化学

为什么要去遥远的土星寻找生命

Ent 发表于  2017-09-08 17:15

第一天,我们创造了海洋。研究者用氮气通进蒸馏水里,驱逐其中的残留氧气,然后向其中加入氯化铁,令水变成棕色。我们注入了少许硫化钠,看着形成的二硫化亚铁一点点沉积下来,在瓶底生长成空心的烟囱。

第二天,我们等待生命在这里诞生。

当然,生命并不会真的在这个小小烧杯里出现——至少在我们的有生之年不会。但是这一小瓶奇怪的化学物质,确实是四十亿年前那个陌生地球海洋的面貌。生命曾经在这里诞生过,而在我们的太阳系里,生命或许就在这样的一个环境里诞生着。

而我们已知的最好环境,就在卡西尼的身边。

谁在为原始汤上发条?

达尔文创造了原始汤的概念。他想象生命诞生在“某个温暖的小池塘里,有氨和磷酸盐,有光、热和电”,“化学形成的蛋白质准备就绪等待更复杂的变化”。继承这一路线的霍尔丹则简明扼要地称之为“热稀汤”。

让这个想法进入教科书并成为几乎所有人眼中基本常识的,则是斯坦利·米勒。1953年,还是研究生的他把水、甲烷、氨气和氢气混合在一起,制造了一个他假想中的早期地球还原性大气,然后利用电火花来模拟闪电。从中他得到了各种各样的小型有机分子,甚至包括多种氨基酸。这个实验轰动了世界,甚至登上了《时代周刊》首页,人们一度认为生命起源问题就此解决。

斯坦利·米勒和他的实验。图片来源:Roger Ressmeyer/Corbis

只不过后来研究者发现它面临两个问题:

第一,原始地球的大气环境并没有充满还原性气体;
第二,反应到此为止,无法继续进行下去了。

米勒是一个生物化学家,他所处的时代是生物化学最辉煌的时代,这让大部分生命起源领域的人把精力都投入了“生命的原材料从何而来”这个问题。但是驱动生命的除了物质,还有能量。把一锅灭菌的氨基酸汤密封起来装个罐头,等待一亿年,生命也不可能从中诞生;万物熵增,生命的熵减之所以不违反物理定律靠的就是这个外来的能量输入。

我们日常所见的所有地球生命,依靠的都是阳光。但是把阳光转化为可用能量的过程复杂得可怕,是所有生物系学生的噩梦之源,最早的生命绝无可能利用它。米勒实验使用模拟闪电迈出了合成的第一步,然而真实世界的闪电短暂而粗暴,不但每次的能量会很快散去,而且足以摧毁任何稍微复杂一点的分子。哪怕在烧杯里,米勒也无法靠闪电让氨基酸聚合成链、发挥生命功能。

而没有稳定的能量注入,热稀汤就永远只能是热稀汤。自然条件下氨基酸太浓的时候也能发生聚合,但是首先原始大气其实几乎都是氮气和二氧化碳,还原性气体稀缺,可能产生的氨基酸微乎其微,溶解在水里就更稀了;其次,就算机缘巧合一个浅滩小池塘蒸发得到了浓汤,或者从彗星之类的天体获得了有机分子,那么在小分子聚合成大分子之后,汤就又会变稀,令大分子反过来趋向于水解回到小分子状态(这个问题对于RNA尤其严重)。

然而除了阳光和闪电,地球上还有第三种能量来源隐藏在海底。这种能量易于使用,连续不断,又天然产生;虽然总量不大也分布有限,不过这对最初的生命而言都不是问题。这就是深海泉口的化学能。

大洋深处的白色烟囱

人类想象中的海底通常是冰冷黑暗而死寂的,这一想象在1977年4月21日被无情地打破了:阿尔文深潜器的驾驶员达德利·福斯特撞翻了一个柱状海底结构之后操纵机械手把温度计放了进去,结果拿出来的时候化得就剩下一根芯。很快船员们发现,这里不但有数百摄氏度的灼热海水,全靠海底高压才不致沸腾,这样奇葩的环境里居然还有大批从未见过的生命!因为船员无一是生物学家,根本没有携带任何相关试剂,所以最初一批标本,都是泡在伏特加里带回岸上的。

冒出汩汩“黑烟”的热泉口。图片来源:NOAA

这些充满热水的海底空心柱被毫无诗意地命名为“黑烟囱”。火山活动为它提供热量来源,但让它活起来的不是热量而是硫化氢;硫化氢和氧气的反应驱动了一整个生态系统,无需阳光注入。现代黑烟囱生态系统的唯一弱点在于它只能形成在火山活动区域附近,不同区域相距遥远。但是另一个暂时性的硫化氢来源弥补了这个缺憾:当巨鲸的躯体从海面坠落沉入深海之后,它的鲸骨中的硫会以硫化氢形态缓慢释放出来,在几十年里形成不同黑烟囱之间的绿洲;这就是鲸落。

很快有研究者提出,这些烟囱可能是生命起源之地。米勒反击说,它们温度太高,酸性太强,哪怕高度特化的生命可以在这里存活,最早的氨基酸也不可能在这里聚合。再说,40亿年前到哪儿去找氧气和硫化氢反应呢?

