星际尘埃云中复杂的有机分子可能触发了地球上的生命

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星际尘埃云中复杂的有机分子可能触发了地球上的生命,碳以及与之相关的化学反应构成了我们已知的所有生命形式的基础。而在外层空间发现如此复杂的有机分子却暗示了一种令人惊愕的可能性——地球上的生命有可能起源自地外分子。在宇宙中巨大的气体和尘埃云里已经发现了许多不同的有机分子,但巴基球是迄今在太空中已知最大的分子。

星际尘埃云中复杂的有机分子可能触发了地球上的生命

2010年7月,美国宇航局的斯皮策空间望远镜做出了一个惊人的发现。当时它对行星状星云Tc-1——垂死恒星抛射出的温暖气体、尘埃云——进行了详尽地观测,侦测到了其中“巴基球”分子准确无误的信号。巴基球是由60个碳原子组成的大型分子,具有足球形的三维结构。就在几个月后“斯皮策”又发现,它们的红外信号正在从这个星云向冰冷的星际空间转移。

碳以及与之相关的化学反应构成了我们已知的所有生命形式的基础。而在外层空间发现如此复杂的有机分子却暗示了一种令人惊愕的可能性——地球上的生命有可能起源自地外分子。在宇宙中巨大的气体和尘埃云里已经发现了许多不同的有机分子,但巴基球是迄今在太空中已知最大的分子。这一发现虽然仅仅是过去几十年来一系列非凡侦探故事中最新的一个,但它同时也不断彰显了“天体化学”在整个宇宙中产生有机分子的重要性。

[图片说明]:天文学家首次在太空中发现了巴基球。版权:NASA/JPL-Caltech。

[图片说明]:天文学家首次在太空中发现了巴基球。版权:NASA/JPL-Caltech。

根据现在我们所知的在星际空间所能形成分子的复杂性,巴基球的发现无疑是一大飞跃。之前在地球上已经发现了巴基球,它们形成于不完全燃烧的黑烟中。此外在陨石中也发现了它们的身影。虽然它们并非是直接为生命所用的分子,但巴基球中由碳原子组成的六边形和五边形互相连接的结构与像叶绿素和血红蛋白这样关键的生物分子极为相似。这些宇宙“碳足球”可能会混合入新生恒星周围有行星形成的尘埃盘,同时它们也可以通过陨星和彗星被带到新生的行星上,在生命起源中扮演重要的角色。

什么是有机分子?

“有机”意味着是含碳的化合物。碳非常擅长和许多不同的原子结合,因此有机化合物是极为多样的一类分子。

从海王星蓝色云彩中的甲烷到土卫六烟雾中的烃,有机化合物遍及太阳系。它们同时也是我们所有已知生命的基础:糖、蛋白质和脱氧核糖核酸(DNA)都是有机分子。从构建细胞结构到作为驱动生物化学的催化剂,蛋白质对于生命的一切而言至关重要。蛋白质是长长的链式生物高分子,由较小的有机分子氨基酸组成。DNA则是另一种生物高分子,在其双螺旋结构中的碱基序列里蕴藏着生命的信息。

有机化学的多变性和它在宇宙中的普遍性使得我们有信心外星生命也同样应该是基于碳的。

宇宙化合物

“斯皮策”是通过红外光谱发现巴基球的,在射电波段上类似的搜寻也被证明是极为成功的。现在已经知道太空中存在超过140种的不同分子,其中许多是有机的。1969年在星际气体中发现了第一种有机分子——甲醛。之后又发现了乙醇、醋酸以及乙醇醛(最简单的糖分子)。2003年宣布发现甘氨酸——最简单的氨基酸——则引起了轰动。毕竟氨基酸是蛋白质的基本构成,不过这一结果仍有争议。

虽然在星际空间里的弥漫星云中发现类似氨基酸这样生物学上重要的分子依然极为困难,但它们能在远离地球的地方形成这一事实却已经毋庸置疑。1969年一块陨石坠落在澳大利亚的默其森附近,这是一块罕见的富碳陨石,称为碳粒陨星。默其森陨石由此成为了历史上被最深入研究的陨石之一,科学家发现其中充满了令人吃惊的碳化学反应。它满含有机物,包括富勒烯(类似“斯皮策”的发现)、酒精、极性碳氢化合物(类似构成我们细胞膜的分子)以及超过70种的氨基酸,所有这些都来自地球之外。

[图片说明]:默其森陨石包含了大量的有机物,例如富勒烯、酒精、极性碳氢化合物以及超过70种的氨基酸。

[图片说明]:默其森陨石包含了大量的有机物,例如富勒烯、酒精、极性碳氢化合物以及超过70种的氨基酸。

星际光谱和对含碳陨石化学分析的结果凸显了银河系中天体化学所具有的惊人复杂性。虽然地球上所有生命都是基于由碳原子组成的坚固框架的,但诸如氮和磷这样的其他元素也同样关键。也许包含氮的重要分子也是从太空来到地球的。2011年2月公布了对在南极发现的陨石的分析结果。在高温和高压——原初地球常见的状态——下,当它和水的相互作用时会释放出含氮的氨气。科学家相信这对于形成第一代生物分子而也是重要的。

也许外星有机分子最激动人心的启示是地外氨基酸也显示出了偏向左手对映体的倾向。地球上所有的生命都仅仅是由左手性的氨基酸所构成的,在地外化合物中发现相同的偏向性着实令人感到饶有兴趣——它说明生命的这一特性遗传自外太空。

什么是手性?

