我们发现了外星生命吗？

该专题最初发表于 2015 年 2 月的《大众科学》杂志。

肯尼斯·尼尔森看上去非常理智，他刚刚告诉我他的实验室里有一群外星人正在孵化。

我们挤在他位于南加州大学 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、一双旧麂皮便鞋和白色袜子——标准的休闲学术服装——靠在椅子上，感觉很舒服。一面墙上挂着一堆令人鼓舞的学术奖项。他身后放着一把破旧的吉他，他有时会拿出来给妻子伴唱。大厅对面是他安静自信的解释：烧杯和瓶子里装满了细菌，它们正忙着打破长期以来被接受的生物学规则。

尼尔森解释说，生命全都归结于能量。从最强大的蓝鲸到最不起眼的微生物，每个生物都依赖于移动和操纵电子；电子是生命物质生存、生长和繁殖的燃料。南加州大学的细菌也依赖能量，但它们获取能量的方式完全不同。它们的呼吸方式和你我不同。在最极端的情况下，它们也不吃任何传统食物。相反，它们以最基本的方式为自己提供能量：通过进食和呼吸电能。尼尔森指着他的实验室。这就是它们现在正在做的事情。

“所有的教科书都说这不可能，”他说，“但天哪，那些东西就是在电极上不断生长，而那里没有其他能量来源。”在电极上生长。听起来不可思议。尼尔森转过身来面对我，露出一个顽皮的笑容。“这有点像科幻小说，”他说。对于生物学家来说，找到没有碳水化合物等分子能量来源的生命，就像看到乘客在没有飞机的情况下在空中飞行一样不可能。

这一发现具有重大意义。从实际角度来看，电细菌可以用于制造生物燃料电池或清理人类排泄物。尼尔森告诉我，他的一位前学生刚刚获得一笔资助，用于建造一个细菌驱动的污水处理系统。但更重要的是，这类微生物似乎构成了地球上一个广阔的、尚未被探索的生命领域。它们也可能是我们以外星球生物多样性的重要组成部分。

尼尔森从未提及“外星人”这个词，但它在谈话中占据了重要地位。他的细菌与我们见过的任何细菌都不一样，它们迫使我们重新思考我们所知道的生命。

发现

和所有精彩的外星人故事一样，这个故事以绑架事件开始——尽管是一起科学绑架事件。这次被绑架的不是一个人，而是一个矿物。尼尔森坐下来讲述这个故事。

1982 年，当他还是斯克里普斯海洋研究所的一名教授时，他听说了纽约州北部奥奈达湖发生的怪事。每年春天，融雪都会将锰从周围的山中冲刷到湖中。然后风吹起湖水，使溶解的金属与氧气有效结合形成固体氧化锰，然后沉入湖床。问题是，科学家们发现的锰氧化物远没有他们预期的那么多。某种东西正在使氧化锰消失，速度是地质预期速度的 1,000 多倍，但没人能找出原因。

“如果速度真的这么快，我知道这一定是生物学的原因，”尼尔森说。他怀疑湖中的细菌清除氧化锰的速度几乎和氧化锰形成的速度一样快。这个理论完全有道理，但它与教科书上的智慧背道而驰：微生物分解一块金属的速度和你我一样快。这个谜团一直困扰着他。1985 年，尼尔森搬到了威斯康星大学密尔沃基分校，开始在奥奈达湖进行研究，以证明他的直觉是正确的。

经过两年的搜索，尼尔森成功发现了锰窃贼：希瓦氏菌，一种功能与他所知的任何细菌都不同的细菌。“当我看到希瓦氏菌的功效时，我立刻就疯了，”尼尔森说。“我把所有学生都叫到实验室，然后说，‘这是一种非常非常重要的生物，需要了解。没有人会相信它。我们需要 10 到 15 年的时间才能让世界相信这是真的。’”

对于大多数活的、呼吸空气的生物来说，尼尔森说：“我们吃的葡萄糖提供电子，我们呼吸的氧气接收电子，电子流就是我们身体运转的动力。”这就是基本新陈代谢。每个生物面临的挑战是找到电子源和丢弃电子的地方，以完成电路。希瓦氏菌消耗碳水化合物中的电子，但它以一种不寻常的方式释放电子：“它游到金属氧化物上，然后呼吸。”尼尔森说。“我们称之为‘呼吸岩石’？”这就是科学异端的开始。

