生命留下的模式

Fabian Klenner self portrait
Self portrait · Photo courtesy of Dr. Fabian Klenner

搜寻地球之外的生命正转向一个新领域:隐藏在分子中的统计秩序

数十年来,寻找地球之外生命的工作经常建立在一个看似简单的前提之上:找到正确的分子。例如氨基酸或脂肪酸,也就是生命化学活动留下的分子特征。然而,仅仅发现这些化合物从来不足以证明生命的存在。它们能够在太空中自然形成,能够出现在陨石之中,也能够在模拟早期行星化学环境的实验室实验里产生。生命会制造它们,而宇宙本身即使没有生命参与,同样也会制造它们。

发表在《自然·天文学》上的一项研究提出了另一种思考方式。真正值得关注的,或许并不是存在哪些分子,而是这些分子如何被组织起来。研究人员发现,生命系统会在相关有机化合物中留下独特的统计模式,而这种模式并不会在非生物化学过程中自然重现。这种特征并不储存在某一个单独的分子之中,而是从分子彼此之间的关系中显现出来。

这项研究借鉴了一个看似与天体生物学相距甚远的领域:生态学。生态学家用来衡量生态系统中物种丰富度与均匀度的多样性指标,在分子世界中竟然同样适用。研究团队将这一框架应用于约一百组数据,涵盖微生物、土壤、化石、陨石以及实验室合成样本,结果能够稳定地区分生物来源与非生物来源的材料。更引人注目的是,即使在经历长期降解之后,包括已经化石化的恐龙蛋壳在内的样本,仍然保留着能够被识别的规律痕迹。

我们与这项研究的合著者 Fabian Klenner 进行了对谈,讨论这种组织性特征究竟揭示了什么,以及它对于在土卫二、木卫二及其他天体上寻找生命意味着什么。

Multidimensional scaling plot of biotic and abiotic amino acid samples
Multidimensional scaling plot showing the statistical dissimilarity between amino acid samples of biotic origin (green), abiotic origin (pink), and mixed samples (blue). Biotic and abiotic samples cluster distinctly, demonstrating that biological systems (life) leave a characteristic statistical pattern in its molecular organization · Image credit: Yoffe, Klenner et al., Nature Astronomy, 2026

题图:Artist's impression of the Cassini spacecraft flying through the plume of Enceladus, one of Saturn's moons · Image credit: NASA/JPL-Caltech

对话

关于统计生物特征论文

Our Narratives您最近发表在《自然·天文学》上的研究提出,识别生命的关键或许不在于它产生了哪些分子,而在于这些分子所呈现出的统计秩序,例如氨基酸和脂肪酸在样本中的分布特征与多样性。在讨论这项发现对生命探测的意义之前,我更想先谈谈它背后的理念。这是否意味着,真正重要的并非某一种物质本身,而是物质之间形成的模式与关系?从某种意义上说,生命是一种组织物质的方式,而不仅仅是一组特定的分子?

Fabian Klenner 某种程度上,两者都很重要。生命确实依赖特定的分子,包括氨基酸、脂肪酸、DNA,以及许多其他化合物。但同样重要的是,这些分子并不是随机存在的,它们会以特定的方式被选择、组合和使用。我们的研究显示,正是这种规律会留下能够被检测到的痕迹。

以氨基酸为例。在非生物化学过程中,通常只有少数几种氨基酸更容易形成,因此它们往往占据主导地位。但生物体并不会只利用最容易获得的分子。它会为了完成特定功能而合成所需的分子,即使这样做需要付出更高的能量成本。

脂肪酸也是类似的情况。理论上可以存在许多不同类型的脂肪酸,但生命只会使用其中的一部分,因为细胞膜的功能依赖于特定的化学性质。无论是氨基酸还是脂肪酸,我们看到的都不是化学反应自发产生的结果,而是一种围绕功能形成的选择与安排。这正是我们所说的统计秩序。

不过,我也不会因此认为,模式本身就足以定义生命。我们的研究表明,生物系统会留下具有特征性的统计规律,但这并不意味着只要存在规律,就一定存在生命。如果我把一堆石头摆成某种图案,那同样是一种规律,但显然不是生物学意义上的生命。

因此,对于生命而言,两者缺一不可。既需要构成生命的物质基础,也需要赋予这些物质意义与功能的组织方式。

Simulated mass spectrum showing amino acids and fatty acids
Simulated mass spectrum showing amino acids and fatty acids at the relative abundance ratios expected from biological systems (life). Amino acids, even-chain fatty acids, odd-chain fatty acids, and background compounds are marked · Image credit: Klenner et al., Astrobiology, 2020

Our Narratives这项方法借用了生态学中的多样性指标,也就是用来衡量一个生态群落中物种数量及其分布情况的工具。原本用于描述物种分布的框架,如今却能够揭示生命细胞中的化学特征,这意味着什么?这种现象是否暗示着生命在不同尺度上遵循着某些共同的原则?更进一步地说,这些统计模式是否反映了生命在无序不断增长的过程中维持秩序的能力?在您看来,我们是否正在接近一种更具普适性的生命理解?

