生命是如何起源的？來自太陽的高能粒子或許是關(guān)鍵

地球上的生命，是如何開始的？這是現(xiàn)代科學(xué)最大的謎團(tuán)之一。最近，有研究發(fā)現(xiàn)，來自太陽的高能粒子或許是關(guān)鍵。

早期的生命起源理論

大約45億年前，當(dāng)?shù)厍騽倓傂纬蓵r，它還是一個貧瘠的巖石球，頻繁遭受隕石的撞擊，布滿了噴發(fā)的火山。根據(jù)地球物理和現(xiàn)有化石記錄，科學(xué)家推測在45億到38億年前的冥古宙時期，地球上就已經(jīng)發(fā)展出了適合生命生存的條件。但是，我們一直無法知道的是，究竟是怎樣的環(huán)境條件，導(dǎo)致當(dāng)時出現(xiàn)了復(fù)雜的化學(xué)性質(zhì)。

早期地球的藝術(shù)構(gòu)想圖。（圖/NASA）

在探索生命起源的過程中，一個最廣為人知的實(shí)驗(yàn)被稱為米勒-尤里實(shí)驗(yàn)。1952年，芝加哥大學(xué)的米勒（Stanley Miller）和諾獎得主尤里（Harold Urey）進(jìn)行了一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，他們向一個封閉的玻璃容器內(nèi)注入水、氨、氫和甲烷，以此來模擬被認(rèn)為是地球早期的大氣環(huán)境。然后，他們向容器中反復(fù)接通電火花，以此來模擬閃電。

一周后，他們發(fā)現(xiàn)容器內(nèi)形成了甘氨酸、丙氨酸和天冬氨酸。而我們知道，氨基酸是蛋白質(zhì)和所有細(xì)胞生命的原料。1953年，米勒和尤里正式發(fā)表了這次的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，這些結(jié)果一經(jīng)發(fā)布便產(chǎn)生了巨大的影響力。它表明生命出現(xiàn)所必需的復(fù)雜有機(jī)分子，可以從早期地球大氣中的一些基本成分形成。許多科學(xué)家因此相信，生命起源于這樣一種富含生命的基本分子的“原始湯”中，也就是達(dá)爾文筆下的那個“溫暖的小池塘”。

然而，生命起源的答案沒有這么簡單。在過去的70年里，陸續(xù)出現(xiàn)的一些新發(fā)現(xiàn)，讓這一解釋變得迷霧重重。一個主要的問題之一是，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，在地球的早期大氣中，氨和甲烷的含量遠(yuǎn)沒有之前以為的那么豐富，相反，早期的地球大氣中充滿的是二氧化碳和氮?dú)?。雖然二氧化碳和氮?dú)庖材墚a(chǎn)生氨基酸，但這兩種分子的分解需要更多能量，而且產(chǎn)生的氨基酸數(shù)量也會大大減少。

更高效的能量來源

那么，還有什么事件能為這些分子的分解提供能量呢？2023年4月28日，在一項(xiàng)發(fā)表于《生命》雜志的新研究中，科學(xué)家在分析NASA的“開普勒計劃”所收集到的數(shù)據(jù)時，發(fā)現(xiàn)了形成氨基酸的一種全新來源：來自太陽的高能粒子！

我們知道，太陽和所有其他的恒星一樣，也是有生命周期的。在其一生中的，它的亮度、大小都會有所變化。2016年的一項(xiàng)研究表明，大約40億年前，太陽的亮度大概只有如今的四分之三。盡管年輕的太陽要比現(xiàn)在昏暗，但它的表面因巨大的噴發(fā)而動蕩不安，經(jīng)常產(chǎn)生強(qiáng)大的“超級耀斑”，也就是巨大的光和輻射暴。這樣的超級耀斑通常伴隨著向太空中噴發(fā)巨大的日冕物質(zhì)拋射。

太陽爆發(fā)事件，它包括太陽耀斑、日冕物質(zhì)拋射和太陽高能粒子事件。（圖/NASA's Goddard Space Flight Center）（動圖：https://www.nasa.gov/science-research/heliophysics/a-stormy-active-sun-may-have-kickstarted-life-on-earth/）

在現(xiàn)如今，如此強(qiáng)大的超級耀斑要每隔百年左右才會爆發(fā)一次。但一旦發(fā)生，就會對現(xiàn)代科技，比如電網(wǎng)、衛(wèi)星、通訊、導(dǎo)航等產(chǎn)生重大的影響。然而，在40億年前，超級耀斑每隔幾天就會爆發(fā)一次，因此它們會向外發(fā)射出大量以接近光速運(yùn)動的粒子。這些高能粒子會沖向地球的大氣層，引發(fā)化學(xué)反應(yīng)。

在新研究中，為了檢驗(yàn)這些來自太陽的高能粒子是否是產(chǎn)生氨基酸的能量來源，研究人員創(chuàng)造出符合我們現(xiàn)在對早期地球大氣的理解的氣體混合物。不過，由于目前尚不明確地知道地球早期大氣中的甲烷含量，只知道應(yīng)該很少，他們將不定量的少量甲烷與二氧化碳、分子氮、水混合在一起。

接著，在實(shí)驗(yàn)中，他們向氣體混合物發(fā)射質(zhì)子，以此來模擬太陽的高能粒子。與此同時，他們也通過接通電火花放電點(diǎn)燃?xì)怏w混合物，來模擬閃電。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)甲烷的比例超過0.5%，用質(zhì)子（也就是太陽粒子的模擬物）撞擊過的氣體混合物就能產(chǎn)生可探測數(shù)量的氨基酸。但是通過電火花放電（也就是閃電的模擬物）形成氨基酸，則需要甲烷濃度達(dá)到大約15%才能實(shí)現(xiàn)。

而且即使甲烷含量達(dá)到15%，電火花放電產(chǎn)生氨基酸的速度也只有質(zhì)子的百萬分之一。不僅如此，與電火花放電相比，質(zhì)子撞擊也更傾向于產(chǎn)生更多的羧酸，也就是氨基酸的前體。如此看來，在其他條件相同的情況下，太陽粒子似乎是一種比閃電更高效的能源。

當(dāng)然，這項(xiàng)研究并沒有為生命起源之謎畫上句點(diǎn)。生命的起源是一個宏大而復(fù)雜的命題，我們很難精確地描述這一切是從何發(fā)生、又是如何發(fā)生的。我們能做的只有不斷地探索，尋找那個最貼切的可能性，來還原那個創(chuàng)造了地球上數(shù)以萬億計的物種的起點(diǎn)。

論文鏈接：

https://www.mdpi.com/2075-1729/13/5/1103

本文為科普中國·星空計劃扶持作品

作者：原理

審核：陶寧 中科院生物物理所 副研究員

出品：中國科協(xié)科普部

監(jiān)制：中國科學(xué)技術(shù)出版社有限公司、北京中科星河文化傳媒有限公司