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极端环境与生命起源

来源:科普时报    发布日期:2018-02-26

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深海黑烟囱

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土卫二羽流和深海热液活动示意图

随着科技的进步,人类对于地球生命起源的探索在不断深入。上世纪五十年代著名的米勒实验表明,即使在地球表面自然环境中,非生命物质通过化学作用可以产生出多种有机物和生物分子。并且科学家也成功地将有机小分子复合成有机大分子,而在有机分子合成生命体细胞的实验中至今还没有取得实质性的进展。但与此同时,科学家在探索极端环境中的生命现象取得了突破。上世纪七十年代,美国“阿尔文号”深潜艇二次深潜至东太平洋加拉帕戈斯群岛附近海底深处发现了黑烟囱和热液生物群(图1),震惊了世界,大大拓展了科学界对极端环境下的生命认识。

    深海黑烟囱和热液生物群的发现不仅表明地球上除了有光生物链外,还存在着另一类生命系统,它们无需光合作用,无需以植物作为食物链的基础。在深海黑暗、酷热的环境下,地热能代替了太阳能,靠完全不同的化学合成有机质的方式来维持生命活动,硫细菌等微生物就是黑暗世界食物链系统的基础。

    更有意思的是,深海黑烟囱为生命起源的研究开拓了新途径。因为深海热液喷口微生物生存环境与地球形成早期的环境十分相似,具有高温、高压,含有丰富的还原性物质等特点。而且,热液口有着最大的温度、pH 和Eh梯度。古生物研究也表明,在澳大利亚西部约35亿年硅质燧石中发现了形似丝状蓝细菌的微体化石,而碳、硫同位素测试表明,那时已经有蓝藻、还原硫细菌等构成的原始生物圈。

    科学家们由此提出了生命有可能起源于热液环境的假说。认为最初的生物有机质的合成和生命的出现有可能就在热液喷口附近发生。热液的温度、电位、pH梯度,喷出物中的CO、NH3、H2,FeS、NiS对生命的出现起了催化作用。

    目前已知,生命存活需要三个要素:液态水、能量以及必要的化学成分(碳、氢、氧、氮、磷和硫)。而这样的条件,近年来,也在人类探索的外星体上有了重大突破。

    新哈勃太空望远镜在长期的对木卫二欧罗巴的观察任务中,于 2016 年拍摄下了一张木卫二星球表面疑似出现羽流的照片,巧合的是,这张照片中羽流出现的地点与 2014 年它拍下的另一张木卫二表面羽流的照片完全一致。这意味着木卫二上出现的羽流可能是一个真实发生的现象。同样现象也在土卫二发现。

    “卡西尼号”,一台执行木星附近探索任务近十三年的探测器成功地在土卫二表面完成了羽流的取样。科学家们对样品进行分析后发现,土卫二表面冰层下的海洋中存在着氢气。这意味着如果这冰下海洋中存在着生物——至少是微生物,那么他们就可以通过将氢气和水中的二氧化碳结合来获得能量。

    不久前,《科学》杂志报道,科学家根据“卡西尼号”探测器的数据发现,“土卫二”星球有一个遍布全球的海洋,在其海洋深处还存在热液喷泉活动。与地球上的深海热泉相似,这些热液喷泉将有可能为利用化学能生存的细菌提供食物,从而支撑起一个繁盛的海底生态系统。因此,“土卫二”很可能已经为生命的存在提供了合适的舞台(图2)。

    那么,有趣的疑问是,深海微生物是不是还保留着地球上或者地外星球生命起源的踪迹?有否可能提供行星之间生命漂移的可能机制?

    科学家通过天体化学研究发现,太空中存在大量有机分子,如氨基酸、嘌呤、嘧啶等生物化学分子,以及醇、醛、有机酸和腈类分子。小天体含有碳基分子和水。约70%C型小行星含有5-10%碳、氮和水。碳质陨石(如Murchison陨石)已发现60多种有机化合物。

    另外,科学家发现,在地球上所有生物体中只有左旋氨基酸。富含碳的小行星(C型)陨石中发现了氨基酸异缬氨酸,绝大多数也以左旋形态存在。早期地球曾被大量含有左旋氨基酸的陨石撞击,这些氨基酸最终促成生命的出现。“左旋生命”可能来自于太空。

    近年来,国外科学家通过实验模拟表明,彗星携带的诸如氨基酸等构成生命的元素在剧烈的撞击过程中仍然完好无损,或者在其他恶劣的环境中也可以保存下来,这些生命的拼图在彗星等天体的“轰炸”下逐渐搭建起来,并可能导致了原始生命迹象的出现。

    显然,这对生命起源和地外生命的探索打开了一个新的思路,也就是地球早期大规模的陨石撞击对前生命进化的化学过程可能起了重要作用,陨石或彗星等天体带来的有机分子可能参与地球原始生命的起源。

    (作者系中国科学院南京地质古生物研究所研究员、中国科普作家协会副理事长)

作者:冯伟民编辑:叶秋红
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