能量有序资源分层：探索外星生命的通用生物特征新视角

在寻找外星生命的过程中，确定生物特征（biosignatures）面临诸多挑战，尤其是识别与特定代谢无关的特征。研究人员开展了 “能量有序资源分层作为生命的通用生物特征” 的研究。结果发现自我复制和生态相互作用会导致化学资源按能量含量分层。这为寻找外星生命提供了新方向1210。

　　在广袤无垠的宇宙中，寻找外星生命一直是科学界极具吸引力的探索课题。长久以来，人们在寻找外星生命的道路上困难重重。目前确定外星生命生物特征的方法，大多依赖于特定的代谢过程假设，比如常见的通过光谱检测气态代谢副产物，像氧气等。然而，宇宙中其他星球的生命形式很可能与地球生命大相径庭，所以寻找 “通用的（agnostic）” 生物特征变得极为关键，但这一挑战始终难以攻克。

为了突破这一困境，来自印度塔塔基础研究所国际理论科学中心（International Centre for Theoretical Sciences, Tata Institute of Fundamental Research）的 Akshit Goyal 和美国华盛顿大学圣路易斯分校（Washington University in St Louis）的 Mikhail Tikhonov 开展了相关研究。他们提出了一种全新的方法，将目光聚焦于生命的共性结果 —— 竞争生态系统的形成。通过构建一个简单的理论模型，研究人员发现生态系统层面的动态变化，即生态相互作用和资源竞争，能够产生一种与特定代谢活动无关的生物特征，也就是化学资源按能量含量递减顺序出现的分层现象。这一发现意义重大，它为寻找外星生命提供了新的方向，有望成为一个关键的研究突破点，相关研究成果发表在《Nature Communications》上。

在研究方法上，研究人员构建了一个包含反应催化剂（用 Ni?(x,t) 表示）和化学资源（用 Rα?(x,t) 表示）动态变化的一维模型。通过设定参数，如控制反应催化剂是否具有生物活性和自我复制能力的 γ ，控制生态相互作用密度的 ρ 等，来模拟不同的情况。同时，利用数值演化方程对模型进行模拟，在特定的边界条件下，研究物种和资源的动态变化3411。

研究结果

1. 能量有序资源分层的出现：模拟结果显示，自我复制和生态相互作用会促使生物物种和化学资源发生空间分层。在资源供应源头附近，消耗高能资源的物种生长最快，抑制了其他物种，使得低能资源得以向更远处扩散。随着这一过程的持续，资源和物种逐渐形成按能量含量分层的稳定状态56。
2. 量化分层程度：研究人员通过计算资源的穿透深度和 “分层序参数” 来量化能量有序空间分层的程度。结果表明，自我复制和生态相互作用不仅足以产生这种分层，而且是必不可少的条件。当缺少自我复制（γ=0 ）或生态相互作用（ρ=0 ）时，分层现象不会出现78。
3. 模型假设的放宽：研究还证实，即使放宽模型中关于物种资源消耗的一些简化假设，如允许交叉喂养、多种物种消耗同一种资源以及物种成为通才，能量有序资源分层现象依然稳健存在9。

研究结论与讨论

这项研究将能量视角和生态视角相结合，提出化学化合物按内在能量含量进行空间分层，可作为一种识别外星生命的通用生物特征。该机制不依赖于生物体化学组成或代谢的具体假设，仅基于一些合理的前提，即化合物中可用化学能与总内能相关，以及资源供应的空间不均匀性。然而，目前这一生物特征的检测在技术上存在一定局限，难以通过遥感手段获取，但对于火星土壤探测或样本返回任务具有潜在意义。总的来说，该研究为外星生命探索提供了一个重要的理论依据，开启了寻找通用生物特征的新思路，在天体生物学领域具有重要的理论价值和潜在应用前景，为后续的相关研究奠定了坚实基础。