我們是否發現了外星生命？

本文原刊於 2015 年 2 月的《大眾科學》雜誌。

肯尼斯·尼爾森看起來異常理智，要知道他剛剛告訴我，他的實驗室裡正在孵化一群外星人。

我們擠在他位於南加州大學斯托弗大樓五樓那間簡樸的辦公室。尼爾森穿著一件皺巴巴的短袖襯衫，一雙舊麂皮樂福鞋，白襪子——典型的休閒學術裝束——舒適地靠在椅子上。一面牆上掛著他獲得的一系列令人鼓舞的學術獎項。他身後支著一把磨損嚴重的吉他，他有時會拿出來為妻子的歌聲伴奏。而走廊對面，擺放著他那份沉穩自信的來源：燒杯和瓶子裡裝滿了細菌，它們正忙著打破生物學中長期以來被奉為圭臬的規則。

尼爾森解釋說，生命的一切最終都歸結於能量。從最龐大的藍鯨到最不起眼的微生物，所有生物都依賴電子的運動和操控；電子是生命體生存、生長和繁殖的燃料。南加州大學的細菌也依賴能量，但它們獲取能量的方式截然不同。它們不像你我那樣呼吸。在最極端的情況下，它們甚至不會攝取任何傳統食物。相反，它們以最原始的方式為自身提供能量：透過「吞噬」和「呼吸」電能。尼爾森指了指他的實驗室。 “它們現在正在做的就是這件事。”

「所有教科書都說這不可能，」他說，「但天哪，那些東西竟然能在電極上不斷生長，而且那裡沒有其他能量來源。」在電極上生長。聽起來不可思議。尼爾森轉過身面對我，露出一絲狡猾的笑容。「這有點像科幻小說，」他說。對生物學家來說，發現無需碳水化合物等分子能量來源就能維持生命，就像看到乘客不借助飛機就能在空中飛行一樣不可思議。

這項發現意義重大。從實際應用層面來看，人們可以利用產電細菌製造生物燃料電池或淨化人類排泄物。尼爾森告訴我，他的一位學生剛剛獲得了一筆資助，用於建造一套細菌驅動的污水處理系統。但更重要的是，這類微生物似乎構成了地球上一個龐大且尚未被充分探索的生命領域。它們也有可能在其他星球的生物多樣性中扮演重要角色。

尼爾森從未直接提及「外星生物」這個詞，但它卻始終縈繞在對話之中。他發現的細菌與我們以往遇到的任何生物都截然不同，它們正迫使我們重新思考我們所認知的生命形態。

發現

任何精彩的外星人故事都一樣，這個故事也以一次綁架事件開頭——不過，這次的綁架事件顯然帶有科學色彩。被綁架的對象並非人類，而是一種礦物。尼爾森開始講述這個故事。

1982年，他當時是斯克里普斯海洋研究所的教授，聽說了紐約州北部奧奈達湖發生的怪事。每年春天，融雪會將周圍山脈中的錳帶入湖中。隨後，風攪動湖水，使溶解的錳與氧氣高效結合，形成固態的氧化錳，沉入湖底。問題是，科學家發現的氧化錳數量遠低於預期。某種因素導致氧化錳的消失速度比地質預期快了1000多倍，但沒有人能弄清楚原因。

「如果反應速度真的那麼快，我知道這一定是生物作用的結果，」尼爾森說。他懷疑湖中的細菌幾乎以與錳氧化物形成速度相同的速度將其分解。這個理論完全合情合理，但卻與教科書上的觀點相悖：微生物分解金屬的能力並不比你我強。這個謎團一直縈繞在他心頭。 1985年，尼爾森搬到了威斯康辛大學密爾瓦基分校，開始在奧奈達湖進行研究，以驗證他的猜測。

經過兩年的尋找，尼爾森終於找到了錳竊賊：希瓦氏菌，一種他從未見過的細菌。「當我看到希瓦氏菌的強大功能時，我簡直欣喜若狂，」尼爾森說。 “我把所有學生都叫到實驗室，告訴他們：’這是一種非常非常重要的微生物，我們必須了解它。沒人會相信。我們可能需要10到15年的時間才能讓世人相信這是真的。’”

尼爾森說，對於大多數呼吸空氣的生物來說，「我們攝入的葡萄糖提供電子，我們呼吸的氧氣接收電子，這種電子流動維持著我們身體的運作。」這就是基本的代謝過程。對每個生物來說，挑戰在於如何找到電子來源和釋放電子的地方，從而完成電子迴路。希瓦氏菌從碳水化合物中吸收電子，但它釋放電子的方式卻很特別：「它會游到金屬氧化物附近，並利用金屬氧化物進行呼吸作用。」尼爾森說，「我們稱之為『會呼吸的岩石』？」這就是科學界異端邪說的開始。

