近日，有新聞報(bào)道，日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)的小行星探測(cè)器“隼鳥2號(hào)”從小行星“龍宮”帶回地球的樣本中發(fā)現(xiàn)了氨基酸的存在，這則新聞再一次引發(fā)了人們對(duì)尋找地球以外生命的熱切向往。

事實(shí)上，宇宙中存在有機(jī)物并不是一件稀奇事。早在50年之前，科學(xué)家們就發(fā)現(xiàn)宇宙中廣泛存在著有機(jī)物了，況且在現(xiàn)代生命的化學(xué)起源理論下，有機(jī)物在宇宙中的廣泛存在也并不令人驚奇。

但本次的突破在于“首次在地球外確認(rèn)氨基酸的存在”，也就是說，這是我們?nèi)祟惖谝淮我揽孔约旱牧α吭谕馓斋@取到小行星樣本，并且在小行星樣本中發(fā)現(xiàn)了氨基酸，而不是我們首次在地球外發(fā)現(xiàn)了氨基酸。

01

不必驚奇，宇宙中廣泛存在著有機(jī)物

1969年，一顆明亮的火球從天空墜向澳大利亞維多利亞州默奇森附近，它在墜落前分成了三個(gè)大碎片和無數(shù)小碎片。人們?cè)?3平方公里的范圍內(nèi)撿到了超過100公斤的隕石碎片，其中最大的兩顆一顆重達(dá)7公斤，一顆重達(dá)680克。這些隕石被命名為默奇森隕石。

默奇森隕石 圖片來源：wikipedia

從1971年開始，科學(xué)家們?cè)趯?duì)默奇森隕石（Murchison meteorite）的化學(xué)成分進(jìn)行研究后發(fā)現(xiàn)這顆隕石中含有氨基酸，且有多種氨基酸，包括甘氨酸、丙氨酸、谷氨酸、異纈氨酸、假亮氨酸等70多種，由于氨基酸是組成生命的必要有機(jī)物之一，這一發(fā)現(xiàn)引起了科學(xué)家們尋找地外生命的狂熱興趣，在此后的數(shù)十年中他們?cè)谄渌麎嬄湓诘厍蛏系碾E石中發(fā)現(xiàn)了多種氨基酸和其他的各種生命誕生所必需的化學(xué)前體。

這些化學(xué)物質(zhì)包括各類氨基酸、多元醇、核堿基（嘌呤、嘧啶等）、芳香化合物等等。2009年和2015年，NASA和ESA的彗星探測(cè)器均從彗星中發(fā)現(xiàn)多種有機(jī)化合物。2020年2月，甚至還有科學(xué)家聲稱在Acfer 086和Allende隕石中發(fā)現(xiàn)了一種含有鐵和鋰的蛋白質(zhì)[1]（有爭(zhēng)議）。

隨著科技的進(jìn)步，除了在隕石中尋找有機(jī)物的身影外，科學(xué)家們還利用帶有光譜儀的望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)到了宇宙中星云、分子云、宇宙塵埃中存在著各種有機(jī)物的光譜，比如多環(huán)芳烴、富勒烯、芳香族-脂肪族混合有機(jī)物、乙醛醇等等。這些有機(jī)物的種類可達(dá)數(shù)百種之多。

從這些發(fā)現(xiàn)來看，其實(shí)包括氨基酸在內(nèi)的有機(jī)物在宇宙中是廣泛分布的。

那么，為什么會(huì)在宇宙中存在這么多有機(jī)物呢？

這其實(shí)是化學(xué)反應(yīng)自然形成的。NASA的科學(xué)家認(rèn)為，這種化學(xué)反應(yīng)從宇宙誕生后數(shù)十億年就開始了，它們往往是在一團(tuán)星云中的恒星出現(xiàn)之后，行星還未出現(xiàn)之前，星云中的碳元素就在宇宙輻射和恒星作用下開始形成多環(huán)芳烴，這是所有有機(jī)物形成的開始。多環(huán)芳烴實(shí)際上是一些碳元素環(huán)，以下是一些例子：

萘，黑色為碳原子，灰色為氫原子 圖片來源：wikipedia

芴，同上，總而言之多環(huán)芳烴就是碳環(huán)不斷重復(fù)連接 圖片來源：wikipedia

在恒星周邊除了會(huì)因?yàn)榛瘜W(xué)反應(yīng)形成多環(huán)芳烴之外，還會(huì)形成脂肪族（多環(huán)芳烴中碳原子成環(huán)，這里碳原子成鏈狀），在星際中各種原子、離子、分子以及射線的作用下，它們會(huì)氫化、氧化和羥基化，從而轉(zhuǎn)變成更復(fù)雜的有機(jī)物，比如氨基酸和核苷酸的前體[2]。

