物质。例如，在极低的温度下，液态氨（NH3）或液态甲烷（CH4）可能可以充当溶剂。它们的极性不如水，溶解能力可能有所不同，但理论上可以支持一些特定的化学反应。例如，如果某个星球表面温度极低，液态甲烷海洋可能成为生命存在的温床，它们可能演化出使用甲烷作为溶剂的生化系统。
硅基生命的可能性（虽然目前是科幻）：地球生命是基于碳的，因为碳原子能够形成复杂而稳定的长链和环状结构，这是构建生命大分子的基础。然而，硅（Si）在某些方面与碳相似，它也能形成长链，并且在许多硅酸盐矿物中非常丰富。科学家们也曾设想过硅基生命的可能性。但硅的化学性质不如碳灵活，它形成的化合物在常温常压下不如碳化合物稳定，并且硅的氧化物（如二氧化硅，即沙子）是固体，难以在生命过程中作为溶剂或运输介质。但我们不能完全排除在极端的环境下，硅基生命以某种我们无法想象的形式存在。
氧气的替代品：
高效的能量获取：即使没有氧气，生命也可能通过其他方式高效地获取能量。例如，一些厌氧菌通过分解硫化物、甲烷或氢气来获取能量。在没有氧气但存在其他还原性物质的星球上，生命可能会演化出类似的代谢途径。
替代的氧化剂：在某些极端环境下，其他化学物质可能充当氧化剂。例如，如果一个星球的大气中含有大量的卤素（如氯或氟），或者有丰富的氧化性金属化合物，它们可能被用来进行氧化还原反应。
光能的直接利用：就像地球上的光合作用一样，如果一个星球有合适的光源，生命可能直接利用光能，而不需要依赖氧气进行复杂的呼吸作用来获取能量。这可能是一种完全不同的能量获取模式。
环境的适应性：生命总是在不断适应其环境。地球生命之所以是现在的样子，很大程度上是因为地球的环境促成了这样的演化路径。一个完全不同的行星环境，可能会驱动出完全不同的生命形式，它们的“必需品”也会随之改变。
低重力行星：可能演化出更纤细、更轻盈的生物体。
高辐射行星：生命可能需要更强大的DNA修复机制，或者生活在地下。
无液态水但有冰的世界：生命可能存在于冰层下的地下海洋中，利用地热能。
没有行星磁场保护的世界：生命可能更倾向于存在于地下或有大气层厚重保护的区域。

总结一下：

我们说地球生命需要水和氧气，是基于对地球生命形式的观察和对这些物质在维持地球生命活动中的作用的深入理解。水作为万能溶剂、反应媒介和温度调节剂的角色是极其关键且难以取代的。氧气则是当前地球上大多数复杂生命进行高效能量代谢的必要条件，并且也间接提供了臭氧层的保护。

然而，科学的魅力在于其开放性。宇宙是如此广阔和多样化，我们不能傲慢地认为地球就是生命的唯一模板。其他星球上的生命，如果它们存在的话，可能已经找到了完全不同的“生存秘诀”。它们可能在液态甲烷中游泳，以硫化物为食，或者以我们尚未想象到的方式利用能量和维持其结构。

因此，当我们寻找地外生命时，我们不仅仅是在寻找“地球生命的翻版”，更是在探索生命本身的可能性边界。虽然水可能是一个非常普遍且重要的线索（因为它的化学性质实在太优越了），但我们也应该保持开放的心态，去发现那些可能完全颠覆我们现有认知的新型生命形式和生存方式。这正是天体生物学令人着迷之处——它迫使我们跳出固有的思维模式，去拥抱宇宙的未知与可能。

网友意见

题目所述的是典型的误解，这个“为什么”应该换成“是不是”。

首先，地球上的生命并不都需要氧气：

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）。

其次，水在宇宙中的存在十分普遍，你找不到什么“没有水的行星”，彗星、小行星、星际物质都可以给行星输送更多的水。

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。

再者，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。

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，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“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。你可以看看最近围绕金星的争论：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。

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。

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，对生物的定义博爱一点的话，地球上就有完全不需要水的生命形式。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。

现实中科学家在病毒算不算生物的问题上意见并不统一。认为病毒不是生物的科学家的理由是病毒无法自行表现出生命现象，必须依靠寄生在其它活细胞上来复制，行为介于生命体及非生命体之间，不是生物也不是非生物。为此，在很长时间里，有许多学者为地球碳基生物设置了“区分生命与非生命的关键是拥有核糖体以及进行翻译的能力”这样平时你不会遇到的标准，将病毒排斥在生物之外。但2020年2月以来，科学家已经发现很多大型噬菌体拥有这种翻译机制^[9]——是真的很多。

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^[10]，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

^ https://arxiv.org/abs/1906.08788
^ https://www.sciencealert.com/a-bunch-of-potential-tabby-s-star-alikes-have-just-been-identified
^ https://digitalcommons.unl.edu/cgi/viewcontent.cgi?article=1054&context=physicsschmidt
^ 红矮星会自然光解出氧，就不需要看氧了。
^ 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。
^ 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
^ 探索方法可以参照：https://www.zhihu.com/question/421487483/answer/1480425264
^ 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
^ https://www.nature.com/articles/s41586-020-2007-4
^ 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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