希瓦氏菌的外膜上布满了微小的化学线，这些化学线由特殊蛋白质驱动，可让细菌将电流从细胞中移出。这些化学线与氧化锰直接接触，因此细菌可以沉积电子并“呼吸”固体物质。此外，尼尔森意识到，只要能完成电路，细菌甚至不在乎膜外的物质是氧化锰还是其他完全不同的东西。

当尼尔森和他的团队收集证据证明希瓦氏菌确实非同寻常时，另一位微生物学家也有了类似的发现。时任美国地质调查局项目负责人的德里克·洛夫利在波托马克河底部发现了一种能移动电子的细菌——地杆菌。尼尔森说：“地杆菌的蛋白质有着完全不同的进化起源，但它们解决问题的方法是一样的。”发现两种对原始电有亲和力的无亲缘关系的微生物提供了令人安心的证据，证明希瓦氏菌并不是某种偶然的怪异生物。

此时，尼尔森意识到地球上的微生物景观可能与人们想象的不同。他还意识到，他可能才刚刚开始探索电细菌的潜力。

“没有人会相信。我们需要 10 到 15 年的时间才能让世界相信这是真的。”

奇怪的新陈代谢

尼尔森团队的博士后研究员安妮特·罗威 (Annette Rowe) 目前正在实验室里快速探索生命的极限，实验室就在我与尼尔森交谈的地方对面。实验室里有鱼缸、试管、电线、孵化器和厌氧室，还有推入式工作手套，看起来像是《犯罪现场调查》中的旧布景。我经过一个装满缓慢搅拌液体的大水槽，里面有一族希瓦氏菌在生长。（“是的，可惜你看不到它们，”罗威抱歉地说。）尼尔森从高高的架子上俯视着这些照片，照片很有激励作用。图片说明示例：“我在看着你”和“开始工作吧。”

这个地方看起来有点像微生物水族馆，事实上也确实如此。就像尼尔森在奥奈达湖发现希瓦氏菌一样，罗威和她的同事们一直在当地海洋环境中寻找其他电细菌，越陌生越好，然后培养它们，试图找出是什么让它们运转。

“我们一直在卡塔利娜港工作。那里有一套非常好的研究体系，”她说。罗看起来有点疲惫，就像一个经常熬夜的研究生，但当她谈到进入这个领域时，她就兴奋起来。“基本上，我们把沉积物捞出来，然后筛掉无脊椎动物，同时得到一个混合良好的系统。我们设置了一个装满这些沉积物的 10 加仑水族箱，并在里面埋上电极。然后我们寻找细菌定植的迹象。”

电极是吸引 Rowe 所寻找的细菌的关键：不是将电子倾倒到矿物质上的细菌，而是从矿物质中吸收电子的细菌。它们不是呼吸者，而是食客。对于这些细菌来说，阴极就像一张巨大的带电餐桌。Rowe 调整电位以模拟这些生物通常从中获取能量的化合物，然后它们就会游上来。

当 Rowe 开始整理她的沉积物污泥罐时，她对自己收集到的细菌种类之多感到震惊。“我分离出一大堆电极氧化细菌，”她说——总共大约有 1000 种菌株。到目前为止，她已经鉴定出其中 30 种，都是之前未知的。

罗威的研究给我们带来了一个重要启示，那就是细菌拥有各种各样的电子移动机制。这一发现表明，这种能力进化了多次。更令人惊讶的是，包括希瓦氏菌在内的一些细菌可以双向移动。“许多可以将电子放到电极上的生物也可以做相反的事情，从电极上取走电子”——尽管不是同时进行的——罗威说。这种逆转过程的能力让我和罗威都感到惊讶。“我认为这对生物来说会非常困难。你基本上是在从它们身上偷走能量。但它们确实做到了。”

另一个发现则更加令人震惊。罗威的六种新细菌菌株可以仅靠电子生存。“这是一个疯狂的现象，”她说，远远超出了尼尔森迄今为止发现的任何现象。“我把其中一些细菌养了一个多月，没有添加碳，”她说。它们肯定是完全依靠电极上的电生存的，因为没有其他东西。

