極端環境與生命起源

随着科技的進步,人類對于地球生命起源的探索在不斷深入。上世紀五十年代著名的米勒實驗表明,即使在地球表面自然環境中,非生命物質通過化學作用可以産生出多種有機物和生物分子。并且科學家也成功地将有機小分子複合成有機大分子,而在有機分子合成生命體細胞的實驗中至今還沒有取得實質性的進展。但與此同時,科學家在探索極端環境中的生命現象取得了突破。上世紀七十年代,美國“阿爾文号”深潛艇二次深潛至東太平洋加拉帕戈斯群島附近海底深處發現了黑煙囪和熱液生物群(圖1),震驚了世界,大大拓展了科學界對極端環境下的生命認識。

  深海黑煙囪和熱液生物群的發現不僅表明地球上除了有光生物鍊外,還存在着另一類生命系統,它們無需光合作用,無需以植物作為食物鍊的基礎。在深海黑暗、酷熱的環境下,地熱能代替了太陽能,靠完全不同的化學合成有機質的方式來維持生命活動,硫細菌等微生物就是黑暗世界食物鍊系統的基礎。

  更有意思的是,深海黑煙囪為生命起源的研究開拓了新途徑。因為深海熱液噴口微生物生存環境與地球形成早期的環境十分相似,具有高溫、高壓,含有豐富的還原性物質等特點。而且,熱液口有着最大的溫度、pH 和Eh梯度。古生物研究也表明,在澳大利亞西部約35億年矽質燧石中發現了形似絲狀藍細菌的微體化石,而碳、硫同位素測試表明,那時已經有藍藻、還原硫細菌等構成的原始生物圈。

  科學家們由此提出了生命有可能起源于熱液環境的假說。認為最初的生物有機質的合成和生命的出現有可能就在熱液噴口附近發生。熱液的溫度、電位、pH梯度,噴出物中的CO、NH3、H2,FeS、NiS對生命的出現起了催化作用。

  目前已知,生命存活需要三個要素:液态水、能量以及必要的化學成分(碳、氫、氧、氮、磷和硫)。而這樣的條件,近年來,也在人類探索的外星體上有了重大突破。

  新哈勃太空望遠鏡在長期的對木衛二歐羅巴的觀察任務中,于 2016 年拍攝下了一張木衛二星球表面疑似出現羽流的照片,巧合的是,這張照片中羽流出現的地點與 2014 年它拍下的另一張木衛二表面羽流的照片完全一緻。這意味着木衛二上出現的羽流可能是一個真實發生的現象。同樣現象也在土衛二發現。

  “卡西尼号”,一台執行木星附近探索任務近十三年的探測器成功地在土衛二表面完成了羽流的取樣。科學家們對樣品進行分析後發現,土衛二表面冰層下的海洋中存在着氫氣。這意味着如果這冰下海洋中存在着生物——至少是微生物,那麼他們就可以通過将氫氣和水中的二氧化碳結合來獲得能量。

  不久前,《科學》雜志報道,科學家根據“卡西尼号”探測器的數據發現,“土衛二”星球有一個遍布全球的海洋,在其海洋深處還存在熱液噴泉活動。與地球上的深海熱泉相似,這些熱液噴泉将有可能為利用化學能生存的細菌提供食物,從而支撐起一個繁盛的海底生态系統。因此,“土衛二”很可能已經為生命的存在提供了合适的舞台(圖2)。

  那麼,有趣的疑問是,深海微生物是不是還保留着地球上或者地外星球生命起源的蹤迹?有否可能提供行星之間生命漂移的可能機制?

  科學家通過天體化學研究發現,太空中存在大量有機分子,如氨基酸、嘌呤、嘧啶等生物化學分子,以及醇、醛、有機酸和腈類分子。小天體含有碳基分子和水。約70%C型小行星含有5-10%碳、氮和水。碳質隕石(如Murchison隕石)已發現60多種有機化合物。

  另外,科學家發現,在地球上所有生物體中隻有左旋氨基酸。富含碳的小行星(C型)隕石中發現了氨基酸異缬氨酸,絕大多數也以左旋形态存在。早期地球曾被大量含有左旋氨基酸的隕石撞擊,這些氨基酸最終促成生命的出現。“左旋生命”可能來自于太空。

  近年來,國外科學家通過實驗模拟表明,彗星攜帶的諸如氨基酸等構成生命的元素在劇烈的撞擊過程中仍然完好無損,或者在其他惡劣的環境中也可以保存下來,這些生命的拼圖在彗星等天體的“轟炸”下逐漸搭建起來,并可能導緻了原始生命迹象的出現。

  顯然,這對生命起源和地外生命的探索打開了一個新的思路,也就是地球早期大規模的隕石撞擊對前生命進化的化學過程可能起了重要作用,隕石或彗星等天體帶來的有機分子可能參與地球原始生命的起源。

(作者系中國科學院南京地質古生物研究所研究員、中國科普作家協會副理事長)

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