我们**找到**了**外星**生命**吗**？

本文最初发表于《大众科学》2015年2月号。

肯尼斯·尼尔森看起来相当理智，不像是一个在实验室里孵化外星生命的人。

我们挤在他南加州大学（USC）斯托弗厅（Stauffer Hall）五楼的简朴办公室里。尼尔森穿着一件皱巴巴的短袖衬衫，脚蹬一双旧麂皮乐福鞋，脚上是白袜子——一副典型的放松的学术打扮——正舒适地靠在椅子上。墙上挂着一排令人印象深刻的学术奖项。他身后靠着一把磨损严重的吉他，有时他会弹奏吉他为妻子伴唱。而走廊对面，就是他这份宁静自信的解释：装满细菌的烧杯和瓶子，这些细菌正忙碌地打破长期以来公认的生物学规则。

尼尔森解释说，生命归根结底就是能量。从最庞大的蓝鲸到最不起眼的微生物，所有生物都依赖于电子的移动和操纵；这是生命物质生存、生长和繁殖的燃料。南加州大学的这些细菌也依赖能量，但它们获取能量的方式却截然不同。它们不像我们一样“呼吸”。在最极端的情况下，它们甚至不摄取任何传统意义上的食物。相反，它们以最基础的方式为自己提供能量：通过吃和“呼吸”电。尼尔森指着他的实验室。它们现在就在那里忙活。

“所有的教科书都说这不可能，”他说，“但天啊，那些东西就是在那电极上不停地生长，那里根本没有其他能量来源。”“在那电极上生长。”听起来不可思议。尼尔森转过身来面对我，露出了狡黠的笑容。“这确实有点像科幻小说，”他说。对生物学家来说，发现一种没有碳水化合物等分子能量来源就能存活的生命，就像看到乘客不坐飞机就能在空中飞行一样不可思议。

这项发现带来了一些重大的启示。在实际应用方面，电细菌可以被利用来制造生物燃料电池或处理人类废物。尼尔森告诉我，他的一位前学生刚刚获得了一笔资助，用于建造一个由细菌驱动的污水处理系统。但更重要的是，这类微生物似乎代表着地球上一个广阔、尚未充分探索的生命领域。它们甚至可能也是我们太阳系以外行星上生物多样性的重要组成部分。

尼尔森从未说出“外星人”这个词，但这个词却在谈话中挥之不去。他的细菌与我们之前遇到的任何东西都不同，它们迫使我们重新思考我们所知的生命。

发现

就像所有好的外星故事一样，这个故事始于一次“绑架”——只不过是一种科学意义上的绑架。这次的“绑架者”不是人，而是一种矿物。尼尔森开始娓娓道来。

1982年，他还是加州大学圣地亚哥分校斯克里普斯海洋研究所（Scripps Institution of Oceanography）的教授，当时他听说了纽约州奥尼达湖（Oneida Lake）发生的奇怪事件。每年春天，融雪会将周围山上的锰冲刷进湖中。然后，风会搅动湖水，使溶解的金属与氧气有效结合，形成固态的氧化锰，并沉入湖底。问题是，科学家们并没有找到预期的那么多。某种东西正在以地质学上预期速率的1000倍以上速度使氧化锰消失，却没有人能找出原因。

“如果这个速率真的这么快，我就知道一定是生物活动在起作用，”尼尔森说。他怀疑湖中的细菌几乎和氧化锰形成的速度一样快地将其分解。这个理论听起来很合理，但却与教科书上的观点相悖：微生物就像我们一样，无法分解一块未经加工的金属。这个谜团一直困扰着他。1985年，尼尔森调到威斯康星大学密尔沃基分校（University of Wisconsin–Milwaukee），并开始在奥尼达湖进行研究，以验证他的猜测。

经过两年的搜寻，尼尔森成功地确定了那个“盗窃”氧化锰的罪魁祸首：希瓦氏菌（Shewanella），这是一种与他以往所知的任何细菌都不同的细菌。“当我看到希瓦氏菌能做什么的时候，我就疯狂了，”尼尔森说。“我把所有的学生都叫到实验室，我说：‘这是一个非常非常重要的生物，需要大家去了解。没有人会相信它。我们需要10到15年才能让全世界相信这是真的。’”

