外星生命必須要有水嗎？為何科學家如此執著地尋找水？

科學家們（生物學家，化學家，天文學家和天體生物學家）并沒有堅持生命一定需要水，題主太小看他們的想象力了。

首先來看看水為什么對于生命來說十分重要。我們所認識的生命的基礎是各種復雜的生物化學反應。為了讓各種物質能夠充分接觸，高效地參與反應，把它們溶解在某種液態溶劑中是一個理想的選擇。此外，把物質溶解在液體中，也是在生物體內運輸物質的便利途徑。宇宙中，甚至地球上，存在著各種液態物質。而其中，水無疑是一種十分理想的溶劑。

水分子由一個氧原子和兩個氫原子構成。兩個氫原子與氧原子的連線夾角是104.5度。這樣，水分子就有了極性：氧原子的一側形成了水分子的負極，兩個氫原子形成了水分子的正極。正極可以吸引負離子，負極可以吸引正離子。這個特性讓水有了十分優秀的溶解能力。

氫和氧在宇宙中都是含量十分豐富的元素，所以水在宇宙中并不少見。真正稀罕的是液態水存在的條件：不能太熱，也不能太冷。它只能存在于恒星系內的宜居帶（Goldilock Zone）。

天文學家熱衷于在太陽系外行星尋找水的另一個重要原因是：在我們目前認識的宇宙中的生命形式當中，100%都是以水為溶劑的。

然而，水的缺點也很明顯。固態的水（冰）反射率很高。一旦行星表面形成了一定規模的冰蓋，它就會把大部分恒星輻射的能量反射回去，減少行星的能量供給，導致溫度繼續下降，冰蓋繼續擴展。這就是地球上反復發生冰川期，甚至幾次形成全球冰封的原因。

除了氫和氧，宇宙中其他含量較高的元素包括：氦，碳，氖，鐵，氮，硅，鎂和硫。下圖是銀河系中主要化學元素的豐度（單位是百萬分之一）。

以這些元素為原料，宇宙會大量產生其他具有一定溶解能力的液態物質。我們來看幾個例子。

1. 氨（NH3）

和水一樣，氨也是一種含量十分豐富的物質。它的化學性質也和水非常相似。氨對有機物的溶解性甚至比水還好，而且，它還能溶解很多金屬單質，如除了鈹以外的堿金屬和堿土金屬。此外，很多與水有關的有機物（如帶有羥基OH的醇類）和與氨有關的有機物（如帶有氨基NH2的胺類）具有一一對應的關系。

然而，氨也有它的弱點。首先，氨分子之間的氫鍵強度比水弱得多，所以氨蒸發時吸收的熱量只有水的一半，而且氨的表面張力只有水的1/3。所以，氨的融點比水低很多：在一個大氣壓下，液態氨存在的溫度范圍是零下78到零下33攝氏度。在這個溫度下，化學反應速度十分緩慢，所以，生活在液氨中的生物新陳代謝和進化的速度都應該比地球生物慢得多。

不過，在較高的壓強下，氨的融點和沸點都可以相應提高。比如，在60個大氣壓下，液態氨可以在零下77攝氏度到零上93度范圍內存在。這倒是一個比較理想的溫度范圍，不過，能達到這個氣壓的行星恐怕很少。

氫鍵太弱也導致了另一個缺點：液氨不能像水一樣和沒有極性的有機分子發生疏水反應。疏水反應這對很多地球生物，尤其是動物，是非常重要的。如果沒有這樣的機制，像細胞膜這樣的結構就無法穩定存在了。

細胞膜主要由兩層磷脂分子構成。磷脂分子的親水端向外，疏水端向內，構成細胞膜的骨架。對于這個結構至關重要的是水和磷脂分子之間的疏水反應。顯然，在缺乏疏水反應的液氨環境中，生物無法具備細胞膜這種有效隔離同時又能保證物質運輸暢通的理想結構。

疏水反應的另一個重要作用是，在生命發展的早期階段，具有疏水性的有機分子會聚集成團，然后逐漸發展出能夠自我復制的復雜分子，如DNA。而在液氨環境中，這個過程也變得十分困難了。

