王大虎

王大虎:从星际有机分子到地球有机世界的演变

王大虎

由于星际物质非常稀薄,天文学家们起初认为星际气体都是单个原子或离子,分子是根本不可能存在的。但是,科学家们1963年在仙后座探测到了羟基(OH),1968年在银河系中心区探测到了氨(NH3)和水,1969年发现了甲醛(HCHO)。星际有机分子的发现有助于帮助人类了解星云及恒星的演变过程,同时也增大了外星生命存在的可能性,因此它也被誉为“20世纪60年代天文学四大发现”之一。

截止2001年,科学家们已找到120多种星际分子,其中约2/3是由碳、氢、氧等元素组成的有机分子,约1/3是由硫、硅等元素组成的无机分子。在金牛座的星际云中发现了氰基己三炔(HC7N)有9个原子,分子量99,含有长碳链结构,接近于有机化合物。1978年发现的氰基辛四炔(HC9N)含有11个原子,分子量123,是结构最复杂的有机分子。1974年在人马座B2星云中找到了大量乙醇分子(乙醇也即酒精),其含量有8000亿亿亿升,是地球体积的7000多倍!

2010年,科学家又在距离地球700光年的在英仙座的星际介质中,发现一种有机分子蒽(俗称绿油脑),化学式为C14H10,这是目前为止,在太空中所发现最复杂的有机分子之一。像蒽这种复杂的碳氢化合物,受到紫外辐射影响,再结合水和氨等化合物后,就可以合成氨基酸等有生物之前与生命发展相关的基础分子。两年前他们也在同一块区域发现另一种复杂有机分子(萘俗称臭樟脑),看来这个区域孕育着生命的摇篮。

2012年9月,天文学家们发现在一颗距离地球约400光年远的恒星周围的气体云中存在单个最小糖分子乙醇醛。丹麦哥本哈根大学天文学家詹斯·约根森(Jes.rgensen)表示,此次他们小组探测到的是地球上同样存在乙醇醛,这种物质在形成核糖核酸(RNA)的化学反应过程中起着非常关键性的作用,而RNA则是在所有生命体细胞中起到关键性作用的重要生物分子结构体。这是科学家们首次在太空中距离一颗类太阳恒星如此近的距离上观察到糖分子的存在。

2013年3月,科学家安东尼·瑞米简领导的研究小组,通过射电望远镜在人马座B2区域发现氰基甲烷亚胺和乙烷亚胺分子。这些物质被认为是“前体分子”,这就意味着在它们所参与的化学反应中起到了“启动”的作用,是分子链反应的早期步骤。安东尼·瑞米简认为,嘌呤和氨基酸的化学前体如同生命种子,此外,陨石也是隐藏生命分子的地方,如果陨石中发现了氨基酸和DNA碱基,比如腺嘌呤,这就意味着其形成机制发生在宇宙空间中,我们最终将能够回答人类是否是宇宙唯一生命的疑问。

在一些暗气体星云中,由于对光及紫外线的屏蔽作用,更可能有很多无机分子、甚至更复杂的有机分子。因为那里有足够多的尘埃杂质,甚至温暖温度有可能已经形成生命,对于生命来说,早在太阳系与地球诞生之前,最早的复杂的有机分子甚至生命,就已在茫茫太空漂泊了。

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宇宙生命的前传

现代科学试验及考察已经证明,在极端寒冷、高温、酸、碱、盐、的条件下,生命是能够存在的。生命可以出现在地下一千多米下面、深海、太空高辐射环境中,在没有阳光、没有氧气、营养物质极端缺乏的条件下,照样能够有生物体甚至动物存在。

图006 前寒武纪早期多细胞生命的艺术想象图(图片来源:微图网)

既然量子具有选择性,看来,生命的演化要放在几十亿之年之外的宇宙角度思考,生命演化时间或远超地球本身!何况从给科学生命体的定义来看,像烟草叶病毒及噬菌体病毒科学界不认为是单独的生命,但本身却体现了其与传统大有机分子不一样的智能性。

传统理论认为最早诞生于地球上的生命出现于35~39亿年前,但是有些科学家认为,生命比地球历史更早。2013年4月,美国遗传学家阿列克谢·沙罗夫(Alexei Sharov)与理查德·戈登(Richard Gordon)在研究数据中显示,生命进程的演化历史很有可能远远早于地球的出现,生命最早可能出现在100亿年前,比地球45亿年的预测年龄古老得多。在太阳系形成的时候,可能已经存在着类似细菌的生物体,或者一些存在于银河系古老区域的简单核苷酸,可能通过彗星、小行星或其他太空碎片来到地球。

