克拉肯是传说中的海妖，而科学家用它命名了泰坦上的甲烷海。
左图是卡西尼探测器在近红外波段上拍摄的泰坦。图中我们可以看到泰坦极地附近海洋表面反射的阳光。反光位于克拉肯海的南部。克拉肯海是泰坦最大的液态物质聚集体。它内含甲烷和其它烃类（碳氢化合物）。右图是克拉肯海的雷达图像，也是卡西尼探测器拍摄的。“克拉肯”是传说中的挪威海妖，这个名字体现了天体生物学家对这片外星海洋的神往。NASA / JPL
泰坦（土卫六）是土星最大的卫星。泰坦上会有生命吗？在这个问题的驱使下，天体生物学家和化学家针对生命的化学构成，及其在其它行星上的不同情况，进行了认真而富有创见的思考。今年初，来自美国科内尔大学的一些学者发表了一篇颇为“前卫”的科学论文，探讨了细胞膜在泰坦奇特的化学环境中可能具有的形式。
土星环侧面后方的泰坦（土卫六）。照片由卡西尼探测器拍摄。NASA / JPL
在很多方面，泰坦就像是地球的孪生兄弟。它是太阳系最大的卫星，比水星还要大。和地球一样，它有一个稳健的大气层，这个大气层的气压只比地球略高。泰坦是太阳系除了地球以外唯一一个地表拥有大量液体的天体。NASA的卡西尼探测器在它的极地发现了大量湖泊甚至河流。最大的一个湖泊，也被称为海，名为“克拉肯海”。“克拉肯海”比地球上的里海还要大。观测和实验还表明，泰坦大气富含生命的基本材料——复杂有机分子。
泰坦上的甲烷湖在阳光照射下产生的反光。照片由卡西尼探测器拍摄。NASA / JPL
这一切让泰坦看起来像是个适合生命繁衍的星球。“克拉肯”是传说中的海妖，用海妖为泰坦上的海洋起名，多少反映了天体生物学家对在泰坦上寻找生命的渴望。但泰坦是地球的一个非常不同的孪生兄弟。它距离太阳比地球要远几乎十倍，表面温度只有-180摄氏度。对于我们所知的生命而言，液态水是必不可少的。但泰坦上所有水都是以固态冰的形式存在的。水冰在泰坦上扮演的，是地球上硅酸盐岩石的角色，它们构成了这个天体的外壳。（译注：泰坦外壳下方100千米处可能也有一个由液态水和氨构成的全球性地下海洋。）
泰坦甲烷湖艺术渲染图。NASA / JPL
泰坦湖泊和河流中的液体不是水，而是液态甲烷，或许还混有其它液态烃类物质，如乙烷。而这些东西在地球上都是以气态存在的。如果泰坦的海中有生命，那它们的形态必然和我们所知的生命不同。这种生命形式诞生的基础，是溶解在液态甲烷而非液态水中的有机分子。这种情况有可能发生吗？
科内尔大学的这个科研小组对细胞膜在液态甲烷中存在的可能性进行了研究，这是个颇具挑战性的关键性问题。所有生命细胞从本质上来说，是一个被细胞膜包裹在内的，能够自我维持的化学反应网。据研究，细胞膜在地球生命史上出现得非常早，它们的形成，可能是生命起源的第一步。
地球上，细胞膜是由一种名为磷脂的大分子构成的。每个磷脂分子有一个“头部”和一个“尾部”。头部内含一个磷酸基团，一个磷原子与多个氧原子相连。尾部包含一条或多条碳原子链，每条碳原子链通常由15至20个碳原子构成，每个碳原子两侧各与一个氢原子相连。磷酸基团带有负电荷，因此磷脂分子头部的电荷分布是不均匀的，我们称其为极性。而分子尾部的电荷是中性的。
