克拉肯是傳說中的海妖，而科學家用它命名了泰坦上的甲烷海。

左圖是卡西尼探測器在近紅外波段上拍攝的泰坦。圖中我們可以看到泰坦極地附近海洋表面反射的陽光。反光位于克拉肯海的南部。克拉肯海是泰坦最大的液态物質聚集體。它内含甲烷和其它烴類（碳氫化合物）。右圖是克拉肯海的雷達圖像，也是卡西尼探測器拍攝的。“克拉肯”是傳說中的挪威海妖，這個名字體現了天體生物學家對這片外星海洋的神往。NASA / JPL

泰坦（土衛六）是土星最大的衛星。泰坦上會有生命嗎？在這個問題的驅使下，天體生物學家和化學家針對生命的化學構成，及其在其它行星上的不同情況，進行了認真而富有創見的思考。今年初，來自美國科内爾大學的一些學者發表了一篇頗為“前衛”的科學論文，探讨了細胞膜在泰坦奇特的化學環境中可能具有的形式。

土星環側面後方的泰坦（土衛六）。照片由卡西尼探測器拍攝。NASA / JPL

在很多方面，泰坦就像是地球的孿生兄弟。它是太陽系最大的衛星，比水星還要大。和地球一樣，它有一個穩健的大氣層，這個大氣層的氣壓隻比地球略高。泰坦是太陽系除了地球以外唯一一個地表擁有大量液體的天體。NASA的卡西尼探測器在它的極地發現了大量湖泊甚至河流。最大的一個湖泊，也被稱為海，名為“克拉肯海”。“克拉肯海”比地球上的裡海還要大。觀測和實驗還表明，泰坦大氣富含生命的基本材料——複雜有機分子。

泰坦上的甲烷湖在陽光照射下産生的反光。照片由卡西尼探測器拍攝。NASA / JPL

這一切讓泰坦看起來像是個适合生命繁衍的星球。“克拉肯”是傳說中的海妖，用海妖為泰坦上的海洋起名，多少反映了天體生物學家對在泰坦上尋找生命的渴望。但泰坦是地球的一個非常不同的孿生兄弟。它距離太陽比地球要遠幾乎十倍，表面溫度隻有-180攝氏度。對于我們所知的生命而言，液态水是必不可少的。但泰坦上所有水都是以固态冰的形式存在的。水冰在泰坦上扮演的，是地球上矽酸鹽岩石的角色，它們構成了這個天體的外殼。（譯注：泰坦外殼下方100千米處可能也有一個由液态水和氨構成的全球性地下海洋。）

泰坦甲烷湖藝術渲染圖。NASA / JPL

泰坦湖泊和河流中的液體不是水，而是液态甲烷，或許還混有其它液态烴類物質，如乙烷。而這些東西在地球上都是以氣态存在的。如果泰坦的海中有生命，那它們的形态必然和我們所知的生命不同。這種生命形式誕生的基礎，是溶解在液态甲烷而非液态水中的有機分子。這種情況有可能發生嗎？

科内爾大學的這個科研小組對細胞膜在液态甲烷中存在的可能性進行了研究，這是個頗具挑戰性的關鍵性問題。所有生命細胞從本質上來說，是一個被細胞膜包裹在内的，能夠自我維持的化學反應網。據研究，細胞膜在地球生命史上出現得非常早，它們的形成，可能是生命起源的第一步。

地球上，細胞膜是由一種名為磷脂的大分子構成的。每個磷脂分子有一個“頭部”和一個“尾部”。頭部内含一個磷酸基團，一個磷原子與多個氧原子相連。尾部包含一條或多條碳原子鍊，每條碳原子鍊通常由15至20個碳原子構成，每個碳原子兩側各與一個氫原子相連。磷酸基團帶有負電荷，因此磷脂分子頭部的電荷分布是不均勻的，我們稱其為極性。而分子尾部的電荷是中性的。

