第9章 生命的基本溶剂——水
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塞缪尔·泰勒·柯勒律治并非宇宙生物学家，但是他笔下的水手注意到“水，无处不在”。[1]这是个重要的发现，相信你也发现了，水是生命最基本的要求。
地球上大约有14亿立方千米的水，粗略换算一下相当于560万亿个奥运会的标准泳池。[2]但是，其中只有0.007%的淡水能供人使用。其余的水分布在海洋、河流入海口、沼泽、湿地和地下深处，虽然人类难以利用，但生物圈中大部分区域的成员都可以利用，比如微生物。
生命的化学反应需要在液体中进行，这是合情合理的。在液体中，分子之间的距离近到足够发生化学反应。重要的是，万亿个分子会来回运动，以多种组合碰撞，完成化学反应，驱动生命体内的复杂途径。在弥散的气体云或者固体中，这些相互作用通常难以进行。在固体中，分子和原子通常是刚性的，不可能轻易移动。在气体中，它们又彼此相距太远，也就是太分散了。
有人可能会反驳说，在气体里发生化学反应也不是不可能啊，只不过分子彼此不容易遇到，反应比较缓慢而已。比如科幻小说里想象的智能星际云，或许仅仅是有点儿笨重，不是太话多而已。[3]然而，在这种星云里分子和原子必然会扩散，它们不太可能形成长期演化或维持稳定的自我复制系统，更不用说在星系的整个生命周期里一直存在了。
数十年来，生物学家一直对一个问题很感兴趣：生命体必须要用水作为溶剂吗？在寻求答案的时候，我们考虑到了生命体以水为基础、在水中组装只是一种偶然的可能性。我们继续探索在分子水平上塑造生命的物理学原理。水看似简单，仅仅是一个氧原子结合了两个氢原子，但是在简单的结构背后，水在生命中发挥着重要的作用。生命之所以不能离开这种物质，背后有多种多样的物理学原理。
据我们所知，没有一个生物可以离开水而生存，也没有一种生命可以用其他溶剂代替水完成基本的化学反应。[4]那么问题来了，生命对水的需求是源自一些非常特殊的演化条件，还是源自更基本的原理？
人们早就认识到，水有一些很不寻常的特性。对你我来说，最容易注意到的就是，水结成冰后，冰会漂浮在水面上，说明结冰后水的密度降低了。[5]这个现象很容易证实，比如冷饮里的冰块总是浮在上面。这个奇怪的特性并不只有水有。在20吉帕（2×1010帕斯卡）[6]的压力下，硅也会这样。但是，大部分液体凝固成固体的时候密度会升高，在液体里沉下去。水之所以有这种反常性质，是因为水分子是通过氢键相互连接的。水分子有极性，类似于棒状的磁铁，所以一个水分子中的氧原子可以和其他水分子中的氢原子连接在一起。在液态时，水分子可以敏捷地自由移动。它们能够彼此靠近，把自己扭转成各种角度，嵌入分子之间的角落和缝隙。可是，结冰之后氢键就变得更强了，形成了有序的网络，这种规则的结构比液体状态占据了更多空间。由于内部的水分子间距更大，冰才会比液态水的密度小，能够浮在水上。
因为这些反常的特性，我们会看到冬天时池塘的表面已经结冰，但冰下的鱼依然好好地生活在水中，还因此受到了冰的保护。冰面可以保存下方水中的热量，降低池水的结冰速度；在春天来临之前，封冻的冰面还能让鱼躲开鸟的追杀。乡村池塘中的这些情景让很多人大吃一惊，水的物理性质看起来完美地适应了生命的需要：如果冰比水沉，池塘会从下到上地结冰，水中的鱼就会冻死。可是，我们不能草率下结论说，水的这些神秘特质就是为了给生物提供保障的。
在北美的森林中生活着一种迷人的动物——木蛙（Lithobates sylvaticus）。它栖息在林下灌木丛里，乍一看没有什么特殊之处。[7]但是，到了冬天，这种生物就会使用一种精妙的过冬手段。当冬霜降临时，木蛙会把自己埋进厚厚的落叶和泥土中，它还会施展一种生物化学的法术，在血液中合成葡萄糖。这种糖能够防止血液结冰、减少冰晶的形成，细长的冰晶可能会扎破血管，伤害木蛙。春回大地的时候，木蛙的身体会变暖，从地下爬出，不会受到季节变换的困扰。
聪明的木蛙提醒我们可以从不同的角度看待这个世界。结冰池塘里的鱼很可能在暗示我们，水有一些不寻常的性质正好满足生物的需要，但是木蛙又告诉我们，如果生物在一种冬天要冻结成固体的液体中演化，那么它就必须适应这种情况。并不是水的性质适应生物，而是生物适应了周边的化学和物理环境，包括水。但是，这些现象还是不能回答这个问题：水是否有一些特殊的性质，使它成了生命的唯一溶剂，像熔炉一样孕育了生命？