在宇宙空間形成了這些化合物之后，它們就會(huì)附著在各種巖質(zhì)或冰質(zhì)小行星中在宇宙中飄蕩。我們現(xiàn)在在地球上發(fā)現(xiàn)的各類隕石，以及本次隼鳥二號(hào)帶回來的小行星龍宮上的樣本，其中的氨基酸就是這么來的。

02

發(fā)現(xiàn)外星氨基酸，離外星生命還有多遠(yuǎn)？

在各大自然博物館，或者是科技館里面，有關(guān)生命誕生的過程，總會(huì)首先展示一個(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)備：米勒實(shí)驗(yàn)。氨氣、甲烷、氫氣、水、二氧化碳等氣體在一個(gè)持續(xù)放電的瓶子中加熱，最后冷卻得到的液體中出現(xiàn)了氨基酸。后續(xù)的實(shí)驗(yàn)中，人們得到了肽、核糖、核酸堿基等多種生命形成所必需的物質(zhì)。

米勒實(shí)驗(yàn)過程 圖片來源：wikipedia

米勒實(shí)驗(yàn)?zāi)M的是地球上的化學(xué)進(jìn)化過程，我們前面講到的是宇宙中的化學(xué)進(jìn)化過程。這些都證實(shí)了的，可以在自然界，無論是地球還是宇宙中，天然就會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成有機(jī)物。但是這其實(shí)只是生命誕生的第一步，離真正的生命還很遙遠(yuǎn)。

在其后，還需要有機(jī)小分子裝配成為有機(jī)大分子；有機(jī)大分子再組成多分子體系；多分子體系相互組裝（這是決定性的一步，其中最重要的是細(xì)胞膜系統(tǒng)的形成和核酸進(jìn)入膜中）這三大步。所以從氨基酸到生命，還很遙遠(yuǎn)。

圖片來源：參考文獻(xiàn)[3]

此外，這些在宇宙中的氨基酸雖然說明了有機(jī)物在宇宙空間的廣泛存在，但宇宙空間中其實(shí)很難為生命的形成提供足夠穩(wěn)定的環(huán)境。因?yàn)榭茖W(xué)家們發(fā)現(xiàn)，從隕石中發(fā)現(xiàn)的氨基酸和組成生命的氨基酸的構(gòu)型并不相同。

首先，隕石和地球上的同種有機(jī)物在分子結(jié)構(gòu)上是存在差異的，許多都是同分異構(gòu)體（分子式相同，結(jié)構(gòu)不同）[4]

三氯聯(lián)苯同分異構(gòu)體示意圖 圖片來源：wikipedia

其次，來自隕石的氨基酸和地球上的氨基酸在手性上是有差異的。什么是手性呢？做個(gè)小實(shí)驗(yàn)就懂了，舉起我們的左右手，掌心對(duì)掌心是可以貼合在一起的，但是如果都掌心向下，左右手放在一起，你就會(huì)發(fā)現(xiàn)此時(shí)就沒辦法貼合在一起了，這就是手性。在地球上的氨基酸，都只有左旋結(jié)構(gòu)，但是隕石中的氨基酸則左旋和右旋結(jié)構(gòu)都有[4]。

氨基酸的手性 圖片來源：wikipedia

第三個(gè)問題是，在形成生命的化學(xué)演化過程中，可能需要比較多的有機(jī)物，這些隕石能不能為生命演化提供足夠的有機(jī)物？而只有在類似早期地球的較大行星上才會(huì)存在穩(wěn)定的水熱環(huán)境，以供化學(xué)進(jìn)化的持續(xù)進(jìn)行。

03

外星生命存在嗎？

2017年的時(shí)候，科學(xué)家們?cè)诩幽么蟮目笨耸『０渡习l(fā)現(xiàn)了一些微生物化石，這些微生物是生活在當(dāng)時(shí)地球的深海熱泉附近的一些嗜熱細(xì)菌[5]，這個(gè)發(fā)現(xiàn)曾經(jīng)發(fā)表在Nature上。

早期地球上的微生物化石照片 圖片來源：參考文獻(xiàn)[5]

它們生活的年代據(jù)估計(jì)是在37.7-42.2億年前，這是什么概念呢？那時(shí)候的地球形成才3-8億年左右，而且那時(shí)候的地球正在經(jīng)歷一個(gè)非常殘酷的時(shí)期：重轟炸時(shí)期。在重轟炸時(shí)期，地球經(jīng)常受到小行星的瘋狂轟炸，據(jù)估計(jì)，因?yàn)槭艿叫⌒行堑拿芗Z炸，地球在這一階段體積增長(zhǎng)了10%左右。