希瓦氏菌的外膜上佈滿了由特殊蛋白質組成的微小化學導線，這些導線使它能夠將電流導出細胞。這些導線與氧化錳直接接觸，從而實現電子沉積並「呼吸」固態物質。此外，尼爾森也發現，只要能夠形成閉合電路，這種細菌甚至不在乎其細胞膜外的物質是氧化錳還是其他任何物質。

當尼爾森和他的團隊還在收集證據證明希瓦氏菌確實非同尋常時，另一位微生物學家也有了類似的發現。當時擔任美國地質調查局計畫負責人的德里克·洛夫利在波托馬克河底發現了一種會移動電子的細菌——地桿菌。「地桿菌的蛋白質有著完全不同的演化起源，但它們解決問題的方式卻相同，」尼爾森說。發現兩種互不相關的微生物都對原始電力具有親和力，有力地證明了希瓦氏菌並非孤例。

此時，尼爾森意識到，地球上的微生物群落可能與任何人想像的都截然不同。他也意識到，自己或許才剛開始探索電細菌的能力。

“沒人會相信的。我們需要花10到15年的時間才能讓全世界相信這是真的。”

奇異新陳代謝

安妮特·羅伊是尼爾森研究小組的博士後研究員，她此刻正在隔壁實驗室裡飛速工作，實驗室就在我和尼爾森談話的走廊對面。那裡擺放著魚缸、試管、電線、培養箱和厭氧室，還有那種像《犯罪現場調查》裡老式佈景一樣的可穿透式工作手套。我經過一個盛著緩慢攪拌液體的大罐子，裡面長著一窩希瓦氏菌。（「是啊，可惜你看不到，」羅伊抱歉地說。）高高的架子上掛著尼爾森的勵志照片，照片上的文字說明可能是：「我在看著你」和「趕緊幹活」。

這個地方看起來有點像微生物水族館，事實上它也確實如此。就像尼爾森在奧奈達湖發現了希瓦氏菌一樣，羅伊和她的合作者們一直在當地的海洋環境中尋找其他帶電細菌，越奇特的細菌越好，然後進行培養，並試圖弄清楚它們的運作機制。

「我們一直在卡特琳娜港工作。那裡的研究系統非常棒，」她說。羅薇看起來有些疲憊，像個經常熬夜的研究生，但一談到野外工作，她就容光煥發。「基本上，我們把沉積物撈出來，用篩子篩掉無脊椎動物，同時得到一個混合均勻的系統。我們用10加侖的水族箱裝滿這些沉積物，然後把電極埋進去。之後，我們就觀察是否有細菌定殖的跡象。”

電極是吸引羅威所尋找的那種細菌的關鍵：不是那種將電子傾瀉到礦物質上的細菌，而是那種從礦物質中獲取電子的細菌。它們不是呼吸型細菌，而是以礦物質為食的細菌。對這些細菌來說，陰極就像一張巨大的帶電餐桌。羅威調節電位，使其模擬這些生物通常獲取能量的化合物，它們便會遊過來。

當羅伊開始整理她收集的沉積污泥時，她被自己收集到的細菌種類之多震驚了。「我分離出了一大批電極氧化菌，」她說——總共大約一千個菌株。到目前為止，她已經鑑定出其中30種，這些都是先前未知的。

羅威的研究揭示了一個重要的發現：細菌擁有多樣化的電子轉移機制。這項發現表明，這種能力可能已經多次獨立進化。更令人驚訝的是，有些細菌，包括希瓦氏菌屬（Shewanella ），能夠雙向轉換電子轉移。「許多能夠將電子轉移到電極上的生物體，也能反過來從電極上獲取電子」——當然，它們不能同時進行這兩種轉換——羅威說。這種逆轉能力令我和羅威都感到驚訝。 “我原以為這對這些生物體來說會非常不利。你基本上是在從它們那裡竊取能量。但它們似乎並沒有受到影響。”

另一項發現則更加令人震驚。羅伊新發現的六種細菌菌株僅靠電子就能生存。「這簡直太不可思議了，」她說，遠遠超出了尼爾森先前的任何發現。「我讓其中一些細菌存活了一個多月，期間沒有添加任何碳源，」她說。它們必定完全依靠電極提供的電力生存，因為除此之外別無其他。