水的一些特性并不是很适合生物的生存。如果挖掘得足够深，我们甚至可以发现它的一些有害的属性。在杯子里，这种物质看起来是无害的，但是水不是惰性的，它与很多对生命至关重要的分子都能反应，这个能力令人很头疼。从水解反应（hydrolysis）的词根（hydro-在拉丁语中就是“水”的意思）不难推断出，这是水引起的一种化学变化。[8]
在液体状态下，水不只是我们熟悉的化学式H2O，还会分解成为氢氧根离子OH–和水合氢离子H3O+（质子与水分子结合在一起形成的离子）：
2H2O←→H3O++OH
水通过这种方式解离出的离子会攻击生命的长链分子。水解反应会让核酸、糖等生命必需的分子分崩离析，强迫生物体不断运用能量去修复并重建自身。
水也许不够完美，在这种负面的观点下，我们当然可以找到水的种种不利之处。但是，除了这些小问题外，它也有很多非凡的性质为生命所用。
因为组成它的原子略微带电，或者说有极性，所以液态水能够溶解各种各样大小的分子，对于生命代谢过程中的复杂级联反应来说，能溶解从离子到氨基酸的所有参与物质是很重要的。
生物催化剂、酶，还有生化机器的很多其他组分等形态各异的分子都是蛋白质。它的用途非常多。在蛋白质身上，我们看到了水的真面目，彻底了解到为什么水会成为与生命相关的化学反应发生的理想场所。
水分子能聚集在蛋白质的外部，让蛋白质更有柔性，使它们能够充分移动、吸收化学反应组分、充当生物催化剂，但是又能确保它们有充分的刚性，能够正确折叠、保持其完整性。[9]不可思议的是，我们通常认为水对保持蛋白质的稳定性必不可少，但是它实际上也有助于让它们失去稳定性，促进其流动，这显示出水在生命过程中维持着精妙的平衡。
在另一些蛋白质中，水分子会屏蔽氨基酸，阻止它们与其他氨基酸紧密结合。这种行为表面上阻止了稳定键的形成，实际上是让蛋白质维持了恰到好处的不稳定性，让它们依然保持柔性。
我们在水和蛋白质之间还发现了一些更为奇怪的关联。由于水分子之间的氢键网络，附着在蛋白质表面的水分子会形成一层“盔甲”，紧紧包裹、束缚着蛋白质。这种物理状态有点儿像玻璃。这种特性不但能把蛋白质聚在一起，还能确保大部分分子能轻松移动。
通过这些令人惊讶的方式，水帮助蛋白质折叠，使那些松散的氨基酸链条正确地聚合起来。但是，水的作用不止于此。水还可以成为蛋白质结构的一部分，从而决定整个分子的形状和功能。水可以聚集到蛋白质的活性部位（化学反应发生的区域）内部，和进入此处的分子连接，促进蛋白质完成催化作用。水分子在大部分蛋白质发挥功能的过程中都起到了重要的作用。
水可不满足于仅仅进入蛋白质，它还巧妙地把自己嵌入了生命的密码。水分子与DNA的结合方式取决于DNA本身的核苷酸序列，因此如果跟DNA结合的水分子与DNA的其他部分或者细胞中的其他成分相遇，它们就介导了与DNA密码有关的生物化学改变。这种安排的好处是，生命体可以通过水的介导以非常规的方式读取遗传密码。[10]
在细胞生物学里，水的作用不仅是帮助形成结构和协调重要的反应。细胞也会利用这种液体运送电子和质子。水分子通过氢键连成的长链就像电线一样，在细菌视紫红质中传导质子。细菌视紫红质分子在一些细菌中担负着光合作用的重任，收集阳光中的能量。通过这种巧妙的安排，我们看到，亚原子粒子沿着水的运动对于一些生物获得能量是非常重要的。
有人可能会反驳说，水的这些特性听起来很神奇，但是还有其他液体也能实现类似的功能。一些蛋白质能在除了水以外的其他液体中正常工作，比如有机溶剂苯，这确实是事实。蛋白质的这种能力似乎表明，生物化学可以脱离水而进行。然而，大多数蛋白质首先要在水中折叠，然后才能在非水溶剂里起作用。有些蛋白质能在有机溶剂里起作用，并不意味着全部生物化学反应都能在其他溶液中发生，也不意味着哪怕它能够在别的溶液中发生，它也会倾向于不在水中发生。[11]即使蛋白质能够在非水的液体里正常工作，水依然可以与这些蛋白质结合，参与结构形成。
水的用途错综复杂、种类繁多，这让我们意识到，我们不能仅仅把水当成容纳生命的溶剂，还应该认识到这种液体是生命生化过程中的基本组成部分。生命与这种液体以非常复杂和精妙的方式交织在一起，很多时候水是生命机器的一部分，而不只是容纳了一系列反应，其中碰巧产生了生命的媒介。
水的功能之多令人吃惊，从电子载体到质子导线，从形成氢键网络到承担分子的刚性和柔性。水能够被整合到一个自我复制、不断演化的生命系统中，并在其中发挥重要作用，它可能是独一无二的。
尽管我们不断发现水令人惊讶的特性，但是随着我们对其他溶剂的了解，我们不得不停下来思考一下。最有可能代替水在生命中的位置的是氨（NH3）。在一个大气压下，这种液体可以在零下78℃到零下33℃的温度范围内存在，但是如果加压，它的沸点会升高到100℃，就像水的温度范围一样宽。像水一样，氨也可以溶解许多小分子和离子化合物。低温液氨存在的环境可能适合生命存在，比如土星的卫星土卫六的地表深处、气态行星木星大气层或在木星某个卫星的冰冷海洋中。不过，它跟水的相似之处也仅限于此了。[12]