许多有机分子都具有被称为“手性”的特性,它们具有两种互为镜像的形式。每一种镜像被称为一种对映体。生命所具有的一大显著特性是它只用了一种特定的对映体。除了极少数的例外,地球上的生命只基于左手性的氨基酸和右手性的糖分子。因此检测有机化合物是否是由生物产生的最佳办法之一就是看看它们是否都具有相同的手性。

但是生命为什么这么挑剔?被称为“酶”的生物催化剂参与了我们细胞中的所有化学反应,它们具有难以置信的特殊性。酶只能作用于极少数的特定分子。它们挑剔的特性对于控制、调节生物化学而言绝对是至关重要的,这也意味着酶只能作用于一种对映体。因此一旦生命演化出了对左手氨基酸的偏好,其对某一种对映体所特有的效力也就说的通了。

[图片说明]:同一种分子的不同手性对映体互为镜像。

[图片说明]:同一种分子的不同手性对映体互为镜像。

左手生命

是什么在一开始在两种对映体中造成了厚此薄彼的现象?多年来涌现了许多理论来解释为什么太空中的左手性氨基酸会受到青睐。一个长期以来的想法是,恒星形成区中高温年轻恒星所发出的紫外线具有“圆偏振”,倾向于摧毁右手性的氨基酸。

2010年又问世了另一个理论,科学家计算发现超新星可以解决这个问题。它的本质是来自一颗爆炸恒星的骇人辐射和粒子会更容易地和右手性氨基酸中的氮原子核发生相互作用,因此倾向于留下左手性的对映体。这些有机物会混合入小行星和彗星,随后被带到地球上,催生出了适应同样对映体偏向性的生命。

[图片说明]:漂浮在恒星形成区中的巴基球可能会落到新生的行星上。版权:NASA/JPL-Caltech/T. Pyle (SSC/Caltech)。

[图片说明]:漂浮在恒星形成区中的巴基球可能会落到新生的行星上。版权:NASA/JPL-Caltech/T. Pyle (SSC/Caltech)。

无论是什么在地外有机物中造成了这种有趣的偏向性,更大的秘密是这些分子是否在地球上生命出现的过程中起到了作用。有机物可以在寒冷的外太空形成并且在特定的陨石中富集都说明碳确实擅长发生化学反应。在类似年轻地球的新生、宜居星球上,在它温暖的大气和海洋中也会出现大量的有机化学反应。来自太空的额外有机物可能会掉落进海洋里。在目前有关生命从哪儿开始的理论中最重要的是海底的热液喷口,它们会合成一系列重要的有机分子并且为生命提供所必须的能量。如果生命确实始于这些深海烟囱所驱动的化学反应,那就很难了解来到地球并稀释到整个海洋里的地外有机分子是如何变得重要的。然而,这也许只是一个简单的宇宙巧合,我们细胞的化学特性正好具有和陨石中有机物相同的对映体偏向。

这无疑是天体化学以及对外太空有机物进行分析中非常激动人心的一刻。我们只是现在才开始了解形成于地球之外的大量化合物,意识到它们可能在地球上生命的起源中扮演了角色。不过,重要的问题依然存在。在地球上,诸如氨基酸和碱基这样的生命基本组成又是如何形成难以置信的复杂性结构的呢?

另一种理论:热液喷口

最近有一个理论获得了许多支持,它就是地球上的生命始于黝黑的海底深处热液喷口的周围。这些“黑烟囱”绝对令人印象深刻并且吸引了许多人的注意力,但它们喷出的超热水对于生命而言温度和酸性都太高了。

更有希望的是温度要低得多的碱性喷口。它们并不位于板块构造扩张的中央,而是由地壳中富铁岩石的反应驱动的。它们会产生高耸的矿物柱,这一过程可以持续几万年。这些多孔的结构就像许多小容器,可以像反应器皿一样聚集化合物。最重要的是,海底碱性喷口渗出的液体和略显酸性的海水会形成一个酸碱梯度。地球上的所有有机体都会利用这一梯度来产生能量。这就好像生命的能源继承自碱性热液喷口一样。

[图片说明]:海底的热液喷口被认为是地球上生命的发源地。

[图片说明]:海底的热液喷口被认为是地球上生命的发源地。

[Sky at Night 2011年5月]

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2 条回复 A文章作者 M管理员
  1. 感觉是,哈哈哈

  2. 守夜人说(特邀作者)

    巴基球?海贼王的吗?哈哈哈哈

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