這些微生物正是我們在先前的談話中讓尼爾森如此激動的原因。它們不僅是科學界的新發現，而且需要一種全新的採集和培養方法。羅威的大多數菌株都必須在陰極上培養，而不是在培養皿中。它們顯示地球上存在著一個龐大且與地球截然不同的生態系統。美國國家科學基金會稱之為“暗能量生物圈”，並資助羅威進一步研究這個平行的微生物世界。

這些微生物顯示地球上存在著一個龐大且很大程度上與地球不同的生態系統。

在尼爾森看來，他這位得意門生的突破既驗證了他自己對生命運作方式的發現，又徹底否定了這些發現：「我從事微生物學研究已經45年了，」他說。 “你的整個觀點發生如此巨大的改變，真是令人難以置信。”

被攝影機拍到

羅威的發現固然令人震驚，但所有關於電子和能階的討論都讓人感覺有些遙遠。無論我盯著燒瓶看了多久，我仍然渴望能親眼看看細菌究竟在做什麼。這種遺憾在我拜訪了莫·埃爾-納加爾之後煙消雲散。埃爾-納加爾在南加州大學校園裡幾棟大樓外工作。他那裡有微生物活動的真實視頻，記錄了它們如何展開電線並建立微型電網。

埃爾-納加爾的細菌影片計畫最初是為了推翻一個理論。尼爾森對希瓦氏菌進行的實驗表明，這種細菌可以與金屬表面接觸並沉積電子。其他研究也發現，細菌有時會產生功能不明的毛狀附屬物。一些研究人員認為這些附屬物無關緊要，但也有一些人懷疑這些「毛狀物」實際上是細菌用來傳輸電子的「奈米線」。

影片：希瓦氏菌（Shewanella oneidensis）外膜上延伸出帶電奈米線。圖片來源：El-Naggar 等人/PNAS 2014，南加州大學提供。

對埃爾-納加爾來說，這種推理似乎過於簡單明了：「我一開始就想，這不可能，對吧？我要做一些測量來證明它行不通。」於是，埃爾-納加爾做了任何一個合格的家庭修理工都會做的事。他用夾子把幾根導線夾在電線上，看看它們是否導電。結果顯示它們導電。然後，他檢查電路是否帶電，是否有電流流過電線。結果顯示確實有電流。最後，他觀察電線形成的過程，記錄電池在形成迴路後亮起的現象。

之後，他播放了一系列令人嘆為觀止的影片，影片中可以看到希瓦氏菌（Shewanella）如何伸出觸手去尋找可以釋放電子的位置。有時，這些細菌會彼此連接，或許會將電子傳遞給能夠接受它們的細胞。當埃爾-納加爾描述了他在會議上播放這些視頻時，房間裡瀰漫的震撼：“你坐在黑暗中，影片開始播放，然後你聽到有人驚呼：‘啊！太酷了！’”

奈米線可能與另一種廣泛存在但新發現的細菌能力有關，即細菌能夠連接成長達數千個細胞的香腸狀電纜。目前尚無跡象表明羅威的電細菌是否能形成這種電纜（這項研究尚處於起步階段），但丹麥奧胡斯大學的研究表明，這種電纜確實能夠支持電子流動。埃爾-納加爾推測，這些電纜就像吸管一樣，使深埋在沉積物中的細菌能夠透過管道將電子從一個細胞傳遞到另一個細胞，從而從沉積物頂部「呼吸」。

就在幾年前，沒人會想到細菌竟然能有這樣的行為。如今，埃爾-納加爾懷疑細菌廣泛利用奈米線和奈米電纜，而不僅僅是那些極端的電子吞噬者。他正與南加州大學牙醫學院的同事合作，研究在人類口腔中形成的細菌膜中是否存在奈米線；細胞間的電連接或許是生物膜（即附著在物體表面的細菌群落，包括良性和致病性細菌）的普遍特徵。

猶他大學的電化學家雪莉·明蒂爾（Shelley Minteer）對細胞生物學進行了更深入的研究。她發現，粒線體——包括人類在內的所有複雜細胞生物細胞內的能量發生單元——可以與外部表面產生電相互作用。這與一個廣為接受的理論相符：粒線體起源於自由生活的細菌，後來又與其他細胞融合，形成永久性的共生關係。即使經過十億年，粒線體可能仍然保留著它們在獨立時期的一些能力。因此，我們每個人體內都可能隱藏著一絲與生俱來的電行為。

