對外星生命的搜尋一直受到假陽性的困擾——在這些情況下，科學家們認為他們發現了生命，但結果卻缺乏完全令人信服的證據。
典型的例子來自 NASA 的雙子座海盜號著陸器，它在 1970 年代中期在火星上提供了有爭議的證據證明存在生命。該證據是從火星土壤中飄出的一絲放射性碳，暗示其中正在發生微生物代謝——但著陸器攜帶的其他三項生命探測實驗均僅發現無效結果。 1996 年，關於火星生命的更混亂的資料出現了，當時科學家們在南極洲發現的一塊火星隕石中發現了可能是微生物微化石的東西。但隨後的研究表明，推定的微化石很容易由其他幾種完全非生物途徑產生。最近，研究金星大氣層的研究人員聲稱在那裡看到了大量的磷化氫——一種在地球上主要由微生物產生的氣體。然而，很快其他科學家就對這些測量的有效性提出了質疑，並推測該氣體（如果真的存在的話）來自某種奇怪但無生命的金星火山活動形式。
在每種情況下，模式都是相同的：最初的興奮，隨後的懷疑，以及最終的否定。一次又一次，似乎天體生物學家只是找到了令人沮喪地不確定的外星生命跡象——所謂的生物特徵。這在很大程度上是因為天體生物學家必然會尋找在嚴酷的異世界環境中可能出現的最簡單、最強大的生命形式，而且我們在地球上經常與此類生物相關的化學物質和結構通常可以非生物產生。當然，外星生命的化學成分可能與我們在地球上觀察到的完全不同。是否有更好的觀察方法？
支援科學新聞報道
如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞報道 訂閱。透過購買訂閱，您正在幫助確保有關塑造我們當今世界的發現和想法的具有影響力的故事的未來。
發表在自然·通訊上的一項新理論認為，存在一種更好的方法。它被稱為組裝理論，它摒棄了對簡單化學生物特徵的搜尋，轉而擁抱生命的基本複雜性。它基於這樣一種理念，即宇宙中任何地方的任何形式的生物學都將生命的資訊編碼在可測量的、與無生命物質截然不同的複雜分子集合中。
對於研究合著者、亞利桑那州立大學的生物物理學家薩拉·沃克來說，組裝理論是該領域的一個里程碑，因為它“提出了第一個可在實驗室中測試的複雜性度量”。更廣泛地說，她說，它為我們“首次瞥見了將關於生命本質的深刻理論思想與經驗可觀察物聯絡起來的能力”。
在天體生物學中，對複雜性的呼籲已經興起一段時間了。鑑於專注於簡單化學特徵的研究可能會產生模稜兩可的結果，科學家們已經開發出生命理論和定義，這些理論和定義著眼於更復雜的過程——新陳代謝、適應、複製、進化——這些過程可以幫助我們將生命系統與非生命系統區分開來。例如，1994 年，NASA 採用了對生命的複雜定義：“生命是一個能夠進行達爾文進化的自我維持的化學系統。”問題是，這些先進框架背後的關鍵概念本身就很複雜，使得它們眾所周知地難以測試和量化。例如，問問五位不同的進化生物學家他們對“達爾文進化”的工作定義，你可能會得到五個略有不同的答案。正如 NASA 首席科學家吉姆·格林解釋的那樣，“我無法制造出能夠外出並找到‘進化’、‘繁殖’或‘新陳代謝’的儀器。”
組裝理論可能提供一種更清晰、更通用的方法來識別生命，無論是熟悉的還是外星的。它建立在兩個相關的概念之上：物理複雜性和豐度，並認為對於任何給定環境中任何給定的物體，隨著這兩個屬性的增加，非生物起源的可能性就會降低。丰度追蹤物體在環境中出現的頻率，而物體的複雜性則透過估計其組裝所需的步驟數來衡量。考慮一下海灘上散落著被水磨損的鵝卵石——這種情況很容易歸因於無生命的自然過程——以及另一個海灘上散落著精雕細琢的貝殼之間的區別。
儘管該理論是通用的，可以適用於各種尺度上的多種物體，但研究人員著眼於它如何應用於分子，這可以說是科學家在實驗室和太空中都能尋找的最基本的生物學組成部分。
為了對分子複雜性進行排名，該團隊建立了一個質量組裝指數，該指數以演算法方式為不同型別的分子分配質量組裝數 (MA)。作為概念驗證，他們使用這種方法對一個廣泛使用的化學資料庫中的 250 萬個分子進行索引和排名。 MA 為 1 的分子具有低複雜性，因此具有更高的非生物起源的可能性；更復雜的分子被分配更高的數字。磷化氫氣體——推測的金星生物特徵——由一個磷原子和三個氫原子組成，僅獲得 MA 為 1。相比之下，氨基酸色氨酸的 MA 為 12，這要歸功於其由 11 個碳原子、12 個氫原子以及兩個氮原子和兩個氧原子組成的複雜結構。
格拉斯哥大學的化學家李·克羅寧領導了這項研究，他表示，這項練習表明，在某個閾值——大約 MA 15——分子在類地條件下非生物產生的機率變得非常低。事實上，克羅寧說，不到六百萬億分之一。因此，MA 排名為 15 或更高的分子幾乎總是由生命產生的。
