臭气熏天的有毒分子可能是外星生命的必然标志

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磷化氢是地球上最臭、最有毒的气体之一,存在于一些最肮脏的地方,包括企鹅粪便堆、沼泽和沼泽深处,甚至在一些獾和鱼的内脏里,这种腐烂的“沼泽气体”也是高度易燃的,并能与大气中的微粒发生反应。

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地球上已知的磷化氢分子具有恶臭和毒性,如果在附近的系外行星上发现,它可能是外星生命存在的确切迹象。来源:美国宇航局,麻省理工学院新闻编辑

磷化氢地球上最臭、最有毒的气体之一,存在于一些最肮脏的地方,包括企鹅粪便堆、沼泽和沼泽深处,甚至在一些獾和鱼的内脏里,这种腐烂的“沼泽气体”也是高度易燃的,并能与大气中的微粒发生反应。

地球上的大多数生命,特别是所有需氧的、呼吸氧气的生命,都不想与磷化氢打交道,既不生产磷化氢,也不依赖它来生存。

现在,麻省理工学院的研究人员发现,磷化氢是由另一种不那么丰富的生命形式产生的:厌氧生物,如细菌和微生物,它们不需要氧气就能大量繁殖。研究小组发现,磷化氢只能通过这些极端的厌氧生物才能产生,这使得磷化氢成为一种纯粹的生物标志——一种生命的标志(至少是某种生命的标志)。

在最近发表在《天体生物学》(Astrobiology)杂志上的一篇论文中,研究人员报告称,如果磷化氢的产量与地球上的甲烷类似,那么这种气体将在一个行星的大气中产生一种标志性的模式。这一模式足够清晰,可以用计划中的詹姆斯韦伯太空望远镜(James Webb Space telescope)等望远镜在16光年之外进行探测。如果从岩石行星上探测到磷化氢,那将是一个明确无误的外星生命迹象。

“在地球上,氧气是一种令人印象深刻的生命迹象,”该研究的第一作者、麻省理工学院地球、大气和行星科学系的研究科学家克拉拉·苏萨-席尔瓦说。“但是除了生命之外,其他的东西也制造氧气。重要的是要考虑到可能不会经常产生的陌生分子,但如果你确实在另一个星球上发现了它们,那就只有一种解释了。”

这篇论文的合著者包括Sukrit Ranjan、Janusz Petkowski、Zhuchang Zhan、William Bains和Sara Seager, 1941年麻省理工学院地球、大气和行星科学教授,以及加州理工学院的Renyu Hu。

巨大的内部

苏萨-席尔瓦和她的同事正在为可能是潜在生物签名的分子收集指纹数据库。该团队已经收集了超过16000名候选人,其中包括膦。这些分子中的绝大多数还没有被完全定性,如果科学家们在系外行星的大气层中发现它们中的任何一个,他们仍然不知道这些分子是生命的迹象还是别的什么。

但是有了苏萨-席尔瓦的新论文,科学家们可以对至少一种分子的解释充满信心:膦。这篇论文的主要结论是如果在附近的一颗岩石行星上发现了磷化氢,那么这颗行星上一定存在着某种生命,研究人员并不是轻易得出这个结论的。在过去的10年里,索萨-席尔瓦一直致力于研究这种恶臭、有毒气体的特性,首先她有条不紊地破译了膦的性质,以及它与其他分子在化学上的区别。

20世纪70年代,人们在木星土星的高温气体巨星的大气中发现了磷化氢。科学家推测,这种分子是在这些气体巨星的肚子里自发地聚集在一起的,并且,正如苏萨-席尔瓦所描述的,“被巨大的、行星大小的对流风暴猛烈地吹起”。

尽管如此,人们对膦还是知之甚少,苏萨-席尔瓦在伦敦大学学院的研究生阶段致力于确定膦的谱指纹。从她的论文工作中,她确定了磷化氢应该吸收的的确切波长,而如果存在这种气体,任何大气数据中都不会有这种波长。

在攻读博士期间,她开始思考:磷化氢不仅可以在气态巨行星的极端环境中产生,还可以由地球上的生命产生吗?在麻省理工学院,苏萨-席尔瓦和她的同事开始回答这个问题。

“所以我们开始收集地球上任何地方检测到的所有关于磷化氢的信息,结果发现,任何没有氧气的地方都有磷化氢,比如沼泽、湿地、湖泊沉积物,以及所有东西的屁和肠道,”苏萨-席尔瓦说,“突然间,这一切都变得有意义了:对于任何喜欢氧气的东西来说,它都是一种有毒的分子,但对于不喜欢氧的生命来说,它似乎是一种非常有用的分子。”

生命或许已被进化

磷化氢与厌氧生命有关,这一发现为该分子可能成为一种可行的生物标志提供了线索,但是为了确定,这个小组必须排除除生命之外的任何物质产生磷化氢的可能性。为了做到这一点,他们在过去的几年里研究了许多磷元素,磷元素是磷元素的基本组成部分,通过对化学途径的详尽的理论分析,在日益极端的情况下,研究磷元素是否可以以任何一种非生物(即非生命)的方式转化成磷元素。

膦是一种由一个磷原子和三个氢原子组成的分子,它们通常不喜欢聚集在一起,它需要大量的能量,例如在木星土星的极端环境中,以足够的力量粉碎原子,以克服它们天生的厌恶,研究人员分析了地球上多种情况下的化学途径和热力学,以确定它们是否能产生足够的能量将磷转化为膦。

“在某种程度上,我们看到了越来越不可信的机制,比如如果构造板块相互摩擦,你能得到产生磷化氢的等离子火花吗?”或者,如果闪电击中某个含磷的地方,或者一颗流星有含磷的成分,它会产生产生磷化氢的影响吗?我们花了好几年的时间来研究这个过程,发现只有生命才会产生可检测到的磷化氢。”

他们发现,磷化氢没有明显的假阳性,这意味着任何对磷化氢的检测都是一个确定的生命迹象。研究人员随后探索了这种分子是否可以在系外行星的大气层中被探测到。他们模拟了理想的、缺氧的类地系外行星的大气层,这类系外行星有两种类型:富氢和富二氧化碳的大气层,他们在模拟中输入了不同的磷化氢生产速率,并推断出给定大气中磷化氢生产速率下的谱。

他们发现如果磷化氢产生相对少量相当于地球上甲烷产生的数量,这将产生一个信号在大气中会清楚足以探测到一个先进的天文台,如即将到来的詹姆斯韦伯太空望远镜,如果地球是在5秒差距,距离地球约16光年空间范围涵盖了众多的恒星,可能承载岩石行星

苏萨-席尔瓦说,除了在寻找外星生命的过程中把膦作为可行的生物标记外,该小组的研究结果还为研究人员提供了一个途径或过程,让他们能够确定其他16000个候选生物标记中的任何一个。

她表示:“我认为,社区需要在筛选这些候选人方面进行投资,使之成为某种优先事项。”“即使其中的一些分子真的是昏暗的信标,如果我们能确定只有生命才能发出这种信号,那么我觉得那就是一座金矿。”

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2 条回复 A文章作者 M管理员
  1. 那一定是外星人放的屁

    • 哈哈哈,这么萌的吗

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