这些微生物正是尼尔森在我们之前的谈话中如此激动的微生物。它们不仅对科学来说是新事物，而且需要一种全新的收集和培养方法。罗威的绝大多数菌株必须在阴极上培养，而不是在培养皿中。它们表明地球上存在着一个巨大且在很大程度上是外星生态系统。美国国家科学基金会将其称为“暗能量生物圈”，并资助罗威进一步了解这个平行的微生物宇宙。

这些微生物表明地球上存在着巨大且很大程度上陌生的生态系统。

对于尼尔森来说，他的门生的突破既证实了自己对生命运作方式的认识，又推翻了自己对生命运作方式的认识：“我从事微生物学研究已有 45 年了，”他说。“你的整个观点发生如此巨大的变化真是太疯狂了。”

摄像机拍下

尽管 Rowe 的发现令人震惊，但所有关于电子和能级的讨论都存在一定程度的智力上的距离。无论我多么盯着烧瓶看，我仍然希望能够亲眼看到细菌在做什么。当我拜访 Moh El-Naggar 时，这种沮丧感就消失了，他在南加州大学校园的几栋楼里工作。他有微生物活动的真实视频，包括解开电线和设置微型电网。

埃尔-纳加尔的细菌视频项目最初是为了推翻一个理论。尼尔森对希瓦氏菌进行的实验表明，细菌可以接触金属表面并沉积电子。其他研究表明，细菌有时会产生功能不明的毛发状附属物。一些研究人员认为这些生长物并不重要，但也有少数人怀疑这些毛发是否实际上是细菌为移动电子而产生的“纳米线”。

视频：电纳米线从希瓦氏菌的外膜延伸出来。图片来源：El-Naggar 等人/PNAS 2014，由南加州大学提供

在埃尔纳加尔看来，这种推理似乎太过简单：“我当时就想，这不可能真的这样，对吧？我要进行测量来证明它不行。”于是埃尔纳加尔做了任何优秀的家庭杂工都会做的事情。他将几根导线夹在电线上，看看它们是否导电。它们导电。然后他检查电路是否带电，是否有电流流过电线。确实如此。最后，他监测了电线的形成过程，记录了完成电路后细胞发光的情况。

之后，他制作了一系列令人难以置信的影片，从中你可以看到希瓦氏菌伸手到电极上寻找放置电子的地方。有时细菌会相互连接，可能将电子送到能够接受它们的细胞上。埃尔-纳加尔描述了他在会议上展示视频时整个房间的震惊：“你坐在黑暗中，开始看影片，然后你听到‘啊！太酷了！’？”

纳米线可能与另一种广泛存在但最近才发现的细菌天赋有关，即能够将数千个细胞连接成香肠状的电缆。目前尚无迹象表明 Rowe 的电细菌是否形成了这种电缆（这项研究太新了），但丹麦奥胡斯大学的研究表明，这种电缆确实支持电子流动。El-Naggar 推测，这些电缆就像吸管一样，让深埋在沉积物中的细菌能够从顶部呼吸，将电子通过管道从一个细胞推到另一个细胞。

就在几年前，还没有人能想象到细菌能够有这样的行为。现在，埃尔-纳加尔怀疑纳米线和电缆被细菌广泛使用，而不仅仅是那些最极端的电子吞噬者。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存在纳米线的证据；细胞间电连接实际上可能是生物膜的普遍特征，生物膜是寄居在表面的细菌集合体，既有良性的也有致病性的。

犹他州大学的电化学家雪莱·明特尔对细胞生物学的研究更为深入。她发现，线粒体（包括人类在内的所有复杂细胞生物细胞内的发电单元）可以与自身外部的表面进行电相互作用。这符合一个广为接受的理论，即线粒体进化为独立生活的细菌，后来与其他细胞融合，形成永久的伙伴关系。即使过了 10 亿年，线粒体可能仍保留着它们独立时期的一些能力。因此，我们所有人体内都可能隐藏着一丝电外星行为。