图片来源：Yuri Gorby, Rensselaer Polytechnic institute

尼尔森说，对于大多数有生命的、呼吸空气的生物来说，“我们吃的葡萄糖提供电子，我们呼吸的氧气接收电子，而这种电子流就是维持我们身体运转的能量。”这是基本的新陈代谢。对每个生物来说，挑战都在于找到提供电子的来源和接收电子的地方，以完成电路。希瓦氏菌从碳水化合物中获取电子，但它以一种非同寻常的方式释放电子：“它游到金属氧化物旁边进行呼吸。”尼尔森说。“我们称之为‘呼吸岩石’。”科学上的异端由此开始。

希瓦氏菌的外膜上布满了微小的化学导线，由特殊的蛋白质构成，可以将电子从细胞中导出。这些导线直接与氧化锰接触，这就是它如何沉积电子并“呼吸”固体物质的方式。此外，尼尔森意识到，细菌根本不在乎它膜外面的物质是氧化锰还是其他什么，只要它能完成电回路就行。

就在尼尔森和他的团队收集证据证明希瓦氏菌正如表面看起来那样非同寻常时，另一位微生物学家也做出了类似的发现。德里克·洛夫利（Derek Lovley），当时是美国地质调查局（U.S. Geological Survey）的项目负责人，在波托马克河（Potomac River）底部发现了一种能移动电子的细菌，名为地杆菌（Geobacter）。“地杆菌的蛋白质起源于完全不同的进化路径，但它们解决了同一个问题，”尼尔森说。发现两种不相关的、偏爱“生”电的微生物，为希瓦氏菌并非特例提供了令人欣慰的证据。

这时，尼尔森意识到地球的微生物图景可能与人们的设想大相径庭。他也意识到，自己可能才刚刚开始探索电细菌的真正能力。

“没有人会相信它。我们需要10到15年才能让全世界相信这是真的。”

奇特的代谢

尼尔森团队的博士后研究员安妮特·罗（Annette Rowe）正在实验室里，就在我与尼尔森交谈的隔壁房间，以极限速度探索生命的外延。那里有鱼缸、试管、电线、培养箱，以及带有推入式操作手套的厌氧室，看起来像是《犯罪现场调查》（CSI）里的道具。我经过一个装有缓慢搅拌液的大缸，里面养着一群希瓦氏菌。（“哦，可惜你看不到它们，”罗抱歉地说。）尼尔森的励志照片从高高的书架上俯瞰着。样本标题：“我在看着你”和“给我打起精神来工作”。

这个地方看起来有点像一个微生物水族馆，实际上也差不多就是这么回事。就像尼尔森在奥尼达湖发现了希瓦氏菌一样，罗和她的同事们一直在当地海洋环境中搜寻其他电细菌，越奇怪越好，然后进行培养，试图弄清楚它们是如何运作的。

“我们一直在卡特琳娜港（Catalina Harbor）工作。那里有一个非常好的研究系统，”她说。罗有着研究生典型的那种疲惫但充满活力的神情，尤其是在谈论野外考察时。“基本上，我们会采集沉积物，然后筛掉无脊椎动物，同时得到一个混合均匀的系统。我们用10加仑的水族箱装满这些沉积物，并将电极埋进去。然后我们寻找细菌殖民的迹象。”

电极是吸引罗正在寻找的那种细菌的关键：不是那些将电子排放到矿物质上的细菌，而是那些从矿物质中“搜刮”电子的细菌。不是“呼吸者”，而是“食者”。对那些细菌来说，阴极就像一张巨大的、带电的餐桌。罗会调整电位，模拟生物体通常从中获取能量的化合物，然后它们就会游过来。

当罗开始整理她的沉积物罐子时，她被收集到的细菌的多样性所震惊。“我分离出了很多很多电极氧化菌，”她说——总共约一千个菌株。到目前为止，她已经鉴定了30种，所有这些菌株都是以前未知的。

罗的研究中出现的一个重要教训是，细菌拥有多种多样的电子传递机制。这一发现表明，这种能力已经进化了多次。更令人惊讶的是，有些细菌，包括希瓦氏菌，可以“双向”进行。“许多可以将电子输送到电极上的生物，也可以做相反的事情，从电极上获取电子”——但不能同时进行，罗说。这种逆转方向的能力也让我和罗感到惊讶。“我认为这对生物来说会非常艰难。你基本上是在窃取它们的能量。但它们做得很好。”