地球上的細胞膜是由磷脂分子溶解在水中後形成的。磷脂分子有一條由碳原子構成的主幹（灰色），同時也含氫（青色）、磷（黃色）、氧（紅色）和氮（藍色）。由于含氮膽堿團帶正電，磷脂團帶負電，分子頭部帶有極性，能夠吸引水分子，因此是親水性的。由碳和氫構成的尾部是中性的，是疏水性的。細胞膜的結構是由磷脂和水分子的電特性産生的。磷脂分子能夠形成一種雙層的膜，親水頭部朝向外側，與水接觸，而疏水的尾部朝向内側，兩層分子的尾部面對面地排列在一起。Ties van Brussel

這些電特性決定了磷脂分子溶解于水時的表現。從電的角度而言，水是一種極性溶劑。水分子中的電子與氧原子的結合力要遠遠強于和兩個氫原子的結合力。因此，水分子中兩個氫原子的一側，帶有微弱的正電荷，而氫原子一側帶有微弱的負電荷。水的這種極性特點，使之能夠與磷脂分子的頭部相結合，也就是說磷脂分子的頭部是親水的，與此同時磷脂分子的尾部會與水互相排斥，也就是說它是疏水的。

當磷脂分子溶于水時，會在這兩者電特性的共同作用下，以特定的排列方式形成磷脂膜。磷脂膜圍合形成的球體名為脂質體。磷脂膜的厚度為兩個分子，是一種雙層結構。極性親水頭部分别朝向膜的内外兩側，與水接觸，而兩排疏水的尾部像三明治一樣被夾在中間。磷脂分子膜能夠在保持這種固定結構的同時，又為生命提供足夠的柔韌性。

雙層的磷脂分子膜構成了地球生命細胞膜的基礎。脂質體能夠生長、複制，能夠為生命提供重要的化學反應，因此一些生化學家認為，脂質體的形成，可能是生命産生的第一步。不管怎麼說，細胞膜的出現，無疑是地球生命誕生過程中較早的一步。

左邊是由氫（H）和氧（O）組成的水分子，它是一種極性溶劑。氧原子的電子吸附力遠大于氫原子，導緻分子的氫一側帶正電，氧一側帶負電。德爾塔标記表示隻帶部分電荷，少于一個單位的正電荷和負電荷。右側是甲烷，一種非極性溶劑，因為氫原子（H）在碳原子（C）周圍的分布是對稱的。Jynto / Paul Patton

假如泰坦上存在某種形式的生命，無論是海妖還是微生物，細胞膜也是必需的。相同的磷脂雙層分子膜是否能夠在泰坦的液态甲烷海中形成？答案是否定的。因為和水不同，甲烷分子的電荷分布是均勻的。它缺乏水的極性特點，所以無法吸引磷脂分子帶有極性的頭部。而這在地球細胞膜的形成過程中是必須的。

實驗證明，在地球室溫條件下，磷脂也能夠溶解于非極性液體中。在這種情況下，磷脂可以形成一種相反的雙層膜結構。形成這種膜的分子極性頭部朝内，靠它們帶有的電荷吸引在一起。而非極性的尾部朝外，形成膜的兩面，與非極性溶劑接觸。

左邊是溶于極性溶劑——水中的磷脂。它們構成了一種雙層的膜，它們的極性親水頭部朝外與水接觸，疏水的尾部抵在一起。右邊是常溫下溶于非極性溶劑的磷脂，它們形成的是一種反向的膜。極性頭部互相吸引在一起，非極性的尾部朝向外側，面對非極性溶劑。Paul Patton

然而這泰坦上這卻行不通，原因有兩個。首先液态甲烷的溫度太低，磷脂分子的尾部會變硬，無法形成有足夠柔韌性的膜狀結構。其次是因為磷脂的兩大關鍵性原材料——磷和氧，在泰坦的甲烷湖中幾乎不存在。生命要在泰坦上立足，必須另辟蹊徑。

即便在泰坦上細胞膜不是以磷脂為基礎的，科學家也有理由相信，它們的結構也和實驗室中制造出來的反向雙層磷脂膜類似。它們多半是由溶解在非極性液态甲烷中的極性分子結合在一起形成的。哪些分子有這種潛力呢？為了尋找答案，科學家分析了卡西尼探測器獲得的數據，以及泰坦大氣化學成份的實驗室重建結果。