黑烟囱的环境确实过于严苛了,但是海底烟囱并非只有这一种。2000年,人们在大西洋发现了“白烟囱”,喷出的是相对温和的水,包含的气体是氢气。在附近的微生物体内,这些氢气和二氧化碳反应,同时生成能量和有机小分子。今天的白烟囱身处氧气的包围之中,大半由碳酸盐构成;但是最初的原始海洋里它会是铁硫化物,几乎肯定还包含一些镍。这样一个由铁、镍和硫组成的原子簇直到今天还存在于微生物的催化酶核心,它们携带了一点点远古的痕迹保留至今。这些白烟囱的远古形态,是今天生命起源领域最热门的候选人之一。

第一个发现的白烟囱群位于大西洋中部,被称为“失落之城”。图中的这个白烟囱高度约为9米。图片来源:University of Washington/Woods Hole Oceanographic Institution

但是毕竟“真正”的白烟囱已经消失了。蓝细菌在二十多亿年前就让氧气占领了地球,永远地改变了大气和海洋的化学面貌,虽然这为后续包括我们在内的一切生命奠定了基础,但也让真正的铁硫化物烟囱无法再形成。除了实验室模拟,还有别的办法吗?

有,在天上。

一座活跃的冰火山

从19世纪开始人们就幻想地球的最近邻——火星和金星上有生命存在。60年代人类的探测器将金星的可能性排除了:金星的浓密二氧化碳大气层带来了失控温室效应,地表数百度的高温不会有水。而火星经历几十年的搜寻也没有发现地表液态水,虽然有可能还有微生物存活,但是寻找它们太困难了。

现在我们意识到,远离太阳的冰冷之处其实反而可以有液态水。遥远距离意味着它们得不到足够的太阳光,表面如果有水也是冰封一片,但潮汐力和放射性元素的热量,却足以在这里形成冰下海洋。

土卫二(恩克拉多斯)就是这样一个星球。卡西尼探测器发现它的表面虽被水冰覆盖,但在南极地区有很多孔洞,从这里它把自己的海洋连续不断地喷向太空,迄今为止已经找到了超过100个这样的冷火山。事实上,它喷出的海洋构成了一整条土星环:天文学家早就通过计算发现土星的E环不稳定,本应该在几十万年之内就分崩离析,它能存留至今必定有持续的新物质输入。卡西尼证明,这些物质绝大部分就是土卫二的喷泉。

喷射中的土卫二。图片来源:NASA/JPL/Space Science Institute

而就在今年,卡西尼发现这些喷泉里还包含了数量巨大的氢气。这些氢气远超平衡态应有的量,证明一定有某个未知过程在源源不断地产生新的氢气,注入冰层下的海洋里。

过去证据已经表明土卫二的海水确实在和海底岩石发生化学反应。具体反应细节并不完全清楚,但是很有可能和地球上水与岩石反应产生氢气的过程类似。倘若果真如此,那么它也许就已经具备了原始生命最重要的条件之一。这还不是生命的证据,当然更不是说它适合人类居住——但是,可能真的会有生命的萌芽在这里出现,甚至已经出现。

艺术家想象的土卫二内部结构。在冰层下面有活跃的地质运动。图片来源:NASA/JPL-Caltech

这就是为何卡西尼在围绕土星做出无数发现之后,终章必须和土星化为一体的根本原因。一旦探测器的燃料耗尽,地面人员就不能控制它的轨道,无法保证不会和土卫二或者其他有可能诞生生命的土星卫星(比如土卫六泰坦)相撞。

在卡西尼出发前,人们对土星的卫星还知之甚少,根本不认为它有生命可能,所以卡西尼项目被归为不需消毒的一类。直到卡西尼抵达之后,研究者才发现自己的错误。万幸的是,卡西尼携带的惠更斯探测器落在了土卫六的陆地上而非海洋里,并且土卫二还是安全的。但是这个失误不能再犯第二次了。的确,撞上的概率很小,但是生命从无到有的诞生需要时间太长,充满了太多的偶然,而又太重要了。迄今为止,我们所知道的所有生命都同出一源,对生命根基的了解只有一个数据点。纵然比不上发现外星人,找到一个外星生命的独立萌芽,也堪称历史上最重要的瞬间了。(编辑:花蚀)

热门评论

  • 2017-09-09 02:21 iamsincerea

    看到一些词句像是来自《生命的跃升》,忽然想起来这本书就是@Ent 大人翻译的啊。

    [6] 评论

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全部评论(23)
  • 1楼
    2017-09-08 17:37 Nero_ZYX

    以前纪录片看到在岩浆里取样找新生物,现在觉得好像也挺合理的‥

    [0] 评论
  • 2楼
    2017-09-08 17:38 在雨夜

    这个生命起源问题估计短期内解决不了。

    [1] 评论
  • 3楼
    2017-09-08 18:35 5美金

    窝是谁?窝哪儿来的?窝要去哪儿?