我們每個人體內可能都隱藏著一絲外星人般的電子行為。

超越地球

我第一次離開尼爾森的辦公室，只是穿過了走廊。而最後一次，我卻要前往火星。其實，這並非什麼巨大的飛躍：尼爾森從未在哲學層面上明確區分過地球上尋找奇異生命和在其他星球上尋找生命。他曾在NASA噴射推進實驗室（JPL）工作多年，並在那裡組建了天體生物學小組。如今，他在那裡提出的理念將在即將發射的「火星2020」探測車上得到正式驗證。

在某些方面，抵達火星簡直易如反掌，真正棘手的是抵達後該尋找什麼。 70年代的維京號探測器著陸順利，卻被一些散發著生命氣息的物質絆住了去路。 1990年代研究那塊臭名昭著的火星隕石的科學家們，或許也被一些看起來像生命體的物質誤導了。而先進的「好奇號」火星車也發現了甲烷的痕跡，但它們與生物學的連結仍然完全未知。這正是尼爾森團隊在噴射推進實驗室（JPL）努力解決的問題。「我們真的能弄清楚所有生命都必須具備哪些普遍特徵嗎？這個問題很難解決，因為我們無法擺脫自身的偏見，」他說。

SHERLOC是答案的一部分。它是火星2020探測器搭載的七台科學儀器之一。尼爾森的前噴射推進實驗室（JPL）員工羅希特·巴蒂亞是該儀器的主要設計師，其設計深受金屬呼吸細菌研究成果的影響。希文氏菌（Shewenella）拓展了科學家對新陳代謝的理解，因此SHERLOC將尋找更廣泛的生物特徵。它會用紫外線照射目標，並尋找指示特定有機化合物和礦物質的視覺效應。

儘管SHERLOC探測器並非直接尋找生命本身，而只是追蹤生命留下的痕跡，但電細菌也為尋找活躍的外星生物提供了新的思路。所有這些電適應性特徵都是對極端環境的反應。在食物匱乏、不足以支撐生物體生長和競爭的情況下，它們會搜尋電子並長出奈米線，以此作為生存策略——食物僅夠維持生命之火不滅。這種環境在深海沉積物和地底深處十分常見。如果火星和其他星球（例如木衛二或土衛六）上存在生命，那麼它們很可能也棲息在地表深處資源匱乏的環境中。

在NASA為「火星2020」計畫緊鑼密鼓地籌備之際，南加州大學的羅威和其他研究人員正在地球上進行生物勘探，尋找更多的電細菌。他們將研究地點從卡特琳娜島附近的淺水區轉移到莫哈韋沙漠的深井和南達科他州的礦井中。這些地點不僅可能揭示地球上更多隱藏的生物多樣性，也有助於我們思考外星生物可能存在的機制。 “當我們探索其他星球時，我們尋找的是地表生命，但實際上，地表以下蘊藏著巨大的能量，”尼爾森說，“如果這種細胞外電子傳遞機制在那裡不普遍存在，我會感到非常驚訝。”

在將電極插入不同環境並收集電微生物的過程中，尼爾森的團隊發現了一個獨特的規律：幾乎在地球上的任何地方，只要將一根電極插入土壤，就能測量到電位隨著深度的增加而穩定下降。這是因為不同深度的微生物都在追逐任何可用的電子。能量最旺盛、反應最劇烈的生物生活在資源最豐富的表層。越往資源匱乏的區域深入，生命就越需要盡力獲取能量。

這種電場梯度聽起來確實是生命普遍存在的另一個有力候選標誌。「如果沒有生命，就不應該存在電場梯度，」尼爾森說。因此，他沉思道，與其進行可能遺漏某些未知生物活動的複雜化學實驗，為什麼不向火星發射一個巨型探測器，重現羅伊在卡特琳娜星球進行的微生物搜尋探險呢？他設想，一群標槍狀的探測器將從軌道飛行器上投放，穿透火星表面。每個探測器都配備一個小型轉發器，將數據發送給已經在環繞火星運行的科學衛星。這些探測器將尋找電場梯度，並標記可能存在生物活動的區域，以便進行更深入的研究。美國太空總署和俄羅斯都曾嘗試過更簡單的火星穿透探測器，但兩次任務都以失敗告終。現在，非營利組織「探索火星」（Explore Mars）正試圖籌集資金，建造一個名為「火星探測長矛」（ExoLance）的探測器，以尋找火星地下的生命跡象。

“當我們去到其他星球時，如果細胞外電子傳遞不是那裡的普遍規律，我會感到非常驚訝。”