也许我们每个人的内心深处都隐藏着一点点外星电气行为。

超越地球

我第一次从尼尔森办公室出发，穿过了大厅。最后一次我去了火星。其实，这并不是一次大的跨越：尼尔森从未在哲学上明确区分过寻找地球上的奇异生命和寻找其他星球上的生命。几年来，他一直在 NASA 的喷气推进实验室 (JPL) 工作，在那里成立了天体生物学小组。现在，他在那里开发的想法将在即将到来的Mars2020探测器上进行正式测试。

从某种程度上来说，与到达火星后寻找什么的挑战相比，登陆火星是小菜一碟。20 世纪 70 年代的海盗号任务顺利着陆，但却被闻起来像生命的东西绊倒了。20 世纪 90 年代，研究臭名昭著的火星陨石的科学家可能被看起来像生命的东西误导了。而新奇的好奇号火星车发现了有趣的甲烷气味，但它们与生物学的联系却一无所知。这就是尼尔森的团队在喷气推进实验室努力解决的问题。“你真的能弄清楚任何生命的普遍属性是什么吗？这个问题很难解决，因为我们无法摆脱自己的偏见，”他说。

SHERLOC 是答案的一部分。它是Mars2020上的七台科学仪器之一。尼尔森的前喷气推进实验室员工之一罗希特·巴蒂亚 (Rohit Bhartia) 是首席设计师，该仪器大量借鉴了金属呼吸细菌的经验。希文氏菌扩展了科学家对新陈代谢的理解，因此 SHERLOC 将寻找更广泛的可能生物特征。它将用紫外线照射目标，并寻找指示某些有机化合物和矿物质的视觉效果。

尽管 SHERLOC 不会寻找生命本身，而只会寻找生命留下的痕迹，但电细菌也为寻找活跃的外星生物提供了新方法。所有电适应性都是对极端环境的反应。当食物不足以进行大量生长和竞争时，寻找电子和发芽纳米线是生存策略——刚好足以帮助生物蹲伏下来并保持生命之火燃烧。这种情况在深海沉积物和地下深处很常见。如果火星和其他星球（木卫二？土卫六？）上存在生命，那么很有可能它们也挤在地表深处资源有限的环境中。

在美国宇航局为火星2020做准备的同时，罗威和南加州大学团队的其他成员正在地球上对更多的电细菌进行生物勘探，将他们的作业地点从卡塔利娜岛周围的浅水区转移到莫哈韦沙漠的深孔和南达科他州的矿井中。这些地点不仅可以揭示更多地球隐藏的生物多样性；它们还可以帮助指导对可能存在的外星生物的思考。尼尔森说：“当我们去其他星球时，我们会在表面寻找生命，但实际上地下蕴藏着如此多的能量。如果这种细胞外电子传输在那里不是常态，我会感到震惊。”

在将电极插入不同环境并收集带电微生物的过程中，尼尔森的团队注意到了一个独特的模式：在地球上几乎任何地方将一根钉子插入地面，你都可以测量到电位随着深度的增加而逐渐下降。这是因为每个深度的微生物都在追逐任何可用的电子。能量最充沛的生物使用能量最高的反应，生活在资源最丰富的地表上。你越深入稀缺区域，生命就越需要抓住任何可能获得的能量。

那个电位梯度听起来确实像是生命普遍标志的另一个好候选者。“如果没有生命，就不应该有梯度，”尼尔森说。因此，他沉思道，与其进行可能会错过一些不熟悉的生物活动的复杂化学实验，为什么不把一个巨大的探测器放在火星上，复制罗在卡塔利娜的微生物狩猎探险呢？他设想将一大群标枪状的探测器从轨道器上扔下来，穿透整个星球的地面。每个探测器都会有一个小型转发器，将数据发送到已经绕着这颗红色星球运行的科学卫星。探测器将寻找电位梯度，标记出可能存在生物活动的位置，以便进行更深入的研究。美国宇航局和俄罗斯曾尝试过更简单的火星穿透器，但两次任务都失败了。现在，非营利组织探索火星正在努力筹集资金，用于在那里寻找地下生命。

“当我们前往其他星球时，如果这种细胞外电子传输在那里不常见，我会感到非常惊讶。”