所以，在液氨環境中，我們所認識的很多生物機制都無法運轉。如果液氨中能孕育生命的話，它們應該會走上一條和我們完全不同的道路。

下圖是一個液氨環境的生命星球的藝術想象圖。

2. 甲烷和其他碳氫化合物

甲烷分子包含1個碳原子和4個氫原子。碳和氫都是宇宙中豐度很高的元素，所以甲烷含量也不低。比如，土衛六（泰坦）就包裹著以甲烷含量很高的厚實的大氣層，并且表面布滿了甲烷湖泊和海洋。

然而，和水相比，甲烷的溶解能力就差了很多。

甲烷分子沒有極性，和水相比，溶解能力弱得多。像油或者脂肪這樣的脂質可以少量溶解在液態甲烷中。所以，嚴格來說，基于液態甲烷的生命并非完全不可能，只是要困難得多。為了讓其他的有機分子參加生化反應，這些分子必須被連接在油脂分子上。而且，在甲烷世界中的生命活動將會十分遲緩。

以甲烷或其他碳氫化合物為溶劑的生命形式可能性不太大，但是并非絕對沒有。天體生物學家克里斯·麥凱（ Chris McKay ）甚至認為，土衛六上可能就有生命。他認為，如果土衛六上面有生命的話，它們應該需要把復雜的碳氫化合物（如乙烷或乙炔）降解成簡單碳氫化合物（如甲烷），從中獲得能量。這個過程需要消耗氫氣（H2）。對這種假想中的土衛六生命來說，乙烷或乙炔相當于我們的葡萄糖，而氫氣相當于我們的氧氣。而對土衛六發現，大氣層下層的氫氣和乙炔含量比上層低，這表明在大氣層下層中發生著某種消耗這兩種物質的反應。這似乎在證明土衛六表面有生命活動的假設。

3. 氟化氫（HF）

氟化氫和水比較相似，它的分子具有極性，溶解能力很好。在一個大氣壓下，氟化氫在零下84攝氏度到零上19攝氏度保持液態，這是一個大約100攝氏度的范圍。而且，氟化氫分子之間也有很好的氫鍵。雖然對地球生物來說，氟化氫是有毒的，但是有的有機物卻可以在氟化氫中穩定存在。

然而，遺憾的是，氟化氫在宇宙中含量很少（因為氟元素豐度就很低）。

4. 硫化氫（H2S）

從分子式可以看出，硫化氫和水的分子結構十分相似，只是把氧原子換成了同族的硫原子。然而，硫化氫分子的極性比水小，所以它對無機物的溶解能力也相對較弱。

如果一個行星表面有大量液態硫化氫的話，一個可能的來源是火山。在這種情況下，火山可能也會產生一些氟化氫。在硫化氫中混入氟化氫可以有效提高它對礦物質的溶解能力。

居住在硫化氫環境中的植物可能從一氧化碳和二氧化碳得到碳，并釋放出一氧化硫（相當于我們的氧氣）。

硫化氫的另一個缺點是，保持液態的溫度范圍很小。當然，提高氣壓可以緩解這個問題。

上面列舉了一些分子結構比較簡單，而且比較常見的溶劑。實際上，其他一些看上去更加另類的物質也有支持生命的潛力，比如硫酸，二氧化硅，超臨界狀態的二氧化碳和氫，高溫下的氯化鈉，以及低溫下的氮和氫等等。

很多科幻電影中都描繪了一種世界大同，人類和各種外星人雜居的宇宙圖景。支持不同生命形式的溶劑顯然不在考慮范圍之內。想象一下，如果你在酒吧端起一杯啤酒時，左邊的外星人正在津津有味地品嘗一杯硫化氫，右邊的外星人卻在猛灌一大桶氨水，相信你手上的啤酒也喝不下去了吧。

我們目前只知道一種生命形式——地球生命。這個樣本實在太小了。也許宇宙中的生命形式和地球上完全不一樣，甚至根本不需要化學反應。比如，在星云或恒星表面，可能生活著等離子體的生命；在中子星上，也可能生活著簡并態的生命。這些假設都有一定的理論和試驗的支持。在這些假設被推翻之前，我們并不能否定哪怕十分微小的可能性。

不過，從現實的角度出發，在太陽系外行星上尋找水無疑是探索生命最為可靠的一種方法了。因為，我們確信無疑的是，水是可以支持生命活動的。