Fabian Klenner 这些都是非常有趣的问题,也是我很喜欢思考的问题。生态学中的多样性指标能够在分子层面发挥作用,或许确实暗示着某种更深层的联系,但我认为目前还没有足够证据得出这样的结论。毕竟,这些指标最初是为了描述生态系统中的物种分布而设计的,并不是为了区分生命与非生命。

不过,同一种统计方法能够跨越如此不同的尺度,的确令人着迷。从分子到细胞,再到生物体和生态系统,我们似乎都能看到某些相似的规律。一个可能的解释是,生命在组织自身时会留下特定的统计特征,而这些特征会在不同层面反复出现。但这是否反映了生命更深层的组织原则,目前仍然是一个开放的问题。

我们的研究本身并不是在尝试定义生命。我们所展示的是,生物系统会在分子丰度的分布中留下具有辨识度的模式。生命确实需要持续消耗能量来维持局部的有序状态,但生命远不止于此。它还涉及代谢、演化、适应环境以及处理信息等许多过程。

因此,我并不认为目前已经存在一个能够被广泛接受、同时涵盖所有这些特征的生命定义。生命究竟是什么,仍然是科学中最根本、也最值得继续探索的问题之一。


Our Narratives研究中最引人注目的结果之一,是即使经过严重降解的生物样本,包括恐龙蛋化石,仍然保留着能够被识别的生物痕迹。从某种意义上说,生命早已消失,但它留下的规律仍然存在。这意味着什么?对于那些经历了漫长时间、甚至化学环境已经发生巨大变化的生命痕迹,这项发现带来了哪些启发?

Fabian Klenner 这是这项研究对行星探测最重要的意义之一。我们希望探索的许多环境都相当恶劣,有机分子会在漫长岁月中不断被破坏和改变。在天体生物学中,我们寻找的不只是今天仍然存在的生命,也包括那些早已消失的生命。

我们方法的一大优势在于,即使原始物质已经发生了显著变化,它仍有可能识别出生命留下的痕迹。

事实上,生命在消失之后仍留下痕迹并不是一个陌生的概念。化石就是最直接的例子。我们在研究中发现,即使是已经高度退化的恐龙蛋化石,在分子层面依然保留着可以辨识的生命信号。当然,我们事先就知道那些样本确实来自恐龙蛋。

真正令人鼓舞的是,这表明生命留下的痕迹有时比组成生命的单个分子保存得更久。对于行星探测而言,这是一个重要信息。无论是在火星、木卫二、土卫二,还是其他天体上,潜在的生物物质都可能长期暴露在辐射、氧化作用以及各种地质过程之下。到了今天,那些最初的生物分子或许早已不复存在,但生命留下的整体规律仍有可能被保留下来。因此,我们寻找的未必只是原始分子本身,也可能是生命曾经存在过的组织痕迹。


Our Narratives在法医学中,对于什么构成有效证据有明确的程序规范,也有诸如“排除合理怀疑”这样的法律标准。天体生物学领域是否已经形成了类似的判断框架,还是说关于证据的定义仍然需要根据具体任务和具体发现来决定?在什么情况下,“无法排除生命存在的可能”会进一步发展为“这里很可能存在过生命”?

Fabian Klenner 我最喜欢举的例子是:假设我们通过望远镜看到另一个星球表面有生物在行走。大多数人都会认为,那已经是相当有说服力的生命证据。

遗憾的是,现实中的生命探测远没有这么直接。

其中一个根本问题在于,我们至今没有一个被普遍接受的生命定义,也没有一个所有人都认同的生命标志清单。那么,我们该如何寻找一种连定义本身都仍存在争议的事物?这也是为什么这个领域始终依赖多种不同方法,而不是寄希望于某一个决定性的指标。

我认为,目前的天体生物学还没有一个完全对应于法律中“排除合理怀疑”的统一标准。更常见的情况是,当来自不同方向的证据不断指向同一个结论时,我们的信心会逐渐增强。

因此,要建立令人信服的生命证据,我们需要多种彼此独立的观测结果,同时还要结合它们所处的环境来理解这些发现。只有当生命成为所有已知事实中最简单、最合理、也最能解释现象的答案时,我们才会开始说:这里很可能存在过生命。