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甚至有科学家判断,人类与外星人拥有共同的基因。如果宇宙中生命积木间的关联可能比原先设想得更为紧密,人类与外星人可能有着一样的基因结构。这一模式是在陨星、深海热水孔以及对地球早期情况进行模拟中形成的氨基酸中发现的,看起来它符合热力学的基本原理,适合已知的整个宇宙。来自安大略省汉密尔顿的麦克马斯特大学的拉尔夫普德里兹支持这样的观点并表示,“这可能显示宇宙中的首个遗传密码的结构是一样的。”确切地说,就是都有20种氨基酸,这正是组合形成蛋白质的复杂分子,而蛋白质又能再组成核酸,从中完成最简单的自我复制过程。

早在1953年著名的米勒—尤里试验,已有10种氨基酸可以通过人工合成,该试验模拟了地球早期的环境,氨基酸同样也在太空陨石、彗星中获得发现,越来越多的科学家认可地球生命来源与太空中的生命种子。一些科学家认为某些大型的陨星既温暖又含水,与地球早期的某些温度环境大致相似。

假如地球生命来自太空,那么生命基因是如何传播到地球上的呢?一个来源于陨星,一个来源于彗星,或者两者兼之。

陨星是太阳系中最古老的物质之一,它们与太阳系几乎同时诞生,它们的化学组成包含有数十亿年前太阳系初生时的信息。有科学家认为,陨星在38~45亿年前,将组成生命的重要材料带到地球,陨石碎片中的核碱基用作基因编码,让优秀的特征传给后代。这就是进化过程的开始,然X化到现在出现的所有的生物。

英国卡迪夫大学钱德拉·维克拉玛辛赫是一位富有争议的科学家,他认为地球生命起源于外太空。他声称2012年12月流星雨坠落至斯里兰卡境内的一块直径为5厘米的陨石,已发现外星生命存在的“确凿证据”,这块陨石遍布着类似地球海洋中的海藻化石。这块陨石非常独特,具有多孔状结构,密度低于地球上任何地方的岩石。虽然一些研究人员对这项研究提出了置疑,认为这块陨石可能遭到地球污染,甚至还认为这根本就不是一块来自太空的陨石。但是大多科学家承认陨石里包X复杂的生命前体分子及能量元素。

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2011年3月,英国生物学家特里·基博士和他的研究组发现富含铁的陨石和酸性水体接触会形成磷酸盐。在超过80℃的温度环境下,磷酸盐会转变为焦磷酸盐,他相信,这种物质正是三磷酸腺甘(ATP)的前身。这种大分子在细胞呼吸机制中起到关键性作用。ATP让所有活体细胞得以将以糖的形式储存的能量转化为驱动自身细胞生命活动的动力。他指出,焦磷酸盐的高活性显示可以促进早期地球火山口附近温暖的酸性池塘内复杂化学反应。酸性水中焦磷酸盐会被释放进入地球环境,可能开启地球化学循环和细胞形成序幕的时刻。

美国宇航局艾姆斯研究中心的化学家乔治·库珀(George Cooper)对此认为:三羧酸循环被许多生物学家认为是最古老的一种生物过程之一。是需要型生物体内普遍存在的一种重要代谢途径,并且在真核生物的线粒体和原核生物的细胞质中存在。

俄科学家叶甫盖尼·德米特里耶夫宣布,他在陨石中找到了已经石化的生物片段,这些已经石化了的生物片段是证明有外星生命存在的有力证据。在实验室中获取的数据表明,这些陨石残留物种钴和钛的含量均为3%,铜为6%,镍为7.5%,锌为20%,其中锰的含量是普通玻璃中的40多倍。

图007 包含有疑似地外遗骸的陨石碎片(图片及参考资料:《俄科学家称找到可证明有外星生命存在的证据》腾讯科技,2010年3月31日。图片来源俄科学家叶甫盖尼·德米特里耶)

在此前长达15年的研究过程中,科学家们得出结论称,这些特殊的物质很可能是由某种类似于地球上远古海洋生物的地外生命的骨架演化而成的。

图008 显微镜下看到的疑似地外生命的骨骼片段(图片及参考资料:《俄科学家称找到可证明有外星生命存在的证据》腾讯科技,2010年3月31日。图片来源俄科学家叶甫盖尼·德米特里耶)