生命的一个基本特征是能够用膜将外界环境与分子隔开。尽管在低温条件下，包括脂类在内的碳氢化合物可以从氨中分离出来，但是自发形成膜的现象在液态氨中不可能发生，在水中却可以。
氨和水在这方面的特性差异，部分原因是氨不能形成牢固的氢键网络。这个原因也能解释为什么氨的沸点很低——在加热时氨分子更容易被拉开。在水中有一些精细的相互作用也不能在氨中存在，但它们对于平衡蛋白质的稳定性和柔性是必需的。
最重要的是，氨会大举攻击生命分子。像水分子一样，氨分子在溶液中会解离成两种离子（NH–4和NH–2）。含有NH–2的溶液会与质子结合，从而攻击含有质子的分子。这些分子包括组装成我们所知的生命的许许多多复杂的分子。这种能消灭生命分子的特性使氨对地球上的生物是有害的，它也极有可能与宇宙中其他地方的多种复杂分子起反应。一句话概括就是，氨缺失的正是化学上的精妙性。
可是，我也得指出，氨具有一些不可思议的性质值得注意。比如，它能溶解金属，形成由金属离子和许多自由电子组成的奇异的蓝色溶液。[13]自由电子是生命的基本要素，它们是从周围环境里收集能量的电子传递链的原材料。从表面上看，我们可能会认为，既然电子在生命体中广受欢迎，这种可以溶解电子的液体将是一个很好的电子来源。在氨的海洋里，会不会有奇异的蓝色外星人从周围环境中吸收着美味的电子？我们不能轻易排除这个想法。
虽然前文提到了氨的种种缺点，但氨的优点是可以参与复杂的化学反应。工业化学家用氨来配制很多有用的溶液。它还是很多含氮化合物的前体，比如火箭燃料中用到的肼。
像除水之外其他所有的“生命溶剂”一样，我们可以给氨列出一个清单，列上生命体所需要的特性。清单上的大部分液体都具有某些性质，似乎对生命无害，可能还有益，比如氨能溶解电子。然而，我们所寻找的溶液远不仅仅需要能与自我复制、演化的生物相容。我们要寻找的液体应该可以参与各种化学反应，因此它的化学性质既不能太迟钝，也不能太活泼。
我们把目光投向其他液体，虽然它们看起来不太可能有用，但我们还是开动脑筋做了种种考虑。[14]有些液体的性质让科学家很兴奋，包括硫酸（H2SO4）、甲酰胺（CH3NO）和氟化氢（HF）。
在一个大气压下，液态硫酸存在的温度范围更宽，从10℃到337℃，因此它能在很多环境中保持液态，这让它看起来很有可能成为“生命的溶剂”。金星的云层中就有液体硫酸，浓度在81%~98%。有趣的是，在大约50千米高处的金星云层里，有一个区域的温度大约是0~150℃，压力也跟地球表面的压力很接近。这些有利的温度和压力环境引起了人们关于生命存在可能性的大量讨论，例如金星天空中飘浮的气泡，或者以硫酸为食的硫酸盐还原细菌。[15]在一个有趣的思想实验中，化学家史蒂夫·本纳（Steve Benner）提出，在奇怪的液体里可能会发生一些奇怪的蛋白质化学反应。[16]在硫酸里，氨基酸之间的氮会被硫原子代替，并稳定存在。尽管同水一样，硫酸能溶解很多化合物，但它对有机材料或者几乎所有复杂化合物都不太友好。它在化学上的破坏性意味着，在它内部能进行的生物化学反应是极其有限的。
甲酰胺的情况也类似。尽管很多分子在这种物质中很稳定，包括我们熟知的ATP，但是只要很少量的水与甲酰胺结合，就可以水解、破坏它们，这意味着甲酰胺只能在一个几乎不存在水的星球上发挥作用。
氟化氢跟水的化学特性有相似之处，它可以形成氢键，也能溶解很多小分子。可是，它与水混合生成氢氟酸后，反应活性不可思议。在实验室里，地质学者用这种液体来溶解石头，让化石现形。它倾向于与碳氢键反应，让它变成碳氟键，因此它不太可能成为有机化学溶剂，除非有一种生命是由富含氟元素的分子构成的。
除了上面提到的这些难题，当我们思考哪些液体在理论上可以作为水的替代物时，还会出现其他的问题。对于那些要在低温下工作的液体，比如液氨，尤其如此。
化学反应速率由一个非常简单的原理决定，即阿伦尼乌斯方程。该方程来自瑞典化学家、物理学家斯万特·阿伦尼乌斯（Svante Arrhenius）。他生活在19世纪和20世纪初，非常博学，曾获得过诺贝尔化学奖。他曾经涉猎过很多学科，甚至思考过地球大气中二氧化碳增加带来的影响，预言这将使全球变暖，以阻止冰期的到来。他意识到，化学反应的速率与温度有关。在实验室里测定了不同反应的速率后，他指出这种相关性不是简单的线性关系。温度加倍并不意味着反应速率也会加倍。温度和速率之间是指数的关系，更确切地说，任何反应的速率（k）等于：
