近日，有新闻报道，日本宇宙航空研究开发机构的小行星探测器“隼鸟2号”从小行星“龙宫”带回地球的样本中发现了氨基酸的存在，这则新闻再一次引发了人们对寻找地球以外生命的热切向往。
事实上，宇宙中存在有机物并不是一件稀奇事。早在50年之前，科学家们就发现宇宙中广泛存在着有机物了，况且在现代生命的化学起源理论下，有机物在宇宙中的广泛存在也并不令人惊奇。
但本次的突破在于“首次在地球外确认氨基酸的存在”，也就是说，这是我们人类第一次依靠自己的力量在外太空获取到小行星样本，并且在小行星样本中发现了氨基酸，而不是我们首次在地球外发现了氨基酸。
01
不必惊奇，宇宙中广泛存在着有机物
1969年，一颗明亮的火球从天空坠向澳大利亚维多利亚州默奇森附近，它在坠落前分成了三个大碎片和无数小碎片。人们在13平方公里的范围内捡到了超过100公斤的陨石碎片，其中最大的两颗一颗重达7公斤，一颗重达680克。这些陨石被命名为默奇森陨石。
默奇森陨石 图片来源：wikipedia
从1971年开始，科学家们在对默奇森陨石（Murchison meteorite）的化学成分进行研究后发现这颗陨石中含有氨基酸，且有多种氨基酸，包括甘氨酸、丙氨酸、谷氨酸、异缬氨酸、假亮氨酸等70多种，由于氨基酸是组成生命的必要有机物之一，这一发现引起了科学家们寻找地外生命的狂热兴趣，在此后的数十年中他们在其他坠落在地球上的陨石中发现了多种氨基酸和其他的各种生命诞生所必需的化学前体。
这些化学物质包括各类氨基酸、多元醇、核碱基（嘌呤、嘧啶等）、芳香化合物等等。2009年和2015年，NASA和ESA的彗星探测器均从彗星中发现多种有机化合物。2020年2月，甚至还有科学家声称在Acfer 086和Allende陨石中发现了一种含有铁和锂的蛋白质[1]（有争议）。
随着科技的进步，除了在陨石中寻找有机物的身影外，科学家们还利用带有光谱仪的望远镜观测到了宇宙中星云、分子云、宇宙尘埃中存在着各种有机物的光谱，比如多环芳烃、富勒烯、芳香族-脂肪族混合有机物、乙醛醇等等。这些有机物的种类可达数百种之多。
从这些发现来看，其实包括氨基酸在内的有机物在宇宙中是广泛分布的。
那么，为什么会在宇宙中存在这么多有机物呢？
这其实是化学反应自然形成的。NASA的科学家认为，这种化学反应从宇宙诞生后数十亿年就开始了，它们往往是在一团星云中的恒星出现之后，行星还未出现之前，星云中的碳元素就在宇宙辐射和恒星作用下开始形成多环芳烃，这是所有有机物形成的开始。多环芳烃实际上是一些碳元素环，以下是一些例子：
萘，黑色为碳原子，灰色为氢原子 图片来源：wikipedia
芴，同上，总而言之多环芳烃就是碳环不断重复连接 图片来源：wikipedia
在恒星周边除了会因为化学反应形成多环芳烃之外，还会形成脂肪族（多环芳烃中碳原子成环，这里碳原子成链状），在星际中各种原子、离子、分子以及射线的作用下，它们会氢化、氧化和羟基化，从而转变成更复杂的有机物，比如氨基酸和核苷酸的前体[2]。
在宇宙空间形成了这些化合物之后，它们就会附着在各种岩质或冰质小行星中在宇宙中飘荡。我们现在在地球上发现的各类陨石，以及本次隼鸟二号带回来的小行星龙宫上的样本，其中的氨基酸就是这么来的。
02
发现外星氨基酸，离外星生命还有多远？
在各大自然博物馆，或者是科技馆里面，有关生命诞生的过程，总会首先展示一个实验设备：米勒实验。氨气、甲烷、氢气、水、二氧化碳等气体在一个持续放电的瓶子中加热，最后冷却得到的液体中出现了氨基酸。后续的实验中，人们得到了肽、核糖、核酸碱基等多种生命形成所必需的物质。
米勒实验过程 图片来源：wikipedia
米勒实验模拟的是地球上的化学进化过程，我们前面讲到的是宇宙中的化学进化过程。这些都证实了的，可以在自然界，无论是地球还是宇宙中，天然就会发生化学反应形成有机物。但是这其实只是生命诞生的第一步，离真正的生命还很遥远。
在其后，还需要有机小分子装配成为有机大分子；有机大分子再组成多分子体系；多分子体系相互组装（这是决定性的一步，其中最重要的是细胞膜系统的形成和核酸进入膜中）这三大步。所以从氨基酸到生命，还很遥远。
图片来源：参考文献[3]