地球上的细胞膜是由磷脂分子溶解在水中后形成的。磷脂分子有一条由碳原子构成的主干（灰色），同时也含氢（青色）、磷（黄色）、氧（红色）和氮（蓝色）。由于含氮胆碱团带正电，磷脂团带负电，分子头部带有极性，能够吸引水分子，因此是亲水性的。由碳和氢构成的尾部是中性的，是疏水性的。细胞膜的结构是由磷脂和水分子的电特性产生的。磷脂分子能够形成一种双层的膜，亲水头部朝向外侧，与水接触，而疏水的尾部朝向内侧，两层分子的尾部面对面地排列在一起。Ties van Brussel
这些电特性决定了磷脂分子溶解于水时的表现。从电的角度而言，水是一种极性溶剂。水分子中的电子与氧原子的结合力要远远强于和两个氢原子的结合力。因此，水分子中两个氢原子的一侧，带有微弱的正电荷，而氢原子一侧带有微弱的负电荷。水的这种极性特点，使之能够与磷脂分子的头部相结合，也就是说磷脂分子的头部是亲水的，与此同时磷脂分子的尾部会与水互相排斥，也就是说它是疏水的。
当磷脂分子溶于水时，会在这两者电特性的共同作用下，以特定的排列方式形成磷脂膜。磷脂膜围合形成的球体名为脂质体。磷脂膜的厚度为两个分子，是一种双层结构。极性亲水头部分别朝向膜的内外两侧，与水接触，而两排疏水的尾部像三明治一样被夹在中间。磷脂分子膜能够在保持这种固定结构的同时，又为生命提供足够的柔韧性。
双层的磷脂分子膜构成了地球生命细胞膜的基础。脂质体能够生长、复制，能够为生命提供重要的化学反应，因此一些生化学家认为，脂质体的形成，可能是生命产生的第一步。不管怎么说，细胞膜的出现，无疑是地球生命诞生过程中较早的一步。
左边是由氢（H）和氧（O）组成的水分子，它是一种极性溶剂。氧原子的电子吸附力远大于氢原子，导致分子的氢一侧带正电，氧一侧带负电。德尔塔标记表示只带部分电荷，少于一个单位的正电荷和负电荷。右侧是甲烷，一种非极性溶剂，因为氢原子（H）在碳原子（C）周围的分布是对称的。Jynto / Paul Patton
假如泰坦上存在某种形式的生命，无论是海妖还是微生物，细胞膜也是必需的。相同的磷脂双层分子膜是否能够在泰坦的液态甲烷海中形成？答案是否定的。因为和水不同，甲烷分子的电荷分布是均匀的。它缺乏水的极性特点，所以无法吸引磷脂分子带有极性的头部。而这在地球细胞膜的形成过程中是必须的。
实验证明，在地球室温条件下，磷脂也能够溶解于非极性液体中。在这种情况下，磷脂可以形成一种相反的双层膜结构。形成这种膜的分子极性头部朝内，靠它们带有的电荷吸引在一起。而非极性的尾部朝外，形成膜的两面，与非极性溶剂接触。
左边是溶于极性溶剂——水中的磷脂。它们构成了一种双层的膜，它们的极性亲水头部朝外与水接触，疏水的尾部抵在一起。右边是常温下溶于非极性溶剂的磷脂，它们形成的是一种反向的膜。极性头部互相吸引在一起，非极性的尾部朝向外侧，面对非极性溶剂。Paul Patton
然而这泰坦上这却行不通，原因有两个。首先液态甲烷的温度太低，磷脂分子的尾部会变硬，无法形成有足够柔韧性的膜状结构。其次是因为磷脂的两大关键性原材料——磷和氧，在泰坦的甲烷湖中几乎不存在。生命要在泰坦上立足，必须另辟蹊径。
即便在泰坦上细胞膜不是以磷脂为基础的，科学家也有理由相信，它们的结构也和实验室中制造出来的反向双层磷脂膜类似。它们多半是由溶解在非极性液态甲烷中的极性分子结合在一起形成的。哪些分子有这种潜力呢？为了寻找答案，科学家分析了卡西尼探测器获得的数据，以及泰坦大气化学成份的实验室重建结果。