这里的e是数学常数，Ea是活化能，R是理想气体常数，T是反应中的温度。不常见的系数A是一个常数，跟不同的化学反应有关，它决定了正确方向的碰撞频率。
温度与反应速率之间的指数关系对于生命意味着什么？
假如一个反应的活化能是50 000焦耳，这意味着这是反应进行所需的能量。把环境温度从100℃降到0℃，反应速率将降低到原来的1/350。然而，如果再将反应温度降低100℃，从0℃下降到零下100℃，反应速率将降低到原来的1/350 000，这太惊人了！在液氮的温度下（大概是零下195℃），反应速率将是原来的一千万亿亿分之一！
乐观派人士可能马上会反驳说，催化剂能加快反应速率啊！但是，即便是最好的酶或者化学催化剂，也只能把反应速率提高几个数量级而已。指数关系也许不会成为问题：生命只不过是在更慢的速率下运作，复制频率可能比目前地球上的生命更低而已。但是，在大多数行星环境下，生命经常会遭受损伤，需要修复。损伤的一个来源就是背景辐射。
因此，生命就会面临一个问题。它必须有修复辐射损伤的能力，防止损伤积累到致命的水平。在地球的地下深处，几乎没有可以用于生长和繁殖的能量，微生物也很少分裂。但是，即使在这里，它们也必须聚集起足够的能量来修复辐射造成的损伤。[17]在地球的岩石中，哪怕是抗辐射能力最强的微生物，如果它们一直保持休眠状态的话，4 000万年的背景辐射就足以杀死它们中的大部分。火星的大气层比地球薄，表面的宇宙辐射比地球更强。在这里哪怕有抗辐射的休眠的微生物，不管是当地已经存在的还是人类或机器人探索者偶然带上去的，它们都会在几千年内被杀死，可能用不了几千年。[18]
如果低温生命体内的化学反应速率与我们熟悉的生命相比相差成千上万倍，这就意味着低温生命形式可能会积累大量损伤，无法及时自我修复，也就不能活下去了。
不过，对于低温生命形式也可能会有一些更乐观的消息。它需要面对的很多不利因素也取决于温度，温度越低，活性氧的产生、氨基酸的分解、由热引起的DNA碱基对分解等过程也越慢，因此损伤出现得也越慢。[19]尽管低温生命形式很可能会遭受损伤，但是损伤引起的变异也会相应地变慢，这从某种程度上弥补了它们低速的自我修复。然而，辐射对分子的直接损伤是与温度无关的。反应速度过于缓慢的生命跟不上这些损伤的步伐。
除了缓慢的修复和生长速度，环境也对这种“懒惰”的生物不利。任何环境都会随着时间而改变。实际上，为了发生化学反应以产生生命所需的能量，环境中必须存在更新和动态的变化。[20]在极端低温下，细胞内化学反应速率过慢，可能会出现这样的情况：细胞好不容易动员代谢途径适应了周围环境的短期改变，但环境又改变了。在更大的尺度上，这产生了一个问题：如果反应速率大幅降低，那么可能代谢途径还没来得及适应初始条件，行星尺度上的环境就又变了。生物可能只能徒劳地追赶环境的变化，设法捕获能量或者对物理和化学条件做出反应，而这些条件可能早就消失了。
所以，生命的存在可能还是有一个最适宜的温度范围的。在宇宙中的大部分环境中，生物适应和修复自身的能力很可能与下列因素存在时间上的相关性：辐射速率和行星化学及行星地质学的扰动。在极端低温下，生命过程可能会与发生在行星表面和内部的许多过程不同步。
在我们探索外星表面的化学过程时，找到宇宙中这些化学过程真实发生的地点并测试这些想法是很有帮助的。在我们的太阳系中，有很多为人熟知的酷冷环境，比如气体巨行星卫星上的海洋、火星上的冰川，这些地方并不会比地球上我们已知最冷的地方冷太多。然而，我们也知道，即便在太阳系这个宇宙角落里，也有些地方液体温度显著低于地球的其他地方。我们是否有理由乐观地认为，那些液体里可能具有能自我复制和不断演化的系统？
在宇宙中有一个被寄希望于存在生命的寒冷的地方，那就是土星的卫星——土卫六。2004年，卡西尼号飞船和惠更斯号登陆器传回了土卫六表面的图片，让人类惊愕不已。透过大气，照片中的这个世界显得格外缥缈。甲烷河流分割了大地，形成了蜿蜒的支流和湖泊，就像我们这个充满水的星球一样。[21]在寒冷的地面上，环境温度低至–180℃，在这个温度下，水冰的物理特性就像地球上的石头一样。
土卫六上的“生命”溶剂是甲烷，这种有机溶剂跟水有很大不同。甲烷没有极性，这意味着它很难溶解对地球生物化学过程很重要的许多离子和带电分子。我们熟知的很多蛋白在甲烷中也会失效。
