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无垠宇宙里的生命基础分子
文任天
当我们思考外星人是否存在时,我们通常不会认为他们独自生活在太空之中,而是通常会想象他们生活在一个类似地球的行星上,而这颗行星围绕着一颗恒星运转.2016 年4 月,有研究者报道,一些构成生命的基础成分能够在严酷的环境中,模拟星际空间的条件由简单的物质生成.
法国尼斯大学的科妮莉亚·迈纳特及其同事的研究表明,当暴露在紫外线( 在太空中广泛存在) 下时,由冰冻的水、甲醇和氨的混合物等已知所有这些分子都存在于恒星形成的巨大“分子云”中——能够转化为多种糖分子,其中就包括核糖,这是核糖核酸( R N A ) 的重要组分.这意味着生命的基础分子可能是在太空中形成的,然后通过冰彗星和小行星扩散到地球.实际上,这一发现并不出人意料,因为我们几十年前就已经知道,其他组成生命的基础成分能够从类似的化学反应中形成,之后再融合到彗星、小行星和行星上.然而,现在存在一个更加有趣的可能性,即生命本身可能并不需要一颗温暖、舒适,沐浴在阳光中的行星.
如果原始的配料已经存在于行星之外的太空之中,生命是否有可能在那里开始呢？对生命起源的讨论并没有经常考虑这一场景,在当时要搞清楚生命在早期地球如何起源已经足够困难了,更不必说温度接近绝对零度,并且近乎真空的星际空间了.制造生命的基础分子,如糖和氨基酸等并不困难,有很多化学上可行的方式,从早期太阳系中就可以找到起始的简单分子.但困难的是如何使这些复杂分子组合起来,形成某种能够完成生命过程( 比如复制和代谢) 的东西.没有人做过这些研究,也没有人能提出一种在营养物质丰富的环境中( 比如一颗温暖的岩石星球)完全可行的、描述该过程可能发生的机制,更不用说是在太空里了.
不过,关于生命为什么没有在远离任何恒星、被视为贫瘠荒漠的星际空间中出现的问题,还没有得到根本性的解答.举一个极端的例子,我们可以想象某种类似经典科幻小说《黑云》( 天文学家弗雷德·霍伊尔发表于1959 年) 里面描述的同名物体：一种有感知能力的气体飘浮在星际空间,并惊讶地在一颗行星上发现了生命.但霍伊尔并不能给出合理的解释,来说明一种未详细说明化学组成的气体如何变得有智能,我们可能需要想象一些更加实实在在的东西.
尽管我们不能确定所有的生命都是碳基生命,就像地球上的生命一样,但还是有理由认为这种可能性其实很大.在作为复杂分子的基础成分方面,碳比硅——对外星生物化学的推测中最受欢迎的元素更加多能.英国爱丁堡大学的宇宙生物学家查尔斯·科克尔认为,地球生命的普遍基础是碳和水——“反映了一种宇宙常态”.他承认：“我有一个相当保守的观点,即被科学普遍证明的都是误入歧途的.”尽管如此,现在我们还是限定在碳基生命,它们如何在外太空产生呢？
地球生命除了糖类,还需要氨基酸——蛋白质的基础构件,目前我们已经知道氨基酸也可以在外太空中形成,因为在从未接触行星表面的“原始”陨星上,就曾发现过这类物质的存在.这些氨基酸以冰晶的形式出现,来源是某些类似“S t r e c k e r 合成”( 以19 世纪发现该反应的德国化学家命名) 的化学反应.这种反应涉及一些简单的有机分子,如酮类或乙醛能与氰化氢和氨结合.另一方面,由紫外线触发的光化学反应也能导致氨基酸的形成.乍看之下,这些反应似乎不应该在太空深处发生,那里既没有热,也没有光来驱动反应的进行.在低温、黑暗的环境下,分子即使互相碰撞,也没有足够的能量使化学反应开始.
然而,在20 世纪70 年代,苏联化学家Vitali Goldanski 获得了不同的结果,有些化学物质可以在冷却至只比绝对零度高4度的条件下进行反应,这一温度与太空的低温相差无几.它们只需要一点点来自高能辐射,如伽马射线或电子束,宇宙射线的帮助.在这些条件下,Go l d a n s k i发现碳基分子形成了乙醛,在分子云中十分常见的乙醛能连接形成长达数百个分子的聚合物链.这种太空条件下的反应可能帮助了生命基础分子的形成,所用的材料包括氰化氢、氨和水等简单分子.
但要把这些分子加以整合并形成更加复杂的形式,就要困难得多.高能辐射或许能触发第一步反应,但接下来紫外线和其他形式的辐射能导致科妮莉亚·迈纳特所展示的那些反应吗？科克尔称,这些辐射摧毁分子的能力与合成分子的能力一样厉害.潜在的生物分子——最初的蛋白质和R N A 被破坏的速度可能远比它们形成的速度快得多.科克尔说,“终极的问题是,其他完全外星的环境是否会导致能自我复制并演化的化学系统,我没有看到这一过程为什么不会在极冷环境中,或者在冰晶表面上发生的原因,但总体而言,我认为这些环境并不是非常有利于极复杂分子的形成.”