泰坦的大气成份非常复杂，大部分由氮气和气态甲烷组成。卡西尼探测器运用光谱分析手段，在泰坦的大气内发现了多种由碳、氮和氢构成的化合物——腈类和氨类。科研人员在实验室中模拟了泰坦的大气成份和光照条件，结果生成了一种名为“托林”的有机分子。（译注：这种物质使泰坦地表呈现红色，同时也可能是冥王星地表呈现红色的原因。）而与此同时，还出现了腈和胺。
丙烯腈可能会是泰坦液态甲烷中细胞膜的基础。它在泰坦大气中的含量是百万分之十，也能够在实验室的模拟中产生。作为一种能够溶解于液态甲烷的小型极性分子，丙烯腈能够在泰坦的替代生化环境中，成为构建细胞膜的候选物质。青色：碳原子，蓝色：氮原子，白色：氢原子。Ben Mills / Paul Patton
科内尔大学的科研人员认为，腈和胺可以成为构建泰坦生物细胞膜基本结构的候选者。因为它们都有极化的分子，都能够在非极化的液态甲烷中，依靠极化的含氮基团结合在一起，形成膜状结构。而且有理由相信，泰坦上的候选分子要比磷脂小，这样它们才能够在低温的液态甲烷中，使膜保持柔韧。而腈和胺拥有的碳链，碳原子数量只有3到6个。
由于含氮基团又名“偶氮”团。为了与“脂质体”相对应，科研小组把这种假想的泰坦生命基本构造称为“偶氮体”。
合成偶氮体是困难的，也是昂贵的，因为实验要在寒冷的液态甲烷中进行。但是由于候选分子已在其它领域中被研究得相当广泛，因此科研人员认为，通过计算化学来测定它们是否能够在液态甲烷中形成具有柔韧性的膜是可行的。计算机模型已经被成功地运用在传统的磷脂细胞膜研究上。
极性的丙烯腈分子能够在非极性的液态甲烷中“头尾相连”，形成一种膜状结构。James Stevenson
计算模拟结果表明，某些候选分子可以排除，因为它们无法黏合成膜，柔韧性不好，或会变成固体。但是结果同时也显示，有很多这类物质能够形成特性恰到好处的膜。其中一种名为丙烯腈。
卡西尼探测器的探测结果表明，泰坦大气中此类物质的含量大约为百万分之十。尽管偶氮体和脂质体的温度相差悬殊，但是它们却令人吃惊地拥有相似的稳定性和力学适应能力。
生命的细胞膜，也可以在液态甲烷中存在。
计算化学模拟结果显示，丙烯腈及其它小型极性含氮有机分子溶解在液态甲烷中后，能够形成一种“偶氮体”。“偶氮体”是一种被膜包裹着的小球，和磷脂溶解于水后产生的脂质体相似。模拟结果显示，丙烯腈偶氮体能够在极端低温的液态甲烷环境中同时保持稳定性和柔韧性，而这种特性是构建假想中泰坦生命，或其它液态甲烷世界生命的细胞膜所需的。偶氮体的直径大约是9纳米，大小和病毒差不多。James Stevenson
这一探究的含义，已经超出了其本身。它为未来探测器在泰坦上寻找生命，指出了一个方向。影响十分深远。
天文学家在星系内寻找适合生命存在的环境时，通常会在恒星的宜居带内寻找系外行星。宜居带是一个狭窄的轨道区间，在那里，如果行星的大气和地球相似，那么这个行星的表面就可能有液态水。假如甲烷生命确实存在，那么恒星周围还会有甲烷宜居带，也就是能够使甲烷在行星或卫星表面保持液态，从而使甲烷生命得以存在的轨道区间。如果是这样，那么星系中宜居行星世界的数量就会大增。
也许在某些世界上，甲烷生命能够进化成我们难以想像的复杂形态。也许它们长得就像“克拉肯”海妖。
传说中的“克拉肯”海妖（看起来像只大乌贼）。Chris-Garrett
Paul Patton文 /老孙译
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