泰坦的大氣成份非常複雜，大部分由氮氣和氣态甲烷組成。卡西尼探測器運用光譜分析手段，在泰坦的大氣内發現了多種由碳、氮和氫構成的化合物——腈類和氨類。科研人員在實驗室中模拟了泰坦的大氣成份和光照條件，結果生成了一種名為“托林”的有機分子。（譯注：這種物質使泰坦地表呈現紅色，同時也可能是冥王星地表呈現紅色的原因。）而與此同時，還出現了腈和胺。

丙烯腈可能會是泰坦液态甲烷中細胞膜的基礎。它在泰坦大氣中的含量是百萬分之十，也能夠在實驗室的模拟中産生。作為一種能夠溶解于液态甲烷的小型極性分子，丙烯腈能夠在泰坦的替代生化環境中，成為構建細胞膜的候選物質。青色：碳原子，藍色：氮原子，白色：氫原子。Ben Mills / Paul Patton

科内爾大學的科研人員認為，腈和胺可以成為構建泰坦生物細胞膜基本結構的候選者。因為它們都有極化的分子，都能夠在非極化的液态甲烷中，依靠極化的含氮基團結合在一起，形成膜狀結構。而且有理由相信，泰坦上的候選分子要比磷脂小，這樣它們才能夠在低溫的液态甲烷中，使膜保持柔韌。而腈和胺擁有的碳鍊，碳原子數量隻有3到6個。

由于含氮基團又名“偶氮”團。為了與“脂質體”相對應，科研小組把這種假想的泰坦生命基本構造稱為“偶氮體”。

合成偶氮體是困難的，也是昂貴的，因為實驗要在寒冷的液态甲烷中進行。但是由于候選分子已在其它領域中被研究得相當廣泛，因此科研人員認為，通過計算化學來測定它們是否能夠在液态甲烷中形成具有柔韌性的膜是可行的。計算機模型已經被成功地運用在傳統的磷脂細胞膜研究上。

極性的丙烯腈分子能夠在非極性的液态甲烷中“頭尾相連”，形成一種膜狀結構。James Stevenson

計算模拟結果表明，某些候選分子可以排除，因為它們無法黏合成膜，柔韌性不好，或會變成固體。但是結果同時也顯示，有很多這類物質能夠形成特性恰到好處的膜。其中一種名為丙烯腈。

卡西尼探測器的探測結果表明，泰坦大氣中此類物質的含量大約為百萬分之十。盡管偶氮體和脂質體的溫度相差懸殊，但是它們卻令人吃驚地擁有相似的穩定性和力學适應能力。

生命的細胞膜，也可以在液态甲烷中存在。

計算化學模拟結果顯示，丙烯腈及其它小型極性含氮有機分子溶解在液态甲烷中後，能夠形成一種“偶氮體”。“偶氮體”是一種被膜包裹着的小球，和磷脂溶解于水後産生的脂質體相似。模拟結果顯示，丙烯腈偶氮體能夠在極端低溫的液态甲烷環境中同時保持穩定性和柔韌性，而這種特性是構建假想中泰坦生命，或其它液态甲烷世界生命的細胞膜所需的。偶氮體的直徑大約是9納米，大小和病毒差不多。James Stevenson

這一探究的含義，已經超出了其本身。它為未來探測器在泰坦上尋找生命，指出了一個方向。影響十分深遠。

天文學家在星系内尋找适合生命存在的環境時，通常會在恒星的宜居帶内尋找系外行星。宜居帶是一個狹窄的軌道區間，在那裡，如果行星的大氣和地球相似，那麼這個行星的表面就可能有液态水。假如甲烷生命确實存在，那麼恒星周圍還會有甲烷宜居帶，也就是能夠使甲烷在行星或衛星表面保持液态，從而使甲烷生命得以存在的軌道區間。如果是這樣，那麼星系中宜居行星世界的數量就會大增。

也許在某些世界上，甲烷生命能夠進化成我們難以想像的複雜形态。也許它們長得就像“克拉肯”海妖。

傳說中的“克拉肯”海妖（看起來像隻大烏賊）。Chris-Garrett

Paul Patton文 /老孫譯

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