重轟炸時(shí)期的地球想象圖 圖片來源：NASA

在如此惡劣的環(huán)境下，生命依然迅速地出現(xiàn)在了地球上。

而我們目前對(duì)于隕石上有機(jī)物的發(fā)現(xiàn)，雖然并沒有能夠證明地球上的生命起源于地外，但是它卻說明了一點(diǎn)，那就是在宇宙空間中，有機(jī)物的存在是比較普遍的，只要條件適合，就能夠形成各種有機(jī)物。那么，我們進(jìn)而可以進(jìn)行一個(gè)小小的推測(cè)，只要存在如地球一樣的宜居星球，生命存在的可能性很大，或者更激進(jìn)一點(diǎn)說，外星生命必然存在。

所以科學(xué)家們?cè)谔剿鞯赝馍倪^程中，首先會(huì)考慮宜居帶的因素，在宜居帶內(nèi)，行星上的水能夠以液態(tài)存在，這種液態(tài)水無疑能為化學(xué)進(jìn)化提供穩(wěn)定的環(huán)境，并為原始生命提供生存環(huán)境。

不同恒星的宜居帶，大的熱的恒星宜居帶遠(yuǎn)且范圍大，小的冷的恒星宜居帶近且范圍窄 圖片來源：NASA

不過這些系外行星對(duì)我們目前的技術(shù)來講過于遙遠(yuǎn)，與其花大力氣在系外行星上尋找生命，不如現(xiàn)在太陽(yáng)系內(nèi)尋找地外生命。在太陽(yáng)系內(nèi)，更有發(fā)現(xiàn)生命機(jī)會(huì)的地方在火星，它位于太陽(yáng)系宜居帶的外邊緣，雖然現(xiàn)在已經(jīng)干涸，但是根據(jù)科學(xué)家們研究，它其實(shí)在30億年前一直都還有地表水的存在，現(xiàn)在也還有地下水和地下湖的存在，在南北兩極甚至存在廣袤的冰蓋。

圖片來源：參考文獻(xiàn)[6]

要是對(duì)比一下地球和火星的演化歷史，我們就會(huì)發(fā)現(xiàn)，如果按照化學(xué)進(jìn)化的理論，火星上極有可能是存在生命的，只不過這種生命形態(tài)還比較原始，可能是類似地球上的細(xì)菌、古菌這樣的古老生命。

圖片來源：自制

火星生命一直到現(xiàn)在可能都存在于火星的某個(gè)角落，這一點(diǎn)我們可以從地球獲得佐證。1970年以來，科學(xué)家們陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了許多生活于地球極端環(huán)境中的微生物，包括極端嗜熱菌、嗜冷菌、嗜鹽菌、嗜酸菌、嗜堿菌等，甚至在地下十余千米暗無天日、溫度壓力極大的巖石縫隙中，都有微生物的存在。這些極端微生物擴(kuò)展了生命的存在范圍，也讓我們有理由相信火星上依然存在生命。

地球上的古菌模樣，如果火星上有生命，可能就與這些生物相似。圖片來源：wikipedia

作者：地心引力

參考文獻(xiàn)：

[1]McGeoch M, Dikler S, McGeoch J E M. Hemolithin: a meteoritic protein containing iron and lithium[J]. arXiv preprint arXiv:2002.11688, 2020.

[2]Gudipati, Murthy S.; Yang, Rui (September 1, 2012). "In-Situ Probing Of Radiation-Induced Processing Of Organics In Astrophysical Ice Analogs – Novel Laser Desorption Laser Ionization Time-Of-Flight Mass Spectroscopic Studies".The Astrophysical Journal Letters.756(1): L24.Bibcode:2012ApJ...756L..24G.doi:10.1088/2041-8205/756/1/L24.

[3]姜楠. 生命起源前氨基酸的合成[D]. 吉林大學(xué), 2013.

[4]楊晶,林楊挺,歐陽(yáng)自遠(yuǎn).地外有機(jī)化合物[J].地學(xué)前緣,2014,21(06):165-187.

[5]Dodd, M., Papineau, D., Grenne, T. et al. Evidence for early life in Earth’s oldest hydrothermal vent precipitates. Nature 543, 60–64 (2017).

[6]趙健楠. 火星南部古湖泊的地質(zhì)特征及其對(duì)古氣候環(huán)境的指示意義[D]. 中國(guó)地質(zhì)大學(xué), 2017.

標(biāo)簽： 科學(xué)家們 多環(huán)芳烴 化學(xué)進(jìn)化