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地球生命的存在和演化的天文條件

圖文 更新时间:2024-12-19 10:40:47

到目前為止,地球仍然是我們所知道宇宙中唯一存在生命的天體。多年以來,我們尋找地外生命的工作最終都無功而返,更加讓我們感受到地球在宇宙中的獨一無二。

地球生命的存在和演化的天文條件(這種有機物可以在宇宙中大量合成)1

可是,随着科學家對宇宙的觀測越來越深入、廣泛和精确,我們也越來越發現地球似乎也沒有那麼與衆不同。

地球真的很獨特嗎?

當初我們認為行星是太陽系的“特産”,如今已經發現了四千多顆系外行星,并且科學家推測銀河系大部分恒星都有自己的行星;曾經我們認為水資源是地球獨特的财富,但僅僅是在太陽系内,科學家就發現了許多顆水資源甚至比地球還要豐富的星球。

最近的一項研究再一次向我們印證了這一點,科學家指出:甚至是生命存在所必需的一些有機物質,在宇宙中都分布得非常廣泛。在遙遠的太空中,氨基酸的發現震驚了科學家。

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我們知道,氨基酸是構成蛋白質的最基本單元,而蛋白質則是一個生物體内最為重要的物質,是維持一切生命活動都離不開的有機分子。可以說,氨基酸毫無疑問是生命存在的必要條件之一。

宇宙中的甘氨酸

當然,這也不是科學家第一次在宇宙中發現氨基酸了。前不久我們才剛剛發文章介紹,印度西孟加拉邦Midnapore學院物理系的博士研究學者Arijit Manna在金星高層大氣中發現了甘氨酸,讓金星生命的話題更加火熱。并且在此之前,宇宙深處發現甘氨酸的新聞也不止一次。

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(圖片說明:甘氨酸結構式)

甘氨酸是最簡單的氨基酸,化學式為C2H5NO2。但是,結構簡單不意味着它的發現就不重要,恰恰相反,這一次發現仍然令科學家十分震驚。

在此之前,科學家一直認為,甘氨酸的形成離不開太陽或者其他恒星的光照條件。包括在金星上發現的甘氨酸,也是在有太陽的條件下被發現的。另外,在太陽系的隕石中,科學家們也發現過甘氨酸的蹤迹。它們同樣沐浴在陽光中,讓科學家對甘氨酸産生過程中的光照條件沒有任何質疑。

不過,當科學家在67P/丘留莫夫-格拉西緬科彗星(67P/C-G彗星)的大氣中發現甘氨酸的時候,他們産生了一些疑問。科學家們陷入了沉思:難道甘氨酸這種前生物分子可以在脫離恒星、行星的條件下形成?

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(圖片說明:歐洲航天局曾發生羅塞塔号探測器和菲萊号着陸器專門探索67P/C-G彗星)

多年以來,憑借着科學家們的實驗以及計算機模型,我們知道在恒星形成的後期,會産生大量的宇宙輻射如紫外線、X射線輻射、熱輻射等等高能射線。當這些輻射照射到星際空間的冰時,就可能會誘使甘氨酸的産生。

但是他們也注意到,如果輻射能量太高的話,反而會破壞甘氨酸分子,這令他們非常矛盾。英國倫敦瑪麗皇後大學的天體化學家Sergio Ioppolo一直對此頗有疑問,于是率領着他的研究團隊嘗試尋找宇宙中其他可能産生甘氨酸的途徑。功夫不負有心人,經過多次嘗試,他們終于找到了一種可能。

“黑暗化學”中産生的甘氨酸

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Ioppolo自豪地介紹說:“在實驗室中,我們可以模拟黑暗的星際塵埃雲的條件。這裡的寒冷塵埃粒子被薄冰層所覆蓋,然後利用原子進行撞擊,導緻先驅物的破碎和反應中間體的重新組合。”

找到了反應過程,他們還需要找到反應物。其中一個反應物自然是水,但是水裡沒有氮和碳兩種元素。研究團隊認為,這兩種元素來自于另一種有機物——甲胺。

甲胺的結構也是有機物中非常簡單的一種,化學式為CH5N。此前已經有研究證明,在宇宙中,甲胺可以在無需外界能量的情況下産生。同時,科學家們也曾在67P/C-G彗星上發現過甲胺,因此它很可能是星際空間或者這顆彗星上甘氨酸的來源。

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找到了反應物和反應過程,研究團隊的下一步工作就是驗證這樣的反應條件下是否可以産生甘氨酸。

為此,他們打造了一個名為SURFRESIDE2的超高真空系統,然後他們以氣體形式将反應物沉積到系統中。接下來他們将系統内部冷卻到13K(-260℃),模拟宇宙空間的環境,看看有怎樣的反應發生。

結果表明,在這個環境中,确實有甘氨酸在冰裡産生,這意味着這種有機物并不一定需要高能輻射才可以合成。

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在實驗室中的實驗結束後,他們又利用天體化學模型來驗證自己的發現。利用計算機模拟,他們可以用一天的時間還原宇宙在上百萬年内經曆的變化。模拟結果顯示,隻要時間足夠長,星際空間中就會有甘氨酸被合成。盡管合成的甘氨酸并不算多,而且在這樣的星際空間也不足以支持生命的孕育,但它們的出現舉足輕重。

Ioppolo等人的實驗明确地告訴我們:甲胺和甘氨酸的形成完全可以在恒星、行星形成之前完成。不僅如此,它們還有可能被封鎖在冰裡,然後随着這些冰塊落入隕石、彗星甚至行星上,給天體帶來有機物。

無限可能

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對于行星來說,這樣的有機物成為了孕育生命的重要契機。即便沒有孕育生命,甘氨酸也可以給一顆星球的生物化學帶來無限的可能。

Ioppolo指出:“一旦形成之後,甘氨酸還可以作為其他複雜有機分子的前驅物。從理論上來講,按照同樣的機制,甘氨酸的骨架上還可以添加其他的官能團,從而形成其他的氨基酸,比如太空中暗星雲裡的丙氨酸和絲氨酸。最終,這種富集了有機物的分子庫被包裹在彗星等天體中,并且轉移到年輕的行星上,就像我們地球和其他許多行星曾經經曆過的那樣。”

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簡單來說,這次發現給宇宙中有機物的産生提供了更多的可能,也就意味着生物化學在宇宙中可能比想象中更加普遍。有機物是生命的基礎,如今它們很可能不僅僅在地球上如此豐富,還可能在宇宙各個角落都有廣泛的分布和複雜的化學反應過程,給生命提供了無限的機會。

地球在宇宙中真的很獨特嗎?現在來看,我們要打一個大大的問号了。

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