有人会说，甲烷的一大优势是它没有水那么活泼，所以在地球上破坏生命分子的水解反应就不会存在了。尽管这可能是事实，但是水的反应活性正是它的重要能力之一，通过跟某些分子发生反应，水可以维持分子柔性、保持分子间通信等。水活泼的特性虽然有时对生物不利，但是通常是有利于所有生物的。
一种流行的论点认为：一些化学家实际上更喜欢在非水溶剂中进行某些合成反应，这样可以避免水的活泼特性，证明了没有水的情况下生命体也可能活得更好，因此甲烷和类似的液体也能成为“生命的溶剂”。但是，化学家之所以喜欢在有机溶剂中进行反应，是为了得到更多他们要制备的化合物。所以，他们希望尽量减少不必要的化学反应。但生命过程不同于实验室制备化合物。生命是利用反应活性来驱动活跃的生化过程的。与水相比，甲烷缺乏反应活性，并且无法溶解极性分子，因此不太可能有利于生命的诞生，哪怕它们可能会吸引工业化学家的注意力。
不过，我们可以想象一下，在这种有机化合物存在的地方如何构建生化结构。思考一下地球上的生命是如何制造出包裹在细胞外面那层膜的。要是我们想在土卫六那样的地方造出细胞膜，就得把它翻转过来。带电的头部要朝内彼此相对，避开疏水的甲烷，长长的脂肪酸尾巴要指向液体。通过改变脂质层，我们制造出了适合甲烷世界的囊泡。为了完成这项工作，我们不能引入地球生命所具有的脂肪酸尾巴，因为在土卫六的冰冷甲烷湖里它们会凝固，无法移动。康奈尔大学的研究团队用化学建模的方式发明了一种丙烯腈膜来取代细胞膜，丙烯腈是土卫六上的一种含氮化合物。他们管它叫“氮膜”（azotosome）。“氮膜”分子的极性头部富含氮，头部相互吸引形成膜，尾部是向外伸出的短链碳化合物。这种化合物使整个结构可以在土卫六上保持流动性，就像在地球上的膜一样。[22]
人们已经不满足于模型和推测了，想得到真实的资料。研究人员把土卫六表面的气体的测量数值与生命可能获取能量的方式比较后认为，土卫六上可能有生命。他们认为，在土卫六的大气中，生命可以通过让烃类（比如乙炔、乙烷）和氢气反应来产生能量，这个过程产生的废物是甲烷。[23]这个想法现在受到了追捧，因为研究人员观察到这个星球大气中的氢气在被消耗，表面上的乙炔也明显减少了，这可能是生命存在的间接证据。[24]这些数据让人很兴奋。但是正如“奥卡姆剃刀”原则提醒我们的那样，借助的假设数目最少的解释才是我们应该接受的科学解释，这个原则在思考外来生命的时候尤其重要——我们应该记住，我们对土卫六和它上面甲烷循环的了解还很有限，现在观测的结果也可以用其他行星地质学或行星化学的过程来解释。虽然如此，但这种说法还是有趣的。
如上文所说，用一点点想象力，我们就能在土卫六上建构内部自洽的生命图景。但是，就算土卫六上可能存在生命的能量来源、丰富的有机分子和其他非碳原子，可能还有脂类化合物，但这一切都不足以维持生命系统，因为那里大部分湖泊和大陆的低温环境限制了生物系统的生存。[25]
以上讨论可能包含了一些化学上的偏见，因为我们将研究工作集中在熟知的溶剂——水上。我们对氨、液氮、氟化氢、液态甲烷和其他溶剂的了解更少，由于缺少在其中进行生物化学反应的例子，我们需要进行大量的推测。如果人类用了另一种液体作为“生命的溶剂”，我们能否预测到这种奇怪的一氧化二氢（H2O，水！）溶剂如何与能繁殖、演化、自我复制的生物相互作用？尽管我们是一种以水为基础的智慧生物，我们对水在生物化学中的作用的了解也是近年来才突飞猛进，而且依然很不够。
虽然要考虑到这种偏见，但水这种溶剂似乎用途还是很广泛的。水有非凡的能力，在生命的舞台上，它可以扮演多种角色，不管是主角还是配角。到现在为止，我们还没有发现有机化学中的任何其他溶剂或者生物化学体系中的任何其他物质具有这种能力。同样重要的是，水保持液态的温度范围，刚好也是化学反应速率足以让生物处理各种生物破坏因素（例如辐射和微观尺度条件变化，以及行星尺度上的重大调整）的温度范围。水不仅具有的化学性质适合作为生命溶剂，而且在宇宙中普遍存在，说明它的物理性质也适合生物，任何行星的演化实验都需要它作为普遍溶剂。
距离我们120亿光年之外有一个古老的类星体，它有个不太好记的名字：APM 08279+5255。天文学家总是喜欢这么命名。不过，我是个生物学家，所以我叫它弗雷德。弗雷德有一个黑洞，这个黑洞比太阳的质量还要大200亿倍。天文学家对类星体的了解很少。由于弗雷德距离我们有120亿光年，因此我们观测到的其实是120亿年前接近宇宙起源时它发出的光。也就是说，类星体非常古老。然而，这个遥远的模糊物体含水量非常高，比地球海洋水量总和还要大140万亿倍！