科学家在另外两块来自火星的陨石中发现微型“生物化石形态”,暗示着远古时期火星存在着生命体。

科学家在对火星陨星的新一轮高科技分析测试中发现了新的证据,为证实火星远古时期存在生命增添了几份神秘感。以上的观测分析仪器将提供陨石样本更好的化学成份信息,使科学家获得陨石中“生物形态”的生物和地质特征的形成过程。

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太阳系外围的柯伊伯带与奥尔特云地带有一个巨大的彗星库,有数以万亿到十万亿的彗星存在,这些彗星是太阳系形成时的残留物,彗星物质主要由水、氨、甲烷、氰、氮、二氧化碳等组成,而彗核则由凝结成冰的水、二氧化碳(干冰)、氨和尘埃微粒混杂组成,是个“脏雪球”!在地球形成时刻,很可能这些脏雪球就成为地球一部分,并在随后的几十亿年的地球演化中,大量彗星掠过地球,留下的氨基酸形成了这种有机尘埃,彗星也能以这种方式将有机物质像下小雨一样洒落在地球上——这就是地球上的生命之源。

图009 “那罕拉”陨石中的生物形态(图片及参考资料:《科学家在火星陨石中发现“生物化石形态”》腾讯科技,2010年1月13日,图片由美国宇航局约翰逊太空飞行中心天体生物学家David McKay带领的研究小组提供。)

彗星可能随处可见,这些彗星常与初形成的行星相撞,对年轻行星的成长与演化,有很深远的影响。地球上大量的水,可能是与年轻地球相撞的许多彗星之遗留物,而这些水,后来则孕育了地球上各式各样的生命。

太阳系形成后的四十多亿年中,靠近太阳系中心区域的彗星,或与太阳、行星和月球相撞,或受太阳辐射的蒸发,已消失迨尽,我们现在所见的彗星应来自太阳系边缘。如假设残存在太阳系外围的彗星物质,历经数十亿年未变,则研究这些彗星,有助于了解太阳系的原始化学组成与状态。

1999年,美国宇航局发射的“星尘号”彗星探测器,在2004年到达并穿越“威尔德-2号”彗星周围五公里厚度的尘埃和冰粒云,收集了从该彗星表面散逸出来的彗星物质微粒。2006年,返回地球发现了大量复杂的碳化物分子。这些化合物能够参与其他有机化合物生成时所进行的化学反应。2008年,研究人员终于证实就在该样品中发现了生命形式关键的组成成分——氨基甘胺酸,以及含氮的有机化合物——胺类物质。过去曾在陨石上发现过氨基酸,而在冰冷的彗星上发现氨基酸,氨基酸对生命来说至关重要,它是构成蛋白质分子的基本单位。这还是第一次。目前所研究的样品仅来自彗星彗发,而彗核则是彗星上有水湿环境并富含有机分子,这一切都为原始细菌的生长和繁殖提供了理想条件。彗星可能会含有更复杂的氨基酸混合物和更高水平的氨基酸、蛋白质,甚至生命。

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即使在极低温度下也能够孕育出复杂有机物,美国宇航局加州喷气推进实验室(JPL)的科学家发表在《天体物理学通报》上的文章表明,实验室中模拟宇宙中的极低温环境并观察多环芳香烃物质分子的反应,在这一实验中,他们所设定的温度值低至5K,即-268℃。他们使用紫外辐射轰击这些粒子,模拟宇宙中来自恒星的紫外光辐射。检验的结果显示这些多环芳香烃物质已经发生了变化:它们的结构中吸收进了氢原子,并失去了它们原先环状的原子键,从而形成了一种更加复杂的有机质。这一变化正是一种有机质最终转变为氨基酸或核酸的过程中所需要经历的,前者是蛋白质的基本片段,后者则含有DNA物质。

这种结构牢固的有机质在宇宙中的气体和高温尘埃中是普遍存在的,科学家们对于在如此低温的环境下,冰粒表面发生的有机化学过程感到惊讶。生命演化所需的最早期步骤可能开始于宇宙中最寒冷的区域,科学家们认为构成生命的基本组成物质,包括水和有机质,最初都是从这些孤立的冰粒开始的。这些水冰和有机质一开始可能附着于彗星和小行星表面,随后坠落地球,从而将“前生物”物质带到地球,这些物质最终将演化成为生命。从冰冻有机质到黏菌之间的转变所需复杂的过程。

