生命起源的另一种可能｜GGView

公众号新闻

2023-06-05 02:06

GGV有话说：

今天是世界环境日。

作为第50个世界环境日，今年的口号是“减塑捡塑”（ #BeatPlasticPollution）。

为什么我们要减塑捡塑？因为塑料危机威胁着环境、人类健康和经济。根据联合国环境署的研究，每年有超过1400万公吨的塑料进入并破坏水生生态系统。同时，人类每年产生约4.6亿公吨的塑料，这些数据说明了塑料污染带来的严重问题。

关注生存环境，就是关注我们的未来。

今天的GGView，就给大家带来世界环境日专题文章，让我们一起来看看人类的起源。也许，看完生命的起源，你就会愈发感受到生命的珍贵，并且开始从自身做起，保护我们的生存环境。

地球物理学和现有的化石记录表明，生命很可能起源于45~38亿年的冥古宙时期。然而，导致当时出现复杂化学性质的环境条件却鲜为人知。氨基酸是蛋白质和所有细胞生命的原料，为了理解生命的起源，许多科学家试图解释氨基酸是如何形成的。

早期的生命起源理论

早期的生命起源理论认为，最初的非生物分子可能起源于一个“温暖的小池塘”，里面充满了丰富的甲烷（CH₄）、氨（NH₃）、水（H₂O）等化学物质，它们受到闪电、热量这些外部能量源的激发，导致化学不平衡，进而形成了有机分子。

早期地球的艺术构想图。（图/NASA）

著名的米勒-尤里实验证实了这种理论。上世纪50年代初，芝加哥大学的坦利·米勒（Stanley Miller）和哈罗德·尤里（Harold Urey）进行了一项实验，他们在一个密闭的腔室内充满水、氨、氢和甲烷，然后反复用电火花来模拟闪电。一周后，他们分析了腔室的内容物，发现有20种不同的氨基酸已经形成。

这是一个很大的启示，它表明生命出现所必需的复杂有机分子，可以从早期地球大气中的一些基本成分形成。然而，在过去的70年里，这一解释变得越来越复杂。因为科学家现在认为，在地球的早期大气中，氨和甲烷远没有那么丰富，而是充满了二氧化碳和氮气。

虽然二氧化碳和氮气也能产生氨基酸，但这两种分子需要更多能量才能分解，而且产生的氨基酸数量也会大大减少。在寻找其他的能量来源过程中，科学家们已经分析过热能、紫外线、电离辐射，以及来自流星的激波。

现在，一个国际团队在《生命》杂志上发表了一篇新的论文，他们利用NASA的“开普勒计划”所收集到的数据，以及一系列化学实验发现，很可能是太阳的高能粒子与地球早期大气中的气体的碰撞，形成了蛋白质和有机生命的基本组成部分——氨基酸和羧酸（氨基酸的前体）。

跨界合作

开普勒计划对处于生命周期的不同阶段的遥远恒星进行观测，从它捕捉到的观测数据中，科学家可以获取有关于太阳过去的线索。

利用这些观测数据，天体物理学家Vladimir Airapetian在2016年发表了一项研究，表明在地球的前1亿年里，太阳的亮度比现在暗30%左右；另外，现如今每一百年左右才会出现一次的太阳“超级耀斑”，在那时每隔3~10天就会爆发一次。超级耀斑发射出接近光速的粒子，这些粒子会定期与我们的大气层相撞，引发化学反应。

那项研究一经发表便引起了日本横滨国立大学的Kensei Kobayashi的兴趣。Kobayashi是一名化学教授，在过去30年里一直研究前生命化学。他试图了解银河系宇宙线是如何影响早期的地球大气的。

在这类研究中，大多数科学家会选择忽略银河系宇宙射线，因为研究这些来自太阳系之外的粒子需要专门的设备，比如粒子加速器。Kobayashi和他的团队可以很方便地接触到这样的设备，因此他们只需对实验装置稍加调整，就能检验Airapetian的猜测。

于是，Airapetian与Kobayashi合作，创造出了一种与我们如今所理解的早期地球大气相似的气体混合物。由于目前尚不确定地球早期大气中的甲烷含量（被认为很低），他们将不定量的少量甲烷与二氧化碳、分子氮、水混合在一起。

接着，为了模拟太阳的高能粒子，他们向气体混合物发射了质子。与此同时，他们也用电火花放电来模拟闪电点燃气体混合物。

更高效的能量来源

他们发现，只要甲烷的比例超过0.5%，用质子（太阳粒子）撞击过的气体混合物就能产生可侦检数量的氨基酸和羧酸。但是通过电火花放电（闪电）则需要甲烷浓度达到大约15%才能形成氨基酸。而且即使甲烷含量达到15%，闪电所生氨基酸的速度也只有质子的百万分之一。不仅如此，与电火花放电相比，质子撞击也更倾向于产生更多的羧酸。