我们的方法并不是生命存在与否的最终裁决。它更像是一块拼图,为整体证据提供额外的信息,并帮助我们逐步接近答案。


关于土卫二、木卫二及海洋世界

Our Narratives您的研究长期关注土卫二和木卫二。这两颗卫星都被认为拥有隐藏在冰层下的液态海洋,其中土卫二甚至持续向太空喷发来自内部的物质。是什么让它们成为太阳系中最值得寻找生命的地方?对于这些深藏于冰层之下的海洋,我们已经知道些什么,而哪些部分仍停留在推测与想象之中?

Fabian Klenner 根据目前掌握的证据,土卫二和木卫二很可能是地球之外最有希望发现生命的地方,因为它们似乎同时具备生命所需的几个基本条件:液态水、有机化学,以及能够长期维持化学活动的能量来源。

当然,太阳系中还有其他值得关注的冰冻世界,例如土卫六。但木卫二和土卫二特别引人注目的一点在于,它们的海洋很可能直接接触岩石内部。这样的环境能够产生丰富的化学反应,并为潜在的生命提供营养和能量。

如果要说土卫二最大的优势,我认为是它让我们得以直接接触地下海洋。它不断向太空喷射冰粒和气体,而这些物质被认为来自其内部海洋。这意味着航天器无需着陆,也不需要穿透数公里厚的冰层,就有机会采集来自海洋内部的样本。

木卫二的优势则可能在于时间。它的海洋或许已经稳定存在了极其漫长的岁月。如果生命确实需要很长时间才能出现并逐渐演化,那么木卫二可能拥有比许多其他环境更充裕的时间尺度。

至于这些海洋内部究竟发生着什么,至今仍是这个领域最核心的问题之一。我们已经发现了一些线索,例如海水与岩石之间的化学作用、溶解在海洋中的盐类、有机化合物的存在,以及能够将海洋内部与表面联系起来的物质交换过程。

但与此同时,许多关键问题仍然没有答案。我们还不清楚这些海洋的化学环境究竟如何,也不知道其中究竟蕴藏着多少可供生命利用的能量。更重要的是,我们仍然不知道这些世界是否曾经孕育过生命,或者今天是否依然存在生命。

正因为如此,世界各大航天机构才持续将目光投向这些遥远的海洋世界,并不断规划新的探测任务。我们真正想回答的问题始终只有一个:在这些被冰层封存了数十亿年的海洋深处,是否曾经发生过生命的故事。


Our Narratives土卫二的羽流为我们提供了一个非同寻常的机会。这颗卫星仿佛主动将其内部世界的样本送到经过的探测器面前。然而,当我们分析这些喷射出来的物质时,从某种意义上说,我们所研究的是它释放出的痕迹,而不是海洋内部完整的化学环境。对于那些最终能够离开内部海洋并抵达太空的物质,您是否担心它们只是经过筛选后的部分样本?从长远来看,亲自抵达那里并进行直接观测,是否具有某种无法被替代的重要意义?

Fabian Klenner 我认为这种担心是完全合理的。事实上,我几乎可以肯定,我们能够采集到的只是海洋的一部分信息。这既增加了研究的难度,也让土卫二变得更加有趣。

在物质从地下海洋上升、穿过裂缝并最终喷射到太空的过程中,有些化合物可能会发生变化,有些可能更容易被带出,而另一些则可能根本无法离开海洋。因此,羽流并不是海洋的完整复制品,而更像是一扇有限的窗口。

正因为如此,我们必须尽可能理解这些羽流是如何形成的,以及物质在穿越地下通道的过程中经历了什么。只有这样,我们才能正确解读航天器所测量到的数据。

我们也应当认识到,这个机会本身是多么难得。土卫二实际上让我们得以接触来自其内部的物质,而这一切无需着陆器,也无需钻穿厚厚的冰层。即便获得的样本并不完整,它们仍然能够揭示大量关于海洋化学环境以及是否具备孕育生命条件的信息。我认为,行星科学中最重要的任务之一,就是尽可能深入地了解土卫二的羽流及其地下海洋。即使未来某一天我们得出结论,认为土卫二并不存在生命,我们依然能够从中获得极其丰富的认识与发现。

在我看来,目前最重要的任务之一,就是尽可能深入地了解羽流本身,以及它与地下海洋之间的联系。即使未来我们最终得出结论,认为土卫二并不存在生命,我们依然会对一个完全陌生的海洋世界有前所未有的认识。