弗雷德这种情况并不罕见。水在宇宙中随处可见：它易于挥发。在我们的太阳系中，木卫二的冰盖下有海洋，土卫二（这个卫星非常小，直径不到500千米）的南极有间歇的喷泉。火星有冰盖，太空中还有冰彗星，比如柯伊伯带上直径大于1千米的冰彗星有10亿~100亿颗。[26]
弗雷德上的水是怎么来的还是个未解之谜，但是不管怎样，天文学家还是很兴奋，他们想研究出来外星环境中如何形成了水。我们来看看反应流程：[27]
化学的细节我们先不考虑，但是“简单就是美”的原则非常重要。氢气分子会受到宇宙辐射（可能来自垂死的恒星）的轰击，由此产生的氢离子可以跟超新星爆发时产生并散布到整个星际空间的氧原子发生反应。含有氢和氧的离子与更多的氢离子反应，产生OH3+离子，这个离子吸收一个电子后就形成了水。上面的最后一条化学方程式中我把水加粗了。
所以，宇宙大爆炸产生了氢，超新星爆炸产生了氧，再经过辐射和电子的加入，我们就得到了水，遍布宇宙的水。
这些反应可能不是弗雷德内部水的唯一来源，但是它们表明，要想形成水很简单，不需要特殊条件。之前人们认为，在地球早期历史中获得的水来源于彗星，但事实上可能主要来自含水的小行星，而小行星上的水也是通过上面的反应生成的。弗雷德告诉我们，这个反应过程已经持续了数十亿年。在宇宙中的一个地方，在地球形成70亿年前，在生命出现在地球上之前，仅在弗雷德周围就产生了总量相当于数万亿个地球含水总量的水。
至于进入人们视线的其他溶剂，它们成为“生命的溶剂”的可能性似乎越来越小了。据悉，土卫六地下的液态海洋中可能含有30%的氨，氨很可能是早期地球大气中的组分之一，它也是水的替代物的候选之一。事实上，氨是木星大气的组分，但可能不如水的含量那么丰富。硫酸，作为“生命的溶剂”的一项更古怪的提议，甚至更罕见。至于氟化氢，就更不太可能了。氟在宇宙中的含量大约是氧的十万分之一。无论它们在化学上有多少用途，这些替代溶剂和其他溶剂都无法与宇宙中的水量相提并论。宇宙中其他可能产生生命的奇妙液体，比如硫酸或氨海洋里产生了鱼类生命形式的可能性，都要比宜人的水域海洋小得多。水的物理特性使它随处可见，功能丰富，非常适合作为形成生命的溶剂。
[1]Samuel Taylor Coleridge: Samuel Taylor Coleridge. (1834) The Rime of the Ancient Mariner.
[2]There is a lot of water on Earth Taken from the US Geological Survey website in December 2017.
[3]The quixotic intelligent interstellar cloud Astrophysicist Fred Hoyle,in an intriguing science-fiction story The Black Clou, published by William Heinemann in 1957), describes a giant sentient cloud that enters the Solar System and accidentally blocks sunlight from reaching Earth. The sentient being expresses some surprise that there could be life on this ball of rock.
[4]We know of no single organism: It may not be outside the capacities of synthetic biologists and chemists to make self-replicating molecules—cells, even—that will operate in other solvents. But like artificially altered genetic codes and the incorporation of novel amino acids into proteins, these laboratory fabrications may tell us very little about whether such entities would emerge under natural processes.