行星提供了两种更加温和的能量来源：热量和光照.地球上的生命绝大多数都从阳光获取能量,以此类推,围绕着其他恒星的“系外行星”肯定也会拥有自己的能量来源,关键是热量还可能来自其他地方.一些科学家认为,地球上最初的生命并非依赖太阳能,而是获取来自地球内部的能量,即使是今天,在深海热液口附近依然能提供温暖并富含矿物质的原料.在木星的主要卫星上也有热量,源自木星对其施加的巨大潮汐力.潮汐力能挤压卫星内部发生摩擦产生热量,这些热量使冰冻的木卫二( 欧罗巴)和木卫三( 盖尼米德) 的次表层融化成为海洋,使木卫一( 伊奥)的表面变得炽热,充满火山活动.
在星际空间中,附着在冰晶表面的分子很难找到这样的能量来源,但那里可能存在着另一些选项.1999 年,加州理工学院的行星学家大卫·史提芬逊提出,星系中可能存在着众多的“流浪行星”,漂浮在恒星系统的范围之外,远离它们“母恒星”的引力作用,也无法得到热量或光照.史提芬逊称,这些行星的形成可能与其他常规的行星一样,靠近一颗形成不久的恒星,处于恒星周围的气体和尘埃星云之中.后来,大型行星( 比如我们太阳系中的木星和土星) 的引力牵拉,可能导致一些行星“走入逃脱轨迹”,将它们推离原先的恒星系统,进入空旷的星际空间.尽管看上去,它们的未来似乎注定要与寒冷、贫瘠为伴,但情况恰恰相反,这些流浪行星可能是“宇宙中最常见的诞生生命的地方”,因为它们可能保持着足够温暖的状态,从而支持液态水的存在.
在内太阳系的所有岩石行星,都具有两种内在的热源.首先,每颗行星都具有一个炽热的内核,保留着最初形成时的原始能量.在内核之上,保留着放射性元素,通过它们的衰变给行星内部加热,就地球来说,地幔中放射性元素的衰变贡献了大约一半的地热能量.这些岩石流浪行星的原始热量和放射性元素衰变可以在数十亿年里持续提供温暖,或许还足以维持行星活跃的火山活动,并提供生命开始孕育所需的能量,此外流浪行星还可能具有较大密度以及能保留热量的大气层.与木星、土星等大型气体行星相比,地球的大气层显得十分稀薄,因为太阳的热量和光照驱走了较轻的气体,如氢气.水星就因为与太阳的距离太过接近,因而几乎没有大气层存在.
不过,在与地球体积差不多的流浪行星上,由于远离母恒星的影响,它们最初的大气层可能还会保留着.史提芬逊估计,最终这些行星上的温度和压力可能足以维持表面液态水的存在,即使没有任何光照.另外,流浪行星还不会受到大型陨星的威胁,就像地球曾经经历的许多撞击事件.它们甚至可能因为从原先恒星系统中带出来一些卫星,从而获得借助潮汐力进行加热的好处.
即使流浪行星不具备较厚的大气层也可能适合生命存在.2011 年,芝加哥大学的行星学家多里安·阿博特和天体物理学家埃里克·斯威策计算得出,体积大约为地球3.5 倍的行星可能会被厚厚的冰层覆盖.在这种情况下,由液态水构成的海洋会被隔绝在许多千米厚的表面冰层之下,由行星内部的能源提供热量.阿博特说,“总体的生物活动会比地球这样的行星要少,但还是能够获得某些东西.”他希望,在未来几十年里,当太空探测器对木星那些冰冻卫星的亚表层海洋进行调查的时候,我们能获得更多有关流浪行星冰层之下生命出现可能性的信息.这样的行星上存在生命的时间可能长达数十亿年.
如果这些说法都成立,在我们的太阳系之外的那些星际“流浪”行星,正是系外生命存在最有可能存在的地方.在如此遥远的距离以及光照微弱和本身体积较小等原因,我们很难发现它们.但阿博特和斯威策表示,在些许运气的帮助下,如果一颗这样的行星在千倍于日地距离的范围内经过,就能从它反射的极少量阳光,以及其本身的红外辐射将其辨别出来.我们有希望利用目前观测系外行星的望远镜来找到这些行星.阿博特和斯威策称,如果生命可以在星际空间里的“荒原狼”行星出现并存活,那很可能就意味着：生命“肯定在宇宙中广泛存在”.在这些流浪行星上的生命形态可能会非常奇特.想象一下在无尽黑暗中,沐浴在温暖火山温泉里的情景——有如冬季在冰岛度假.但是,对身处这种环境下的外星生命来说,这就是家.
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