尼尔森正处于巅峰状态，所以我鼓励他继续说：你能在木卫二上做同样的事情吗？他只放慢了脚步。“木卫二很坚固，因为它全是冰……你可以想象把太阳能电池板或放射性发电机放在表面，然后把探测器融化掉。你可以对电子设备上方的小东西进行辐射硬化。”

如果他们没有发现电生物的迹象，探测器仍然可以测量地表下的地球化学，这本身就很有价值。如果他们确实发现了，开香槟庆祝还为时过早：你会想看看它是否是动态的，例如随着日照或温度而变化。这种额外的信号将是生命存在的有力间接证据。这仍然不是外星人的明确发现，但它会告诉你应该回到哪里——这次是用显微镜。

影子生物圈

在我们交谈的过程中，我发现自己正处于一场关于生命本质的非常不同的对话之中。有一次，尼尔森停下来告诉实验室的其他成员，他的一位亲密朋友兼同事卡特里娜·爱德华兹 (Katrina Edwards) 上周末去世了。然后他再次打断，解释说他必须将退休文件交给院长，这样就可以安心地离开四年了。尼尔森回来后，他沉思了一会儿。他告诉我，他唯一真正的遗憾是他没有足够的时间亲自研究罗威的全电细菌：“我 70 岁才发现这个，这真的让我很生气，因为它很重要。”

电活性细菌可能具有许多实际好处，研究人员现在开始探索这些好处。例如，它们在污水处理方面具有令人难以置信的天赋。将电阳极插入人类排泄物中，它会吸引以粪便为食并呼吸电子的细菌群落。将它们连接到燃料电池上，你就拥有了一个自供电的污水处理系统，该系统产生的污泥会大大减少。尼尔森的一位前学生奥里安娜·布雷茨格在圣地亚哥的 J. Craig Venter 研究所建立了一个测试系统，该系统已经运行了五年，几乎没有维护。“我的个人目标是将这些系统发展到可以将它们空运到第三世界村庄的程度，”尼尔森说，他仍然与布雷茨格合作。“人们会将污水带到处理厂并获得干净的水，而你不需要任何外部电源。”

明尼苏达大学的丹尼尔·邦德 (Daniel Bond) 正在探索电细菌发电和合成新材料的潜力。据报道，国防部对细菌驱动的水下传感器很感兴趣。埃尔纳加尔怀疑细菌和人类细胞之间的电相互作用可能具有重要的、几乎完全未被探索的健康影响。毕竟，污水实验表明肠道中存在电活性细菌。他大声问道：它们是否作为人体内部生态系统的一部分与人类细胞进行交流？

所有这些可能的应用都源于对希瓦氏菌及其更奇怪的近亲的完全陌生感——完全陌生。它们的陌生不仅在于它们的行为，还在于它们的行为方式。它们的地球似乎是一个建立在合作和共享基础上的世界，与我们所熟悉的残酷的达尔文式竞争世界相去甚远。“除非我赌错了，否则当我们到达地下时，我们将会看到这样的景象：小群生命生活在一个社会主义社区里，所有人都在那里共同工作。但我不会告诉我的共和党父亲，因为他不会喜欢的，”尼尔森说。

我认为电力社会主义是一个奇特的想法，但尼尔森很快就说服了我。在资源稀缺、掠夺性竞争不占优势的环境中，这可能是正常运作的方式。在地球上生命的大部分历史中，这也许是生命的现实。（“我一直认为，直到掠夺者进化出来，细菌才学会快速生长，”他说。“急什么？你知道，细菌不吃其他细菌。”）事实上，它可能比大多数科学家意识到的更适合今天的生活，因为地球上的很多微生物生态系统仍然看不见。据估计，99.9% 的物种无法在培养皿中培养。缓慢、合作的生活方式可能也是许多其他星球上生命的方式。

有很多可能，所以我问尼尔森：他真的相信影子生物圈的存在吗？影子生物圈是围绕电子共享和微观集体主义建立起来的。“在我死之前，我希望这能被证明是真的，”他说。然后他像一个真正的开明科学家一样纠正自己。“我的意思是，我不相信。如果它不是真的，我也没关系，但我会感到非常惊讶。它非常有意义，生命通常都是有意义的。”