T今年夏天，美国宇航局的“毅力”号火星车将启程前往火星杰泽罗陨石坑边缘。这次任务的目标是更多地了解我们邻近的星球，并收集有一天会返回地球的核心样本。希望通过研究火山口北缘的古老碳酸盐岩，我们可以收集到生命的迹象。我们在那里发现的任何东西，甚至是更为青翠的过去的化石遗迹，都可能为我们这个星球上最初的生命火花提供无价的线索。
火星很大，每次耗资巨大的任务只能覆盖这么多的地面，因此需要一些指导原则来缩小搜索范围。即使我们假设地球和火星上的生命是独立产生的，我们也可以从地球上最古老的生命形式中寻找线索，知道在这颗红色星球上寻找什么和哪里。到目前为止，最受欢迎的方法是关注所有已知生命形式的共同行为：从环境中获取能量的能力。从对不同代谢系统的研究中得出的结论是，细胞完成这一壮举的无数策略都归结为一个共同的策略。一句话：电。
电通常被认为是人类的一项技术:一个精心制作的电路网络编织在整个文明，旨在满足我们的需求。但是，想想雷暴划过天空时发出的一道闪电，一块慢慢生锈的黄铁矿晶体，一块燃烧的油田——人类并没有发明电，无论我们多么想这样想。它先于我们，以及生命本身，就像一个无生命的物理过程。这也是生物体如何获取生命动力——能量的核心。
能量是对做功能力的衡量，而细胞，我们所知道的生命的基本单位，有很多工作要做。它们构建蛋白质，自我复制，并在无处不在的引力作用下移动。在我们所熟悉的生物圈中，生物体依靠太阳提供资金——要么直接通过光合作用，要么通过消耗太阳的有机产品。这两种过程基本上都是电的。深海生物圈的新陈代谢也是如此，这是我们脚下的一个平行世界1.在黑暗中茁壮成长。在几千米深的地方，科学家们发现了通过食用和呼吸简单的地球燃料使自己通电的细菌——也许这是一条线索，可以从哪里开始在火星这样的星球上寻找生命。
当你在宇宙的尺度上工作时，很难排除任何可能性。
火星表面几乎被普遍认为是生物无法生存的。但在地表下，有液态水，被残余的地热活动和缓慢冷却的地核辐射加热，科学家怀疑他们可能会发现类似于我们深部生物圈的条件。如果地球上的细胞能够在这样的条件下利用电，那么火星上的细胞也可能如此。
在地球表面，许多生物体通过将电荷从葡萄糖转移到氧气来发电。在地下，它们可以利用氢气和二氧化碳。但在这两种情况下产生电的操作是相同的——两种相容化合物之间的电荷平衡。毕竟，电只不过是由静态电荷或动态电荷产生的能量。但究竟什么是电荷，生命又是如何利用电来工作的呢?
“正电荷”和“负电荷”反映了与电有关的原子的可观测的物理性质，就像“热”和“冷”表示分子的温度一样。想象两个热源，一个是“热的”或“负的”，另一个是“冷的”或“正的”。当它们分开时，就不能做功了。但当它们相互接触时，它们之间的桥梁产生的运动就能被利用来做功。电路的负极和正极也是如此。两个端子之间电荷的差异被称为电压，它们之间的电流可以被有效地利用。在地球上，更古老的深层生物圈细菌利用低压电路，而更复杂的地表生物则依赖更高的电压。因此，在探测火星上的生命时，我们应该期望在远离火星表面的地方找到更简单、进化更少、电压更低的微生物。
即使是这样一种从渗透到火星地壳的地质气体中获取电力的初级微生物，也很可能拥有一个保守的代谢回路——因为所有已知的地球生物都使用相同的机制来提供能量。所有被研究过的细胞都是通过一种被称为电子传递链(ETC)的生物线来弥补吃到的和呼吸到的东西之间的电荷差异。ETC的普遍性表明，它是地球上生命进化的早期创新，也是解决当前问题的最佳方案。假设火星上生命的起源与我们的相似，我们可以期待找到ETC的某些版本，任何不同都将讲述两种进化路径的故事。
如果这两个系统在核酸或氨基酸的基础上基本相似，则可能表明火星生命起源于地球，在猛烈轰击期间被带到了这颗红色星球上，当时小行星撞击的增加被认为发生在大约38亿年前。但还有另一种选择，那就是所有活细胞以这种方式进化的中心机制，因为这是唯一可能发生的方式。
A.尽管这看起来像是进化决定论，但无论细胞出现在什么样的环境中，它们都被限制在特定的进化路径上的观点是有分量的。当然，地球上新陈代谢的核心电荷转移反应，更广泛地被称为还原/氧化(氧化还原)反应，已知即使在没有生物的情况下也能产生电流。以亚历山德罗·沃尔塔在18世纪发明的原电池为例。他发明的核心氧化还原反应对无处不在的现代电池仍然至关重要。自他的发现以来，生物学家们发现类似的氧化还原反应是新陈代谢的中心。除了来自金属的电荷之外，大自然提供了各种各样的可以食用和呼吸的物质。
在几千米深的海底，细菌通过吃简单的地燃料来给自己充电。