此外，这些在宇宙中的氨基酸虽然说明了有机物在宇宙空间的广泛存在，但宇宙空间中其实很难为生命的形成提供足够稳定的环境。因为科学家们发现，从陨石中发现的氨基酸和组成生命的氨基酸的构型并不相同。
首先，陨石和地球上的同种有机物在分子结构上是存在差异的，许多都是同分异构体（分子式相同，结构不同）[4]
三氯联苯同分异构体示意图 图片来源：wikipedia
其次，来自陨石的氨基酸和地球上的氨基酸在手性上是有差异的。什么是手性呢？做个小实验就懂了，举起我们的左右手，掌心对掌心是可以贴合在一起的，但是如果都掌心向下，左右手放在一起，你就会发现此时就没办法贴合在一起了，这就是手性。在地球上的氨基酸，都只有左旋结构，但是陨石中的氨基酸则左旋和右旋结构都有[4]。
氨基酸的手性 图片来源：wikipedia
第三个问题是，在形成生命的化学演化过程中，可能需要比较多的有机物，这些陨石能不能为生命演化提供足够的有机物？而只有在类似早期地球的较大行星上才会存在稳定的水热环境，以供化学进化的持续进行。
03
外星生命存在吗？
2017年的时候，科学家们在加拿大的魁北克省海岸上发现了一些微生物化石，这些微生物是生活在当时地球的深海热泉附近的一些嗜热细菌[5]，这个发现曾经发表在Nature上。
早期地球上的微生物化石照片 图片来源：参考文献[5]
它们生活的年代据估计是在37.7-42.2亿年前，这是什么概念呢？那时候的地球形成才3-8亿年左右，而且那时候的地球正在经历一个非常残酷的时期：重轰炸时期。在重轰炸时期，地球经常受到小行星的疯狂轰炸，据估计，因为受到小行星的密集轰炸，地球在这一阶段体积增长了10%左右。
重轰炸时期的地球想象图 图片来源：NASA
在如此恶劣的环境下，生命依然迅速地出现在了地球上。
而我们目前对于陨石上有机物的发现，虽然并没有能够证明地球上的生命起源于地外，但是它却说明了一点，那就是在宇宙空间中，有机物的存在是比较普遍的，只要条件适合，就能够形成各种有机物。那么，我们进而可以进行一个小小的推测，只要存在如地球一样的宜居星球，生命存在的可能性很大，或者更激进一点说，外星生命必然存在。
所以科学家们在探索地外生命的过程中，首先会考虑宜居带的因素，在宜居带内，行星上的水能够以液态存在，这种液态水无疑能为化学进化提供稳定的环境，并为原始生命提供生存环境。
不同恒星的宜居带，大的热的恒星宜居带远且范围大，小的冷的恒星宜居带近且范围窄图片来源：NASA
不过这些系外行星对我们目前的技术来讲过于遥远，与其花大力气在系外行星上寻找生命，不如现在太阳系内寻找地外生命。在太阳系内，更有发现生命机会的地方在火星，它位于太阳系宜居带的外边缘，虽然现在已经干涸，但是根据科学家们研究，它其实在30亿年前一直都还有地表水的存在，现在也还有地下水和地下湖的存在，在南北两极甚至存在广袤的冰盖。
图片来源：参考文献[6]
要是对比一下地球和火星的演化历史，我们就会发现，如果按照化学进化的理论，火星上极有可能是存在生命的，只不过这种生命形态还比较原始，可能是类似地球上的细菌、古菌这样的古老生命。
图片来源：自制
火星生命一直到现在可能都存在于火星的某个角落，这一点我们可以从地球获得佐证。1970年以来，科学家们陆续发现了许多生活于地球极端环境中的微生物，包括极端嗜热菌、嗜冷菌、嗜盐菌、嗜酸菌、嗜碱菌等，甚至在地下十余千米暗无天日、温度压力极大的岩石缝隙中，都有微生物的存在。这些极端微生物扩展了生命的存在范围，也让我们有理由相信火星上依然存在生命。
地球上的古菌模样，如果火星上有生命，可能就与这些生物相似。图片来源：wikipedia
作者：地心引力
监制：中国科普博览
参考文献：
[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]. 吉林大学, 2013.
[4]杨晶,林杨挺,欧阳自远.地外有机化合物[J].地学前缘,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]赵健楠. 火星南部古湖泊的地质特征及其对古气候环境的指示意义[D]. 中国地质大学, 2017.
发表于 2022-6-10 22:00
收藏
分享