当然,从更长远的角度来看,我确实认为亲自抵达那里具有不可替代的价值。未来如果能够在表面着陆,分析新近沉积的物质,甚至进一步接近地下海洋,我们将获得比羽流观测更加完整的图景。

归根结底,羽流让我们得以窥见海洋,而真正进入那个世界,则有机会让我们理解它。

Artist's impression of NASA's Europa Clipper spacecraft
Artist's impression of NASA's Europa Clipper spacecraft flying by Europa, with Jupiter in the background · Image credit: NASA/JPL-Caltech

Our Narratives您同时参与木卫二快船任务,并投入未来土卫二探测任务的规划工作。这些项目往往需要数十年时间才能完成。从提出问题、设计仪器,到最终获得数据,中间可能跨越整整一代科学家的职业生涯。您如何看待在这样的时间尺度上从事科学研究?当您今天设计的一项实验,可能要在多年甚至数十年后才迎来答案时,这是一种怎样的体验?

Fabian Klenner 说实话,我始终觉得自己非常幸运,能够参与这些太空探测任务。以木卫二快船为例,在我看来,它是当代最令人期待的天体生物学任务之一。能够与如此优秀的科学家和工程师共事,并知道自己今天所做的部分工作,未来或许会帮助人们理解几年甚至几十年后获得的数据,这让我感到既荣幸,也充满敬畏。

太空探索天然属于一个与日常科研不同的时间尺度。从任务构想到研制、发射,再到数据返回,往往需要经历漫长的岁月。这确实需要耐心,但与此同时,也让人对任务产生一种特别的联系感。

我很清楚,自己今天所参与的一切,都建立在许多前辈几十年来积累的成果之上。而与此同时,我们所做的工作也将成为后来者继续探索的基础。某种意义上,这是一场跨越世代的接力,每个人都只负责其中的一段旅程。

对我而言,这种漫长的等待并不会让人感到沮丧,反而令人振奋。十五年前,我从未想过自己有机会参与真正的太空探测任务。更难以想象的是,今天所做的一项实验、一个模型,未来某一天或许能够帮助回答人类最古老的问题之一:在这片宇宙中,我们是否是唯一的生命?每当想到这一点,我都会感到由衷的惊叹。

能够为这样的探索贡献一小部分力量,本身就已经是一件非常了不起的事情。


关于更宏大的问题

Our Narratives如果未来我们在土卫二的羽流样本,或木卫二的海洋化学中,发现了与生命活动相符的统计模式,而这种生命既不具备地球生命的生物化学特征,也无法被直接观察,那么我们该如何理解这样的发现?如果我们知道宇宙中存在另一种生命,却始终无法看见它、接触它,甚至不知道它究竟是什么模样,这意味着什么?

Fabian Klenner 在我们的研究中,我们发现,氨基酸和脂肪酸这些地球生命广泛使用的分子,会呈现出能够区分生命与非生命的统计规律。从理论上讲,如果地外生命也会在其化学体系中留下类似的规律,而我们又能够测量到相关分子的丰度分布,那么这种方法或许同样能够察觉它们的存在。

不过,当谈到土卫二和木卫二时,我并不会首先假设那里存在一种与地球完全不同的生命形式。我们已经知道,这些世界拥有液态水、有机化学,以及能够长期维持化学活动的能量来源,而这些恰恰也是地球生命赖以出现的重要条件。

因此,我认为从我们已知的生命出发进行寻找,是一种非常合理的策略。即使那里的生命是独立演化出来的,它也可能在许多基本层面与地球生命存在相似之处,因为它们面对的是相同的物理与化学条件。

更广泛地说,我认为有必要区分“发现生命”和“理解生命”这两件事。检测到某种生物特征,或许能够告诉我们那里存在生命,但未必能够告诉我们这种生命是什么样子,如何运作,又经历了怎样的演化历程。

即便如此,这样的发现仍将具有深远意义。

如果我们能够确认生命曾在另一个世界独立出现,那将从根本上改变人类对自身处境的理解。它意味着生命并非地球独有的偶然现象,而是宇宙在适当条件下可能反复产生的结果。

即使我们暂时无法看见那些生命,也无法真正了解它们的模样,仅仅知道它们存在过,就已经足以改变我们对于生命、对于宇宙,以及对于自身位置的认识。


Our Narratives天体生物学有时被形容为一个仍在寻找研究对象的学科。它发展出了越来越精密的探测技术,却至今尚未发现任何地外生命。这样的处境是否塑造了这个领域的思维方式?当我们只有地球生命这一个已知案例时,是否有些问题变得更难提出,有些假设也更难被检验?