所有种类的化合物，从氢气到硫酸盐，都可以作为代谢回路的终端。尽管有这种灵活性，但在众多生命形式中，ETC的结构和功能相似性的深度表明，在系统进化过程中，只有几个自由度。Annette Rowe是辛辛那提大学电微生物学实验室的负责人，她研究了生物体代谢代谢回路的不寻常的方式。她的一些研究集中在能够呼吸电极携带电流的细菌上。2.在接受电话采访时，罗指出，虽然两种生物的代谢系统可能“具有看起来非常相似的蛋白质结构，但从进化的角度来看，它们中的大多数都是独一无二的。”这意味着，在整个细胞中分配电收获的问题，同样的解决方案在历史上一再出现。这个解的名字是什么?三磷酸腺苷。
三磷酸腺苷，简称ATP，是一种不可思议的具有普遍性的生物学。生活就是工作这条规则没有例外，所有已知的细胞都使用电化学梯度做功这条规则也没有例外。但大多数内部细胞过程并不直接通电。取而代之的是，他们将电力输送到移动媒介ATP，原因与我们更喜欢无线技术的原因大致相同。拖拉绳子限制性太大了。内部细胞过程，如主动运输、聚合和运动，发生在远离代谢机制的地方。细胞不依赖于一团缠结的导线，而是利用可扩散的ATP提供必要的刺激。“ATP是我们所知道的生命的基本货币，”罗说。就像人类货币可以在社会上普遍交换服务一样，ATP也可以在细胞内轻松地交换工作。
ATP是一种高能量、弹簧负载的分子，它比任何其他东西都更希望分裂。这种爆炸性的能力被蛋白质用来执行机械过程。ATP和电子传递链一样，似乎已经进化了很多次。这种进化趋同的强大性质表明，我们将在地外生命中找到ATP或类似的中介。
活细胞以这种方式进化是因为这是唯一可能发生的方式。
剩下的问题是，我们在地球上观察到的电子传输链模式及其在ATP产生中的作用是所有生命的基础，还是我们所知道的生命的基础。寻找地球上实时演化的替代系统是困难的，因为原始细胞，3.最简单的微生物的前身，将会被生长最慢的竞争者超越，这是38亿年的进化所支持的。也许在我们的深层生物圈中有大量的生命先驱，但掠食行为阻止了它们的发展。探索火星上低能量深处的潜在生物活动较慢，可能会发现古老的结构，填补我们对这两个星球上最早生命形式的理解空白。
探索火星地表以下以揭示生命的出现并不是什么新想法。20世纪的博学家托马斯·戈尔德(Thomas Gold)在深海生物圈被发现前差不多10年就预言了它的存在，他认为“深海、化学补给的生命……可能在宇宙中非常普遍。”4.最近的模型确实表明，仅在我们的银河系中就存在大约60亿颗类地行星，5.这暗示了被认为支持地球上早期生命的低电压化学可能在宇宙中广泛存在。戈尔德的原理很容易适用于我们太阳系内的几个天体的次地表区域，包括火星。
戈德提出的另一个诱人的建议是，我们对生命的定义可能会受到我们的经历的限制。他认为，在已知的深层生物圈之下，“通常会有一个很大的区域，对于我们所知道的细菌生命来说，这个区域太热了，但它仍然能够支持其他可以调节这些能量反应的系统化学处理系统。”换句话说，可能还有其他的模式可以扩展我们对生命本身的理解。
其他科学家也在同一条轨道上。尽管我们所知的生命是由电驱动的，但可以想象，任何能量梯度都可能为火花提供燃料。罗谨慎地推测，“正如我们所能想象的那样，生命碰巧使用了氧化还原反应，因此人们寻找[它们]在其他行星上寻找生命时。但可能有其他获取能量的方法——热过程或磁过程——一开始似乎对生命不可行，但谁知道呢？当你在宇宙尺度上工作时，很难排除任何可能性。”
不过，似乎大多数研究人员都把赌注押在了我们家乡更熟悉的东西上。在接受电话采访时，昆士兰科技大学(Queensland University of Technology)的研究人员戴维·弗兰纳里(David Flannery)表示，“我们现在知道，深层生物圈是广泛的。因此，如果火星过去曾有生命存在，那么我们有理由假设火星上也有类似的生物圈。”在地球上，生物很有可能是从深海向外进化的。它将带领我们，或我们的一个漫游者，深入火星地壳，揭示第二棵生命之树的潜在根源。
Michael Shilo DeLay在哥伦比亚大学完成了研究纳米承压水力学的研究生工作。Anastasia Bendbury拥有同一所大学的细菌多细胞学博士学位。两位作者一起跑神秘的科学. 你可以在推特上关注他们@Demystifysci.
参考文献
1.深碳观测站：发现的十年。Deepcarbon.net（2019年）。
2.Nealson，K.H.和Rowe，A.R.《电子显微生物学：现实、重大挑战、目标和预测》。微生物生物技术9, 595 - 600(2016)。
3.张志刚，张志刚，等。生物起源中混合两亲体对原始细胞自组装的促进作用。自然、生态与进化3., 1705-1714 (2019).
4.黄金，t，深层热生物圈。美国国家科学院院刊89, 6045 - 6049(1992)。
5.Kunimoto, M. & Matthews, J.M.正在搜索开普勒的全部数据。2FGK星的发生率估计。天文学期刊159, 248 (2020).
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