@ 2017.08.17 , 22:00

从泰坦星看地球上的生命起源

科学上的最大问题之一是,漂浮在冰冷黑暗宇宙中的死气沉沉星球上的化学反应是如何突然催生出生命有机体的。我们甚至不知道地球上生命的分子构成要素是在这里形成的还是被彗星和陨星带来的。

根据NASA/ESA卡西尼任务的数据,我们现在在土星最大的卫星——泰坦星上发现了一些分子,我们认为这些分子驱动了复杂有机化合物的产生。我们的太阳系中此前从未发现过这些分子。这一发现不仅使泰坦星成为存有某种原始生命的有力竞争者,也使其成为研究地球上生命如何从化学反应中产生的理想地点。

从泰坦星看地球上的生命起源
credit: 煎蛋画师Piccolo

生命的分子构成要素是有机化合物,包括可以组合成蛋白质的氨基酸、RNA以及DNA。至今为止,科学家已经在陨星、彗星以及星尘中发现了这些化合物。但问题在于这些材料是数百万年前形成的,无从得知它们是如何生成的。

令人激动的是,似乎今天的泰坦星上正在形成这些化合物。来自土星磁层的阳光和高能粒子驱动了泰坦星上层大气中的化学反应,其中大部分是氮气、甲烷以及氧气。这就产生了更大的有机化合物,这些化合物向下漂流,形成泰坦星特色的“雾霾”和大量沙丘,并最终抵达地表。

为了实现这一发表在天体物理杂志快报上的惊人发现,卡西尼号扎入了泰坦星的上层大气。利用传回地球的数据,我们鉴定了名为碳链阴离子的带负电分子,这种分子似乎是该卫星上发现的更大有机化合物的“种子”,比如多环芳烃,而这些化合物可作为早期生命形式的关键组成部分。实验室实验表明那里可能存在氨基酸,但卡西尼号上的仪器并不是为此配备的。

像这种带负电的分子很容易与其他分子相结合,很快就流失了,因此在太空环境中很少见。但一旦出现就可能是简单分子与复杂有机化合物之间“缺失的一环”。

所以泰坦星上目前可能存在生命吗?并非不可能。土卫二恩克拉多斯上喷发出了烟云,提供了关键的氧气源,落入了泰坦星的上层大气。在行星宜居性索引中,泰坦星甚至被认定为地球之外最可能存有生命的星球。但由于太冷,那里的生命可能十分原始。液态甲烷和乙烷海洋的存在也意味着潜在的生命体的机能可能与地球上的很不相同。

追溯地球上的生命

值得注意的是,在太阳系之外诞生恒星的茫茫分子云中也观察到了类似的过程。宇宙中第一颗恒星进入垂死挣扎,将重元素熔凝一体之后,大量的有机化学就发生了。在这些环境中,带负电的粒子被证实成为更大有机物形成的催化剂,这些有机物随后被转移到太阳系和形成的彗星中。

复杂的星际化学反应引出了这样一个理论:生命的构成要素可能是被这些分子云中形成的彗星带到地球上来的。欧洲航天局的罗塞塔任务在访问彗星67P/Churymov-Gerasimenko时检测到了甘氨酸。但现在这个新发现使得在地球上发生从简单分子形成生命这一过程成为可能。

泰坦星稠密的氮气和甲烷大气十分类似于地球早期大气,即25亿到40亿年前。那是,氧气还没有积聚起来,大部分都还是甲烷,正如今天所看到的泰坦星。这一卫星也因此成为搜寻生命之始的高优先级目标。

通过对泰坦星的长期详细观察,我们可能某一天能够追踪化学形式从小到大的演变历程,理解复杂有机分子如何产生的。也许我们甚至能捕捉从复杂有机分子到活体生命的那一瞬变。利用地基望远镜跟踪观察泰坦星的大气层的工作已经在进行了,比如阿塔卡玛毫米/亚毫米波阵列望远镜。进一步探索泰坦星的任务也提上了日程,关键是要装备检测生命迹象的仪器。

从泰坦星看地球上的生命起源
credit: 煎蛋画师Piccolo

宇宙通用驱动

一个很迷人的事情是我们现在在泰坦星上看到的化学反应与分子云中的一样,都表征了这些过程的通用本质。现在问题是这是否也可能发生在其他富含氮气和甲烷的大气层中,比如冥王星或者海王星的卫星特里同?近些年发现的环绕恒星运行的数千个外星球呢?

通往宇宙构成要素的通用路径这一概念蕴含了我们接下来在宇宙中搜寻生命所需要寻找的东西。如果我们在其他环境中发现了在泰坦星上看到的分子,我们就知道那里可能存在更大的有机物和氨基酸。

未来的一些任务,比如NASA的James Webb太空望远镜和ESA的Plato外星球任务,将准备进一步研究太阳系和邻近恒星周围行星中的这些过程。英国甚至也在准备自己的外星球任务,Twinkle,也将寻找有机分子的迹象。

虽然我们还没有检测到生命,但泰坦、彗星以及星际介质中复杂有机分子的存在意味着我们肯定接近于找到其初始形式了。这也多亏了卡西尼近20年来的外星球探索。卡西尼号将在9月结束其任务,向着土星大气最后发出信仰之跃,让我们向其致敬。

论文原文:Carbon Chain Anions and the Growth of Complex Organic Molecules in Titan's Ionosphere

本文译自 conversation,由译者 CliffBao 基于创作共用协议(BY-NC)发布。Ravi Desai(伦敦大学学院)


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