科学家发现地球生命的潜在星际起源

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发表时间:2024-04-23 08:29来源:CnBeta

在地球上出现生命之前,要从氮、硫、碳和磷等元素构件中创造出有机分子,就必须进行必要的化学反应。为了启动和维持相应的化学反应,这些元素必须大量存在,并不断得到补充。然而,在地球上,这些元素过去和现在都供不应求。

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在地球上出现生命之前,基本的有机分子是由氮、硫、碳和磷等稀缺元素形成的。新的研究表明,富含这些元素的宇宙尘埃可能通过在地球上,特别是在冰原融洞中的高浓度积累,启动了前生物化学,从而有可能导致生命组成元素的形成。资料来源:NASA / JPL-Caltech

事实上,生命的基本组成元素是如此稀少,以至于化学反应很快就会耗尽,如果它们真的能够进行的话。地球组成岩石的侵蚀和风化等地质过程也无法确保充足的供应,因为地壳中包含的这些元素实在太少了。尽管如此,在地球历史的前 5 亿年里,发生了一种前生物化学反应,产生了诸如RNA、DNA、脂肪酸和蛋白质等有机分子,所有生命都是在这些有机分子的基础上诞生的。

所需数量的硫、磷、氮和碳从何而来?地质学家、诺米斯研究员克雷格-沃尔顿坚信,这些元素主要是以宇宙尘埃的形式来到地球的。

这些尘埃是在太空中产生的,例如当小行星相互碰撞时。即使在今天,每年仍有约 3 万吨尘埃从太空落到地球上。然而,在地球诞生的早期,尘埃的数量要大得多,每年高达数百万吨。然而,最重要的是,尘埃粒子含有大量的氮、碳、硫和磷。因此,它们有可能引发化学级联反应。

然而,灰尘的散布范围很广,在任何一个地方都只能发现极少量的灰尘,这一事实与上述说法相悖。沃尔顿说:"但如果把运输过程包括在内,情况就会不同。风、雨或河流在大范围内收集宇宙尘埃,并以浓缩的形式沉积在某些地方。"

澄清问题的新模式

为了弄清宇宙尘埃是否可能是启动前生物化学(反应)的源头,沃尔顿与剑桥大学的同事们一起建立了一个模型。研究人员利用该模型模拟了在地球历史的最初 5 亿年里,有多少宇宙尘埃落到了地球上,以及这些尘埃可能在地球表面的哪些地方积聚。他们的研究现已发表在科学杂志《自然-天文学》上。

该模型是与剑桥大学的沉积专家和天体物理学家合作开发的。英国研究人员专门从事行星和小行星系统的模拟研究。模拟显示,早期地球上可能存在宇宙尘埃浓度极高的地方。而且,来自太空的补给源源不断。然而,地球形成后,尘埃雨迅速锐减:5 亿年后,尘埃流比零年小了一个数量级。研究人员将偶尔出现的上升高峰归因于小行星碎裂并向地球发送了尘埃尾流。

冰原上的融化洞是尘埃陷阱

大多数科学家和普通人都认为,地球被岩浆海洋覆盖了数百万年;这将在很长一段时间内阻止宇宙尘埃的迁移和沉积。沃尔顿说:"然而,最近的研究发现,有证据表明地球表面冷却和凝固的速度非常快,并形成了大面积的冰原。"

根据模拟结果,这些冰原可能是宇宙尘埃积聚的最佳环境。冰川表面的融化孔--即所谓的冷冻孔--不仅会使沉积物积聚,也会使来自太空的尘粒积聚。

随着时间的推移,尘埃粒子中释放出相应的元素。当它们在冰川水中的浓度达到临界值时,化学反应就会自动开始,从而形成有机分子,这就是生命的起源。

即使在熔洞冰冷的温度下,化学过程也有可能开始进行。沃尔顿说:"低温并不会破坏有机化学,相反,低温下的反应比高温下的反应更有选择性和特异性。其他研究人员已经在实验室中证明,简单的环形核糖核酸(RNA)会在冰点附近的温度下自发地在这种融水汤中形成,然后进行自我复制。该论点的一个弱点可能是,在低温条件下,形成有机分子所需的元素只能非常缓慢地从尘埃粒子中溶解出来。"

启动关于生命起源的辩论

沃尔顿提出的理论在科学界并非没有争议。这项研究肯定会引发一场有争议的科学辩论,但它也会引发关于生命起源的新观点。

早在 18 和 19 世纪,科学家们就确信陨石将沃尔顿所说的"生命元素"带到了地球。即使在当时,研究人员也在来自太空的岩石中发现了大量这些元素,但在地球的基岩中却没有发现。沃尔顿说:"然而,从那时起,几乎没有人考虑过前生物化学主要是由陨石引发的这一观点。"

沃尔顿解释说:"陨石的想法听起来很有吸引力,但有一个问题。一块陨石只能在有限的环境中提供这些物质;陨石撞击地面的位置是随机的,而且无法保证进一步的供应。我认为,生命的起源不太可能依赖于几块广泛而随机散落的岩石。"另一方面,我认为富集的宇宙尘埃是一个可信的来源。"

沃尔顿的下一步将是通过实验检验他的理论。在实验室中,他将使用大型反应容器来重现原始熔洞中可能存在的条件,然后将初始条件设定为 40 亿年前低温熔洞中可能存在的条件,最后再观察是否真的发生了产生生物相关分子的化学反应。

编译来源:ScitechDaily

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