另一个更令人惊叹的发现是：罗的六种新细菌菌株完全依靠电子生存。“这是一种疯狂的现象，”她说，这远远超出了尼尔森迄今为止的发现。“我曾让一些这种细菌存活了一个多月，期间没有添加任何碳，”她说。它们只能依靠电极上的电能生存，因为除此之外别无他物。

正是这些微生物让尼尔森在我们之前的谈话中如此兴奋。它们不仅是科学界的新发现；它们需要一种全新的收集和培养方法。罗的大部分菌株必须在阴极上生长，而不是在培养皿里。它们暗示了地球上一个巨大且在很大程度上未知的生态系统。美国国家科学基金会（National Science Foundation）称之为“暗能量生物圈”，并资助罗进一步研究这个平行的微生物宇宙。

这些微生物暗示了地球上一个巨大且在很大程度上未知的生态系统。

对尼尔森来说，他的学生的突破既证实了他的发现，又颠覆了他关于生命运作方式的论断：“我做微生物学已经45年了，”他说。“在我70岁时才有了如此颠覆性的发现，这真是太疯狂了。”

相机捕捉

尽管罗的研究发现令人震惊，但关于电子和能量水平的讨论总有一种智力上的距离感。无论我如何凝视瓶子，我仍然渴望能亲眼看到这些细菌在做什么。这种沮丧感在我拜访南加州大学校园里另一栋楼里的穆罕默德·埃尔-纳加尔（Moh El-Naggar）时烟消云散。他有关于这些微生物活动的真实视频，展示它们伸出“电线”并建立微观电网。

埃尔-纳加尔的细菌视频项目最初是为了推翻一个理论。尼尔森用希瓦氏菌进行的实验表明，这些细菌可以与金属表面接触以沉积电子。其他研究也表明，细菌有时会产生功能未知的毛发状附着物。一些研究人员认为这些生长物并不重要，但也有人猜测这些毛发实际上是细菌为了传递电子而产生的“纳米线”。

视频：电纳米线从希瓦氏菌（Shewanella oneidensis）细菌的外膜伸出。图片来源：El-Naggar等人/PNAS 2014，由USC提供

对埃尔-纳加尔来说，这种推理过于简单化：“我一开始的想法是，这不可能真的那样工作，对吧？我将进行测量来证明它不行。”于是，埃尔-纳加尔做了任何好的居家能工巧匠会做的事。他将两个导线夹接到那些“线”上，看看它们是否导电。结果是导电的。然后，他检查电路是否接通，电流是否流过导线。结果是电流在流动。最后，他监测这些“线”的形成过程，记录下当细胞完成电路时它们是如何闪烁着活动的。

之后，他获得了一系列令人惊叹的视频，你可以看到希瓦氏菌伸出“触手”连接到电极上，寻找沉积电子的地方。有时，细菌会相互连接，可能是将电子传递给能够接收它们的细胞。埃尔-纳加尔描述了他每次在会议上展示这些视频时，房间里弥漫的震惊：“你坐在黑暗中，开始播放电影，然后你听到‘啊！太酷了！’”

纳米线可能与另一种普遍存在但新近发现的细菌能力有关，即能够连接成数千个细胞长的“香肠串”电缆。目前还没有迹象表明罗的电细菌是否会形成这种电缆（研究还很新），但丹麦奥胡斯大学（Aarhus University）的研究表明，这种电缆确实支持电子流动。埃尔-纳加尔推测，这些电缆就像吸管一样，允许深埋在沉积物中的细菌通过管道将电子从一个细胞传递到下一个细胞，从而从堆顶“呼吸”。

就在几年前，没有人想到任何细菌能够做出这样的行为。现在，埃尔-纳加尔认为纳米线和电缆被细菌广泛使用，而且不仅限于最极端的“食电者”。他正与南加州大学牙科学院的同事合作，研究人们口腔中形成的细菌膜中是否存在纳米线的证据；细胞间的电连接实际上可能是生物膜（附着在表面的、良性和致病性的细菌集合体）的普遍特征。

犹他大学（University of Utah）的电化学家雪莉·明特（Shelley Minteer）对细胞生物学进行了更深入的研究。她发现，线粒体——包括人类在内的所有复杂细胞生物的能量产生单元——可以与外部表面进行电相互作用。这与一个广为接受的理论相符，即线粒体是从自由生活的细菌进化而来，后来与其他细胞融合，形成了永久的共生关系。即使经过十亿年，线粒体可能仍然保留着它们独立时的部分能力。所以，我们体内可能都潜藏着一丝“电的异类”行为。