Fabian Klenner 我认为,天体生物学远不只是寻找地外生命。它同样关心生命如何在地球上出现、如何演化、生命在宇宙中的分布,以及生命未来可能的发展方向。发现地外生命无疑将是人类历史上最重要的科学发现之一,但这并不是这个领域唯一关心的问题。

当然,目前只有地球生命这一个已知案例,确实深刻影响着我们的思考方式。我们对生命的所有理解,几乎都来自同一个样本。因此,许多问题的提出方式,以及我们寻找答案的方法,也在不断变化。

天体生物学本身就是一个高度跨学科的领域。随着新的观测、新的技术和新的探测任务出现,我们对于生命可能存在于何处,以及应该如何寻找它的认识也在持续改变。五十年前,许多今天认真研究的问题仍更接近哲学讨论,甚至常被视为科幻故事中的设想。而今天,我们已经能够利用真实的数据和实验去检验其中的一部分想法。


Our Narratives您曾提到,您的合作者 Gideon Yoffe 博士将天体生物学形容为一种法医学。研究者需要依据有限而零散的线索,推断曾经发生过的过程。顺着这个比喻,我想问一个看似简单却十分关键的问题:对于您来说,一次失败的生命探测意味着什么?如果发现了某种信号,您如何确认它确实来自生命?而如果什么都没有发现,您又如何判断那反映的是现实本身,而不是我们观测能力的局限?

Fabian Klenner 这个问题实际上触及了生命探测最核心的挑战。

在这个领域里,有一句经常被提及的话:没有证据,并不等于证明不存在。我们始终必须同时警惕两种情况。一种是误把非生命现象当成生命,也就是所谓的假阳性;另一种则是生命确实存在,但我们未能发现它,也就是假阴性。

过去,天体生物学更多关注前者,因为没有人希望过早宣称发现了地外生命。但近年来,人们越来越意识到后者同样重要。事实上,我最近与一组优秀的研究人员合作发表了一篇论文,讨论的正是这种情况:生命存在,却没有被探测到。

这也是为什么我认为,很难用一个简单的标准来定义什么叫作“失败的探测”。如果仪器没有发现任何生物特征,可能意味着那里确实没有生命;但也可能意味着生命留下的痕迹没有保存下来,或者我们采集到的样本并不具有代表性,又或者仪器本身无法识别那种信号。

理解这些限制,本身就是天体生物学工作的重要组成部分。

归根结底,我并不认为人类会凭借一次单独的观测就确认发现了地外生命。真正令人信服的结论,几乎一定来自多种彼此独立的证据相互印证。

同样地,如果我们想要有把握地得出“没有发现生命”的结论,也必须满足一个条件:假如生命真的存在,我们理应能够看到它留下的信号。只有在这种情况下,未能探测到生命才具有真正的说服力。

结论

Klenner 的研究所提出的,归根结底是一种看待生命痕迹的新方式。过去,人们关注的是某种特定分子是否存在;而如今,研究者开始关注这些分子彼此之间呈现出的规律。生命留下的线索,或许不仅存在于单个化合物之中,也存在于它们共同构成的模式里。与单一分子相比,这种规律更加微妙,却也可能更加持久。即使经历漫长岁月,即使原始物质已经发生改变,它仍有可能被保留下来。

关于什么样的证据足以证明地外生命的存在,科学界至今尚未形成统一标准。但这一标准正在逐渐成形。来自不同领域的研究不断提供新的线索,也让我们对生命究竟会留下什么痕迹有了更清晰的认识。每一项发现都在减少不确定性,也让我们离答案更近一步。统计生物特征正是其中的一部分。

在太阳系众多天体中,土卫二和木卫二依然是最令人期待的目的地之一。那里拥有液态水、复杂的化学环境,以及长期稳定存在的海洋。对于寻找生命是否会在不同世界以相似方式出现,这些海洋世界提供了难得的机会。

答案是否真的存在于那里,我们仍然不知道。

但正如 Klenner 所说,关于生命是否存在于地球之外的问题,已经不再只是哲学层面的追问。它正在一步步成为一个能够被观测、被测量,也终将能够被检验的科学问题。

Fabian Klenner 博士是 University of California, Riverside 行星科学助理教授。本次访谈所讨论的研究 《Molecular diversity as a biosignature》 发表于 2026 年 5 月的 Nature Astronomy。与此同时,一篇关于天体生物学中假阴性检测的相关论文于同年在同一期刊上发表。