那麼，這是否意味著 MA 15 是任何地方生命的可靠標誌？不是的。首先，許多低排名的分子可以是生物特徵——例如光合生物排放到地球大氣中的結構簡單的分子氧。這意味著，儘管組裝理論可能會降低尋找生命時的假陽性機率，但它也會相應地提高“假陰性”的可能性，從而使真正的生物特徵從調查裂縫中溜走。更廣泛地說，克羅寧說，儘管 MA 15 似乎是地球上生命的閾值，但對於截然不同的行星環境，閾值可能會落在其他地方。克羅寧認為，關鍵在於使用組裝理論來繪製非生物產生的化學組合與生命系統產生的化學組合之間必然存在的差距——無論是在這裡還是在其他任何地方。
為了進一步驗證他們的方法，克羅寧和同事們透過使用質譜碎片化技術研究大量排名分子和物質的樣本，打破每個樣本的組成部分，以確認重新組裝它們所需的化學步驟的數量，從而仔細檢查了他們對複雜性的理論計算。這些實驗結果與理論預測非常吻合，並且可靠地區分了包括大腸桿菌細菌、酵母細胞、植物生物鹼、灰燼、煤炭、花崗岩、石灰石甚至啤酒在內的廣泛的活體、非活體和死亡物質。
最令人興奮的驗證之一來自克羅寧的合作者和研究合著者希瑟·格雷厄姆，她是 NASA 戈達德太空飛行中心（位於馬里蘭州格林貝爾特）的天體生物學家。為了對該理論進行測試，格雷厄姆的實驗室傳送了一組盲樣。其中一個樣本是來自數百萬年曆史的化石的儲存生物材料。另一個樣本來自默奇森隕石，這是一種富含有機（但非生物）碳化合物的火流星，於 1969 年墜落到地球。克羅寧的測試表明，默奇森材料因其豐富的複雜分子而引人注目，但其排名仍低於 MA 15 的閾值，因此被認為是無生命的。然而，化石材料被確定為生命的特徵。
對於研究合著者和 NASA 天體生物學博士後研究員科爾·馬蒂斯來說，在該研究的這個階段，一個重要的區別變得對所有參與者都顯而易見： “複雜樣本和複雜分子”之間的區別。雖然像默奇森隕石中存在的各種奇怪的化學物質可能會讓人認為那裡存在類似生命的東西，但實際上是複雜分子，它表明了化學的組織性，這似乎是生命的關鍵。
這些結果的成功以及這項工作的發表引起了最初的興奮。位於佛羅里達州阿拉楚阿應用分子進化基金會的化學家史蒂文·本納並非該研究的參與者，他說他和他的同事們對組裝理論“非常熱情”。即便如此，他補充說，克羅寧和同事們仍然必須解決關於他們工作的許多未解答的問題，特別是它是否真的可以應用於“真正奇異的環境”。本納向克羅寧提出挑戰，要求在“半複雜”材料的樣本上測試該方法，本納的研究小組已經在模擬金星大氣層的實驗室條件下從簡單的碳前體合成了這些材料。“這是一個真實的環境，”本納說，“一個很快將再次被太空任務訪問的環境。如果金星生命存在於金星上空的雲層中，那麼它需要遵循與地球生命所遵循的化學邏輯截然不同的化學邏輯。”本納說，這可以說是金星成為分子複雜性指標近期測試的最佳地點。
作為回應，克羅寧評論說，本納的樣本提出了一個特殊的挑戰，因為它們浸泡在硫酸中——硫酸會分解有機分子，從而降低其可檢測的有機複雜性。然而，克羅寧說，“我們正在研究一種重建複雜性的方法，所以我仍然希望，即使在最困難的樣本中，如果分子沒有被破壞，我們也可以進行測量。”
與此同時，格林和 NASA 的其他人想知道是否可以使用組裝理論來分析來自許多質譜儀的資料，這些質譜儀在 NASA 的各種行星際任務中訪問過其他世界。格林首先考慮了卡西尼軌道飛行器上的質譜儀的案例，該質譜儀飛過並採樣了從土星冰冷衛星土衛二噴射出的水蒸氣羽流，但他意識到卡西尼的儀器僅記錄質量高達 100 個原子質量單位 (amu) 的質量，而組裝理論僅適用於重量至少為 150 amu 的分子。
儘管好奇號和毅力號火星探測器上的儀器可以達到 150 amu 及以上，但它們也達不到要求，因為它們缺乏研究 MA 測量的單一分子物種的特異性。格林說，未來的任務都應該配備質譜儀，這些質譜儀可以記錄更高的質量並以更高的規格進行測量。 NASA 的蜻蜓號任務有望實現這一目標，這是一架核動力四軸飛行器，計劃於 2030 年代中期開始探索土星衛星土衛六的大氣層和表面。格雷厄姆指出，蜻蜓號的質譜儀雖然缺乏實驗室質譜儀的一些功能，但將有能力探測複雜分子。
未來，其他計劃中的任務可能會在整個太陽系的天體生物學熱點地區尋找生命分子複雜性的跡象。克羅寧推測，最終，組裝理論甚至可以用於評估大型望遠鏡在潛在宜居系外行星大氣層中遠端探測到的潛在生物特徵。
然而，就目前而言，這種方法為理論家和實驗學家都提供了豐富的新想法，以理解和看到生命的宇宙複雜性。