我们体内可能都潜藏着一丝“电的异类”行为。

地球之外

我第一次离开尼尔森的办公室，是走到隔壁的房间。而我最后一次的“旅行”，则带我去了火星。这其实并不是一个巨大的跨越：尼尔森从未在对地球上奇异生命的探索和对外星生命的探索之间划清过哲学界限。他曾在NASA喷气推进实验室（JPL）工作多年，并组建了那里的“天体生物学小组”。现在，他开发的理念将在即将推出的“火星2020”（Mars2020）火星车上接受正式检验。

在某种程度上，登陆火星比抵达后知道该寻找什么要容易得多。20世纪70年代的“维京号”（Viking）探测器着陆顺利，但却被那些“闻起来像生命”的东西绊倒了。20世纪90年代研究著名的火星陨石的科学家们，可能被那些“看起来像生命”的东西误导了。而先进的“好奇号”（Curiosity）火星车发现了令人着迷的甲烷痕迹，但它们与生物学的联系却完全未知。这就是尼尔森的团队在JPL时所面临的难题。“你真的能弄清楚任何生命的普遍属性是什么吗？解决这个问题非常困难，因为我们无法摆脱自己的偏见，”他说。

SHERLOC 是解决方案的一部分。它是“火星2020”探测器上的七种科学仪器之一。尼尔森的一位前JPL同事罗希特·巴蒂亚（Rohit Bhartia）是该仪器的主要设计者之一，该仪器深受“食金属细菌”研究的启发。希瓦氏菌拓宽了科学家对新陈代谢的理解，因此 SHERLOC 将寻找更广泛的潜在生物标志物。它将用紫外线照射目标，并观察表明存在某些有机化合物和矿物质的视觉效果。

虽然 SHERLOC 不会直接寻找生命本身——只寻找生命留下的痕迹——但电细菌为寻找活跃的外星生命提供了新的思路。所有这些电适应都是对极端环境的响应。搜寻电子和长出纳米线是在食物不足以支持大量生长和竞争的情况下生存的策略——只能勉强维持生命之火不灭。这类环境在深海沉积物和地层深处很常见。如果火星和其他星球（欧罗巴？泰坦？）存在生命，那么它们很可能也聚集在资源匮乏的地下深处。

艺术家概念图，Steven Hobbs (Brisbane, Queensland, Australia)

当NASA为“火星2020”做准备时，罗和南加州大学小组的其他成员正在地球上寻找更多电细菌，他们将行动地点从加泰罗尼亚岛（Catalina Island）附近浅水区转移到莫哈韦沙漠（Mojave Desert）的深层钻孔和南达科他州（South Dakota）的矿井。这些地点不仅可以揭示地球上更多隐藏的生物多样性；它们还可以帮助指导人们对外星生物学的思考。“当我们去其他行星时，我们在地表寻找生命，但地下确实蕴藏着巨大的能量，”尼尔森说。“如果这里发现的细胞外电子转运不是那里的规则，我会感到非常惊讶。”

在将电极插入不同环境并收集电细菌的过程中，尼尔森的团队注意到一个明显的模式：在地球上几乎任何地方插入一根探针，你都可以测量到随着深度增加，电势会稳定下降。这是因为每个深度的微生物都在追逐环境中任何可用的电子。能量最充沛的生物，利用能量反应最剧烈的生物，生活在资源最丰富的地表。越深入稀缺的区域，生命就越需要抓住任何可获得的能量。

这种电势梯度听起来很像另一个普遍的生命指标。“如果没有生命，就不会有梯度，”尼尔森说。所以，他沉思着，与其进行可能错过某种未知生物活性的复杂化学实验，不如在火星上插入一个巨大的探针，并复制罗在加泰罗尼亚岛的微生物搜寻探险？他设想了一大群标枪状的探针，从轨道器上落下，并穿透整个行星的地表。每个探针都会有一个小型应答器，将数据发送给已经绕火星运行的科学卫星。这些探针将寻找电势梯度，标记可能的生物活动地点供进一步研究。NASA和俄罗斯曾尝试过更简单的火星穿透器，但都失败了。现在，非营利组织Explore Mars正在为“ExoLance”筹集资金，以在那里寻找地下生命。