2013年3月,美国加州大学伯克利分校、夏威夷大学马诺阿分校的研究人员在一个超真空室模拟空间环境,形成一个冰冷的雪球,雪球中包括二氧化碳、氨和各种碳氢化合物,如甲烷、乙烷和丙烷等。研究人员采用高能量的电子模拟太空中的宇宙射线对雪球进行轰击,引发化学反应。而后,加州大学伯克利分校的理查德·马蒂斯和阿曼达·斯托克顿借助一台分析仪对有机残留物进行了分析,发现了复杂分子的存在,检测到具有9个不同的氨基酸和至少两个二肽,这些物质可在地球上促进生物进化,含有两个氨基酸分子的二肽是所有生物共享的重要基础组成分子。这一发现开启了生命基础分子搭乘彗星或者陨石来到地球的传播路径,由此可形成生命所需要的蛋白(多肽)、酶和糖等更复杂的分子。该成果发表在《天体物理学杂志》网络在线版上。

科学家一直认为,复杂的生命化学过程起源于地球早期的海洋,新的实验模拟了深邃太空条件,表明在冰冷的星际尘埃上有可能创建新的复杂生命成分,并有可能运送到地球,从而启动生命。研究论文的合著者之一,加州大学伯克利分校化学家马西斯说:“地球上生命的最基本生物化学组成部分可能起源于地球之外。哈雷彗星可以是复杂分子如二肽的温床。彗星撞击地球可能递送这些分子,并形成更复杂的蛋白质、糖等生命成分。”

由于彗星形成这类彗星含有保存完好的数十亿年前太阳系形成初期的物质颗粒,因此也可追踪到太阳及行星形成的线索,这证明生命的基本组成成分在宇宙空间广泛传播。

在生命演变过程中,生命来源之谜一直成为重要的研究对象,比如生命来源于太空彗星、陨石,还是外星文明,或者是地球生命的自我演化,都需要有充足的证据。事实上,生命来源应该是多方式的。生命在极端环境下的表现,证明了量子领域参与了生命的保持与演化。在物质向生命演化过程中存在很多的疑问,需要更多的证据来解释生命的诞生以及与物质的联系。生命在极端环境中,比如太空、地下、海底、过热、过冷、干旱、含盐量多的湖泊中生存,甚至有的跨越几十万年照样能够复活。这种极端环境下,生物所保持的生命密码,也必然会在原子层面里得到印证。科学家在海洋地壳的最深层发现了一个全新生态系统,这是首次在地壳辉长岩层发现细菌。这项发现暗示生命可能存在于地球更深处,甚至是地幔。科学家们经过研究发现,碳循环甚至可以深达地下700公里深处。

我们所生活着的地球,“生命无所不在”这一观点已一次次得到证实。无论是在温度极高的火山口附近,还是在南极洲异常寒冷的冰天雪地中,无论是在太空边缘,还是在深深的在地下,科学家们都发现了生命的存在。人们也一直把目光投向地球之外的宇宙,去寻找那些“隐藏最深”的生命。下面的这些例子,正是通过生命在极端环境下的存在,来证明生命在宇宙中普遍存在的可能。而极端下的生命现象,也表明了生命深层次中量子的作用。

试管婴儿是一种辅助生育,为了保持成功几率,就会多些“备选胚胎”,而产生的“备选胚胎”绝大多数被冷冻起来。保存剩余胚胎的作用在于,可以将冷冻胚胎解冻后再次进行胚胎移植,这些“备选胚胎”大多保存在相关医院的“辅助X技术实验室”。在这些房间里,胚胎被在-196℃的液氮保存,并被冰封在一排半米多高的白色大罐子中,这就是“生命的种子”休眠的“冰箱”,在这个温度下冻存胚胎和X,理论上能保存十年,这种方法降温速度快,冷冻后的胚胎像玻璃一样透明清澈,即“玻璃化”冷冻。传统的慢速冷冻胚胎的复苏率只有70%,而玻璃化冷冻复苏概率达到了90%以上,同期的胚胎,在在-196℃的情况下,胚胎的代谢几乎处于静止状态。只要解冻后胚胎质量合格,就能移植进母体。解冻越早,胚胎质量越好。

我们不禁要问,被冷冻到“玻璃化”状态的胚胎,是生命吗?如果不是,那是物质吗,如果是物质,解冻后如何变成生命的呢?回答是与否的问题,确实是当今世界最大的哲学问题!这需要生物学、物理学、实验,来进行综合系统的回答,我们可以从两个角度思考,来回答在下面例子中会发现很多极端下的生命现象,也包括对所有生命现象的探索。这两个角度是:一,生命隐藏于量子中吗?二,生命来源于量子的有机结构吗?这个答案会贯穿于本书之中,也会在第三章找到科学的量子逻辑。

 

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