[5]One of the most notable: The phase diagram of water is remarkably complex, with unusual forms of water ice occurring under high pressures and temperatures as the hydrogen-bonding networks change in their orientation. See, for example, Choukrouna M, Grasset O. (2007) Thermodynamic model for water and high-pressure ices up to 2.2 GPa and down to the metastable domain. Journal of Chemical Physics 127, 124506.
[6]This property is strange A gigapascal is a unit of pressure (one billion pascals). On Earth at sea level, atmospheric pressure is equivalent to 101,325 pascals.
[7]It inhabits the undergrowth: Storey KB, Storey JM. (1984) Biochemical adaption for freezing tolerance in the wood frog, Rana sylvatica. Journal of Comparative Physiology B 155, 29–36.
[8]Hydrolysis reactions: An old paper but one that nevertheless presents some of the reactions illustrating the reactive nature of water is Mabey W, Mill T. (1978) Critical review of hydrolysis of organic compounds in water under environmental conditions. Journal of Physical and Chemical Reference Data 7, 383–415.
[9]By binding to the outside of proteins: An excellent review on the role of water in the cell is Ball P. (2007) Water as an active constituent in cell biology. Chemical Reviews 108, 74–108. As the author recognizes, our comprehension of how water works is changing quickly. However, the remarkably versatile and subtle roles of water in biochemistry are no longer in doubt.
[10]This arrangement allows the genetic code Robinson CR, Sligar SG.(1993) Molecular recognition mediated by bound water: A mechanism for star activity of the restriction endonuclease EcoRI. Journal of Molecular Biology 234, 302–306.
[11]The ability of some proteins Klibanov AM. (2001) Improving enzymes by using them in organic solvents. Nature 409, 241–246.
[12]However, there the similarities: Benner SA, Ricardo A, Carrigan MA.(2004) Is there a common chemical model for life in the universe?Current Opinions in Chemical Biology 8, 672–689.
