地球上的生命是如何起源的？中國科學家有重要發現 | 袁嵐峰
2020-05-14 風雲之聲關注風雲之聲 提升思維層次
導讀
大家可以想一想，如果超臨界二氧化碳的生命起源成立，那麼最大的後果是什麼？
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我是誰？我從哪裡來？我到哪裡去？這是看門大爺都知道的三大終極問題。實際上，我們現在還不清楚，地球上的生命是如何起源的。是地球自發產生的，還是從外星來的？如果是地球自發產生的，那麼是在什麼地方，什麼條件下？
最近中國科學家有一個大發現，可能有助於解開生命起源之謎：在海底的熱液中，觀測到了超臨界（supercritical）二氧化碳（生命起源是否和超臨界二氧化碳有關？）。這在頭條熱榜上，也引起了很多關注。
（http://engine.scichina.com/doi/10.1016/j.scib.2020.03.023）
2020年5月8日，Science Bulletin 第11期以封面文章的形式發表了題為「Discovery of supercritical carbon dioxide in a hydrothermal system」的文章，報導了中國科學院海洋研究所閻軍和孫衛東研究員課題組合作首次在熱液系統觀測到自然狀
海底熱液好理解，就是海底噴出的熱的液體。但是，什麼叫做超臨界？這大概是大多數人首先想問的問題。
對此簡單的解釋是，超臨界是物理化學中的一個概念，跟氣體的液化有關。
如果你想把氣體變成液體，你有兩種辦法：一個是降低溫度，另一個是提高壓強。一般情況下，這兩種辦法中的任何一個都可以實現液化，例如平常見到的水蒸氣就是這樣。但一般人不知道的是，如果溫度高到某個程度，單獨提高壓強就不能液化了，無論你把壓強加到多高都不行。
這個溫度就叫做臨界溫度。如果你想把高於臨界溫度的氣體液化，就必須首先把它降溫到臨界溫度以下。在臨界溫度上剛好能把氣體液化的壓強，就叫做臨界壓強。
二氧化碳的相圖
任何物質都存在臨界溫度和臨界壓強。當溫度和壓強都高於臨界值的時候，這種狀態就叫做超臨界流體。
那麼，超臨界流體是氣體還是液體呢？
回答是：在這種狀態下，氣體和液體的界限消失了。因為它可以通過連續變化變成普通的氣體，也可以通過連續變化變成普通的液體，中間都沒有任何突變。而平時見到的氣液變化，例如水蒸氣變成水，或者酒精蒸汽變成液態的酒精，都是突變。所以超臨界流體是一種特殊的狀態，有些性質像氣體，有些性質像液體。這是物理化學中一個非常有趣的結果。
具體而言，超臨界流體的密度跟液體接近（也就是說比氣體大得多），而擴散係數卻跟氣體接近（也就是說比液體大得多）。因此，超臨界流體很適合用來傳輸物質和熱量，是非常好的反應介質。
例如中國的火電技術世界領先，煤耗低，排放少，就是因為超臨界流體的特性。2015年10月，美國《電力雜誌》將上海外高橋第三發電廠評選為2015年度世界頂級火力發電廠，因為它是全球第一個將1度電的煤耗降到280克以下的發電廠（https://new.qq.com/omn/20180130/20180130B0O4H0.html）。
平時，我們用得最多的溶劑是水。但在超臨界的工業中，超臨界二氧化碳用得比超臨界水多得多。因為二氧化碳的臨界溫度是31.26攝氏度，臨界壓強是72.9個大氣壓，水的臨界溫度是374攝氏度，臨界壓強是218個大氣壓。二氧化碳的臨界溫度和臨界壓強都比水的低，所以更方便應用。
了解了這些背景，下面的問題是：超臨界二氧化碳為什麼會跟生命起源有聯繫？
文章中解釋了，這次是在海底熱液中發現了超臨界二氧化碳的噴發，其中包含了大量的氮氣、甲烷、硫化氫等物質。這裡的關鍵是氮氣，這是第一次發現的。
論文圖1
以前早就有理論猜測，地球上最早的生命可能就是在海洋熱液中產生的，它們的能量來源是直接利用熱液中的熱量，而不是現在主流的光合作用。這個理論看起來很合理，但以前的困難在於：在熱液中沒有找到氮元素。沒有氮元素，怎麼會有胺基酸呢？如大家所知，胺基酸是蛋白質的基本單元。所以，這是這個理論最致命的問題。
論文圖2
現在發現超臨界二氧化碳熱液中含有氮氣，就補上了這個缺點。從超臨界二氧化碳、水和氮氣等無機物，就可以產生胺基酸等有機物，最終形成生命。
論文圖4
順便說一句，報導這個成果的雜誌叫做《Science Bulletin》。這是中國科學院辦的英文期刊，其實就是以前的《科學通報》。陳景潤對哥德巴赫猜想的突破，最初就是在《科學通報》上發表的。
大家可以想一想，如果超臨界二氧化碳的生命起源成立，那麼最大的後果是什麼？我覺得，最大的後果就是，宇宙中可能充滿了生命，因為具有這樣條件的星球可能會很多。就像《三體》中羅輯從冰塊中爬上來仰望星空時，突然明白了宇宙的真相，這是人類的覺醒時刻。
最後，歡迎大家關注我們的帳號「科技袁人」。我們面對的是一個生命如同繁星點點的宇宙，還是荒蕪如同沙漠的宇宙？這正是一個終極問題。
擴展閱讀：
生命起源是否和超臨界二氧化碳有關？| 中國科學雜誌社
日本科學家：可觀測宇宙中，我們可能是唯一的生命 | 環球科學
作者簡介：袁嵐峰，中國科學技術大學化學博士，中國科學技術大學合肥微尺度物質科學國家研究中心副研究員，科技與戰略風雲學會會長，「科技袁人」節目主講人，安徽省科學技術協會常務委員，入選「典贊·2018科普中國」十大科學傳播人物，微博@中科大胡不歸，知乎@袁嵐峰（https://www.zhihu.com/people/yuan-lan-feng-8）。
責任編輯：祝陽
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