尼爾森滔滔不絕，於是我追問：你能在木衛二上也這麼做嗎？他只停頓了一下。「木衛二很難，因為它全是冰……你可能會想，在它表面放個太陽能電池板或放射性發生器之類的東西，然後讓探測器慢慢融化冰層下去。你甚至可以只對電子設備上方的那部分進行抗輻射加固。”

即使沒有發現任何電生物學的跡象，探測器仍然可以測量地表下的地球化學成分，這本身就很有價值。即便真的發現了，現在慶祝也為時過早：還需要觀察它是否具有動態性，例如是否會隨著日照或溫度的變化而變化。這個額外的訊號將是生命存在的有力間接證據。雖然這仍然不能算是對地外生命的最終發現，但它會告訴你應該回到哪裡——這一次，你需要藉助顯微鏡。

陰影生物圈

在我們交談的過程中，我發現自己置身於一場截然不同的關於生命本質的對話之中。期間，尼爾森突然停下來，告訴實驗室的其他成員，他的摯友兼同事卡特里娜·愛德華茲上週末去世了。隨後他又打斷了談話，解釋說他必須去院長那裡遞交退休文件，以便順利地從實驗室退休四年。尼爾森回來後，陷入了沉思。他告訴我，他唯一真正的遺憾是他沒有足夠的時間親自研究羅威的全電細菌：“我70歲才發現這個，真是讓我懊惱不已，因為這太重要了。”

電活性細菌具有許多實際應用價值，研究人員正開始探索這些價值。例如，它們在污水處理方面展現出驚人的天賦。將電極陽極插入人類糞便中，就能吸引以糞便為食並產生電子的細菌群落。將這些細菌連接到燃料電池上，就能建造一個自供電的污水處理系統，顯著減少污泥的產生。尼爾森的一位前學生奧里安娜·布雷奇格在聖地亞哥的J·克雷格·文特爾研究所搭建了一個測試系統，該系統已運行五年，幾乎無需維護。「我的個人目標是開發這些系統，最終能夠將它們空運到第三世界國家的村莊，」尼爾森說道，他目前仍與布雷奇格合作。 “人們可以將污水送到處理廠，獲得清潔的水，而且無需任何外部電源。”

明尼蘇達大學的丹尼爾邦德正在探索利用電細菌發電和合成新型材料的潛力。據報道，美國國防部對細菌驅動的水下感測器很感興趣。埃爾-納加爾懷疑，細菌和人體細胞之間的電相互作用可能具有重要的、幾乎完全未被探索的健康意義。畢竟，污水實驗顯示腸道中存在電活性細菌。他不禁思考：它們是否作為人體內部生態系的一部分，與人體細胞溝通？

所有這些可能的應用都源自於希瓦內拉菌及其更奇特的近親所帶來的完全陌生感──一種徹頭徹尾的異類感。它們不僅在功能上與我們不同，在功能上也截然不同。它們所處的地球似乎是一個建立在合作與分享的世界，這與我們熟知的殘酷達爾文式競爭的世界大相逕庭。「除非我猜錯了，否則當我們到達地表以下時，就會看到這樣的景象：一個個小小的生命聚集區，那裡存在著社會主義式的社群，所有成員都在那裡共同生活。但我不會告訴我的共和黨父親，因為他肯定不喜歡，」尼爾森說。

由南加州大學 Sahand Pirbadian 和 Moh El-Naggar 提供

我以為「電子社會主義」是個異想天開的想法，但尼爾森很快就改變了我的看法。在資源匱乏、掠奪性競爭並非優勢的環境中，這或許才是正常的生存方式。在地球歷史的大部分時期，這或許就是生命的常態。（「我一直認為，細菌直到捕食者出現後才學會快速生長，」他說道，「何必急於求成呢？要知道，細菌又不吃其他細菌。」）事實上，這種生存方式可能比大多數科學家意識到的更適合當今的生命狀態，因為地球上大部分微生物生態系統仍然不為人知。據估計，99.9%的物種都無法在培養皿中培養。緩慢而協作的生活方式或許也是許多其他星球上的生命之道。

這其中有很多不確定因素，所以我問尼爾森：他真的相信存在一個以電子共享和微觀集體主義為基礎的影子生物圈嗎？「在我有生之年，我希望它能被證實，」他說。然後他像個真正思想開放的科學家一樣，又修正了自己的說法。 “我的意思是，我不相信。如果它不是真的，我也能接受，但我會非常驚訝。這聽起來很有道理，而生命通常都是有道理的。”