[13]For example, it can dissolve: The properties of ammonia have been known for a long time. See, for example, Kraus CA. (1907) Solutions of metals in non-metallic solvents; I. General properties of solutions of metals in liquid ammonia. Journal of the American Chemical Society 29, 1557–1571.
[14]We leave the oceans: A good discussion of some of these possibilities can be found in Schulze-Makuch D, Irwin LN. (2008) Life in the Universe: Expectations and Constraints. Springer, Berlin, which reviews some of the advantages and disadvantages of different solvents, but the authors conclude that no known solvent would be better than water, apart from, potentially, ammonia at low temperatures.
[15]The optimistic temperature For a suggestion of blimp-like creatures in the clouds of Venus, see Morowitz H, Sagan C. (1967) Life in the clouds of Venus. Nature 215, 1259–1260. For sulfate-reducing bacteria that eat sulfate compounds in the Venusian atmosphere, see Cockell CS. (1999) Life on Venus. Planetary and Space Science 47, 1487–1501.Sulfur also features in Schulze-Makuch D et al., Grinspoon DH, Abbas O, Irwin LN, Mark A, Bullock MA. (2004) A sulfur-based survival strategy for putative phototrophic life in the Venusian atmosphere. Astrobiology 4, 11–18. These thoughts are fun, and the reader should not take the authors of these papers to be expressing a genuine committed belief that Venus has life. Like many of these discussions, however, they can provide a backdrop to ask stimulating questions about our own biosphere. For example, here are just two questions that emerge from contemplating life on Venus: Can you have a persistent aerial biosphere on a planet when the surface is uninhabitable? Why don't we observe blimp-like balloon organisms floating in Earth's atmosphere?
[16]In an intriguing thought experiment: Benner SA, Ricardo A, Carrigan MA. (2004) Is there a common chemical model for life in the universe? Current Opinions in Chemistry and Biology 8, 672–689.
[17]And yet even here, they must get enough energy: This is a calculation made for Mars, but the order-of-magnitude estimate is applicable to Earth (Pavlov AA, Blinov AV, Konstantinov AN. [2002] Sterilization of Martian surface by cosmic radiation. Planetary and Space Science 50, 669–673).
[18]Here, even a radiation-resistant: Dartnell LR, Desorgher L, Ward JM,Coates AJ. (2007) Modelling the surface and subsurface Martian radiation environment: Implications for astrobiology. Geophysical Research Letters 34, I.02207.
[19]The formation of reactive oxygen species Price PB, Sowers T. (2004) Temperature dependence of metabolic rates for microbial growth,maintenance, and survival. Proceedings of the National Academy of Sciences 101, 4631–4636; Lindahl T, Nyberg B. (1972) Rate of depurination of native deoxyribonucleic acid. Biochemistry 11, 3610–3618;Brinton KLF, Tsapin AI, Gilichinsky D, McDonald GD. (2002) Aspartic acid racemization and age-depth relationships for organic carbon in Siberian permafrost. Astrobiology 2, 77–82.
[20]Indeed, for chemical reactions: Chemical disequilibria made from geologically active processes.
[21]Rivers of methane: Lorenz R. (2008) The changing face of Titan.Physics Today 61, 34–39.
[22]Using this chemical compound: Stevenson J, Lunine J, Clancy P. (2015) Membrane alternatives in worlds without oxygen: Creation of an azotosome. Science Advances 1, e1400067.
[23]They proposed that by reacting hydrocarbons:McKay CP, Smith HD.(2005) Possibilities for methanogenic life in liquid methane on the surface of Titan. Icarus 178, 274–276.
[24]These ideas have even received Strobel DF. (2010). Molecular hydrogen in Titan's atmosphere: Implications of the measured tropospheric and thermospheric mole fractions. Icarus 208, 878–886.
[25]However, the presence of possible energy sources: I say “most” because impacts on Titan's surface might generate local hydrothermal systems that warm the surface. Furthermore, a subsurface ocean on Titan might provide opportunities for prebiotic and biological processes.
[26]Then there are the ice caps The Kuiper Belt is a disc of objects beyond the orbit of Neptune. Although it is similar to the asteroid belt that lies between Mars and Jupiter, it is about twenty to two hundred times as massive.
[27]Look at the reaction scheme below: See, for example, Klare G. (1988) Reviews in Modern Astronomy 1: Cosmic Chemistry. Springer, Heidelberg.