“当我们去其他行星时，如果这里的细胞外电子转运不是那里的规则，我会感到非常惊讶。”

尼尔森兴致很高，于是我继续问他：在欧罗巴（Europa）也能这样做吗？他只停顿了一下。“欧罗巴很棘手，因为那里全是冰……。你可以想象，你会把一个带有太阳能电池板或放射性发电机的装置放在地表，然后让探测器融化下去。你只需要对电子设备上方的那个小东西进行辐射加固。”

如果他们找不到电生物学的迹象，这些探测器仍然可以测量地下的地球化学成分，这本身就很有价值。如果他们找到了，那么现在就庆祝还为时过早：你还需要看它是否是动态的，例如是否随昼夜或温度变化。这种额外的信号将是生命的有力旁证。这仍然不是发现外星生命的决定性证据，但它会告诉你确切的去向——这次带着显微镜。

阴影生物圈

在我们交谈的同时，我发现自己正置身于一场关于生命本质的截然不同的对话中。尼尔森有时会停下来告知实验室的其他人，他的一位亲密朋友和同事卡特琳娜·爱德华兹（Katrina Edwards）周末去世了。然后他又打断说，他必须把退休文件交给院长，开始为期四年的退休过渡。尼尔森回来后，若有所思。“他唯一的遗憾是，他没有足够的时间来亲自研究罗的全电细菌：“我70岁才发现这一点，这真是太让人恼火了，因为它很重要。”

电活性细菌可能带来许多实际益处，研究人员现在才开始探索。例如，它们在污水处理方面表现出惊人的才能。将一个电阳极放入人类排泄物中，会吸引以粪便为食、以电子为呼吸的细菌群落。将它们连接到燃料电池上，就可以得到一个自给自足的污水处理系统，产生的污泥大大减少。尼尔森的一位前学生奥里安娜·布雷奇格（Orianna Bretschger）在J. Craig Venter研究所（J. Craig Venter Institute）进行了实验，该系统已运行五年，几乎无需维护。“我的个人目标是开发出能够将其运往第三世界村庄的系统，”尼尔森说，他仍与布雷奇格合作。“人们会将他们的污水带到处理厂，获得干净的水，而且不需要外部电源。”

明尼苏达大学（University of Minnesota）的丹尼尔·邦德（Daniel Bond）正在探索电细菌发电和合成新型材料的潜力。据报道，国防部对由细菌驱动的水下传感器感兴趣。埃尔-纳加尔认为，细菌细胞与人体细胞之间的电相互作用可能具有重要且几乎未被探索的健康意义。毕竟，污水实验表明肠道中存在电活性细菌。他自言自语道：它们是否作为身体内部生态系统的一部分与人类细胞交流？

所有这些潜在的应用都源于希瓦氏菌及其更奇特的近亲的极端陌生性——它们的“外来”性。它们不仅在外形上是“外来的”，在行为方式上也是如此。它们所在的地球似乎是一个建立在合作与分享基础上的世界，与我们熟悉的残酷达尔文竞争的世界大相径庭。“如果我没看错的话，这就是我们在地下将看到的：生命的小型聚集地，有着一个社会主义社区，大家都在那里共同努力。但我不会告诉我共和党父亲，因为他会不喜欢，”尼尔森说。

图片来源：Sahand Pirbadian and Moh El-Naggar, University of Southern California

我认为“电的社会主义”是一个异想天开的想法，但尼尔森很快让我相信不然。在资源稀缺、捕食性竞争没有优势的环境中，这可能是事物运作的常态。在地球生命的大部分历史中，这可能就是生命的现实。（“我一直认为，直到捕食者进化出来，细菌才学会快速生长，”他说。“急什么？你知道，细菌不吃别的细菌。”）事实上，它可能适合当今比大多数科学家意识到的更多的生命，因为地球上绝大多数微生物生态系统仍然是看不见的。据估计，99.9%的物种无法在培养皿中培养。缓慢、协作的生存方式可能是许多其他世界生命的存在方式。

这有很多“可能”，所以我问尼尔森：他真的相信存在一个由电子共享和微观集体主义构成的“阴影生物圈”吗？“在我死之前，我希望那能被证明是真的，”他说。然后他纠正自己，像一个真正开放思维的科学家。“我的意思是，如果不是真的，我也不介意，但我会非常惊讶。这太有道理了，而且生命通常也合乎情理。”