    [1] 评论
  • 4楼
    2017-09-08 23:11 q68257962

    并不知道能发现什么,毕竟我们还没定义清楚生命和非生命的界限。

    [0] 评论
  • 5楼
    2017-09-09 02:21 iamsincerea

    看到一些词句像是来自《生命的跃升》,忽然想起来这本书就是@Ent 大人翻译的啊。

    [6] 评论
  • 6楼
    2017-09-09 14:11 天降龙虾

    土星很远么????只是人类的目光太有限了吧。。

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  • 7楼
    2017-09-09 17:55 怪兽张敬莉

    我老婆又发文了~好棒!

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  • 8楼
    2017-09-11 08:40 拼音佳佳2

    如果是未经消毒的人类探测器给它带来了长久的生命,如果成功,也是一个里程碑.

    [0] 评论
  • 9楼
    2017-09-11 08:41 拼音佳佳2
    引用@天降龙虾 的话:土星很远么????只是人类的目光太有限了吧。。

    无法从经过的木星那里获得补给...

    [0] 评论
  • 10楼
    2017-09-11 08:48 本杰明-范-1024

    要是未来发现土星可能也有生命存在,这个决定就666了。

    [1] 评论
  • 11楼
    2017-09-11 10:09 Lineker
    引用@iamsincerea 的话:看到一些词句像是来自《生命的跃升》,忽然想起来这本书就是@Ent 大人翻译的啊。

    包里就有一本,正准备拿出来对照对照,看到你这句话惊出一身冷汗……

    [0] 评论
  • 12楼
    2017-09-11 11:22 逍遥药师

    先老实把宇宙飞船的动力问题解决吧。发现外星生物早晚的事情。问题是,我担心,没等我们进入宇宙,变成行星种族,人类就自我毁灭了。

    [1] 评论
  • 13楼
    2017-09-11 11:36 听雨

    从土星和木星的寒冷大气顶层到炽热的内部之间,必定有一个区域有适宜的温度,虽然那里没有陆地或海洋,但谁能说不可能有飘浮在空中的生命形式呢?

    [0] 评论
  • 14楼
    2017-09-11 16:42 艾蒙多

    其实宇宙就是一个大在生物,我们只是宇宙这个大生物身上小小的寄生虫吧了!

    [0] 评论
  • 15楼
    2017-09-11 16:56 光-0430
    引用@逍遥药师 的话:先老实把宇宙飞船的动力问题解决吧。发现外星生物早晚的事情。问题是,我担心,没等我们进入宇宙,变成行星种族,人类就自我毁灭了。

    等能住在不同行星上,不同星球的人又该计划打星球大战了

    [0] 评论
  • 16楼
    2017-09-12 07:33 逍遥药师
    引用@光-0430 的话:等能住在不同行星上,不同星球的人又该计划打星球大战了

    人类本性如此,没办法。不过总比在地球等死强。其实,现在已经有这个趋势了,只不过很多人都没有注意到。比如,科技越发达,人就越不愿意工作,经济陷入衰退。当科技发达到一定程度,人类一定会陷入整天吃喝玩乐之中的,因为这是人性。到那个时候,如果还没有变成行星种族,人类就会不断衰弱下去。孟子有个话,无敌国外患者,国恒亡。你看美国就知道了,没有敌人了,这国家慢慢就不行了。

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  • 17楼
    2017-09-12 09:09 三体-海人
    引用@听雨 的话:从土星和木星的寒冷大气顶层到炽热的内部之间,必定有一个区域有适宜的温度,虽然那里没有陆地或海洋,但谁能说不可能有飘浮在空中的生命形式呢?

    也没关系吧。高速坠入大气层,必然是被高温烧掉啊!

    [0] 评论
  • 18楼
    2017-09-12 09:18 光-0430
    引用@三体-海人 的话:也没关系吧。高速坠入大气层,必然是被高温烧掉啊!

    就怕万一没死光……

    [0] 评论
  • 19楼
    2017-09-12 09:51 三体-海人
    引用@光-0430 的话:就怕万一没死光……

    2亿年后,星球上两个或两个以上物种处于不死不休的战争状态——直到有一天,双方几乎同时爆炸了第一颗核弹……

    [0] 评论
  • 20楼
    2017-09-12 23:53 褐色海洋
    引用@逍遥药师 的话:人类本性如此,没办法。不过总比在地球等死强。其实,现在已经有这个趋势了,只不过很多人都没有注意到。比如,科技越发达,人就越不愿意工作,经济陷入衰退。当科技发达到一定程度,人类一定会陷入整天吃喝玩乐之中...

    科技不发达的时候,人类照样不愿意工作。另外,不存在敌国外患而国家消亡的例子也不少。

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  • 21楼
    2017-09-15 11:41 brightwiz

    有生之年就算找不到外形生物, 那就让我们自己成为太空殖民者吧.

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  • 22楼
    2017-09-15 20:40 刘公子是小布尔乔亚

    原来如此

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  • 23楼
    今天14:18 Vic.Li

    因为闲的蛋疼

    [0] 评论

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