生命的本源可能並非是水,而是另一種液態物質

2020-12-05 學習辣點事兒

早期地球生命可能並非源自水中。

放射性礦物聚積地的水塘邊可能富含甲醯胺,而甲醯胺可能是早期地球生命的體液。麻省理工學院

對於今天我們所知的一切地球生物來說,水是至關重要的溶劑(體液)。生命活動所需的有機分子能夠溶解在水裡,比如胺基酸、糖。水扮演著營養物質輸送者的角色。信號分子在水中的傳遞,還可以讓細胞之間建立起通信。

但水同時也有其不為人知的一面。水有「水解」作用,能夠分解核酸和蛋白質。這就是所謂的「水的悖論」。許多科學家懷疑,地球生命的單細胞祖先們,是否真的是因水而生?

科學家將揭開謎底的希望,寄托在了一種名叫甲醯胺的無色透明液體身上。甲醯胺是氰化氫的水解物,由氫、碳和氨轉化而來。甲醯胺是一種分布非常廣泛的物質。說它分布廣泛,是指它不僅僅地球上有,宇宙中的許多地方也有。這些地方包括星際雲中的產星區內、彗星上,甚至於星際介質裡。甲醯胺和二氧化鈦、粘土、獨居石、磷灰石、含鐵礦物、鋯,能夠促進糖和核苷鹼基的形成,核苷鹼基是RNA和胺基酸的重要組成成份,而胺基酸是蛋白質的基石。

原始海洋中,甲醯胺的濃度是非常低的,只有百萬分之一。甲醯胺即便能夠形成,也會迅速分解。 只有當甲醯胺的純度非常高,且與前述系列物質保持接觸的情況下,一連串的反應才能進行。與此同時,生成生命所需的化合物,還需要很多熱量——所需的熱量之多,甚至能夠把水煮開。在海洋或湖泊中,幾乎不可能存在這樣的高溫環境。但在那些小地方,比如地熱噴口附近的沙粒間和水窪邊,情況就不一樣了。

科學家發現,將水、氰化氫和放射性礦物混合,就能製造出甲醯胺。而在原始地球上,放射性礦物如獨居石、瀝青鈾礦和鋯石能夠隨著地殼的移動和水流,在灘涂和河流中聚積起來,形成所謂的「砂礦」。在一些特殊條件下,某些「砂礦」的鈾濃度會非常高,形成自然的核反應堆,為生化反應的最終發生提供足夠多的能量。

這個理論模型被稱為「核間歇泉」。它展示了甲醯胺是如何獲得足夠高的濃度,並暴露在足夠量的核能和熱能下,製造出最終能夠演化為生命的化合物的。

最近哈佛大學地球行星科學系的進化生物學家Zachary Adam博士領導了一個科研團隊,在生命出現之前的地球大氣和輻射條件下,對這個假說進行了檢驗。之前的研究結果表明,將鈾和釷礦,與碳、氫、碳、氧的化合物混在一起,能夠產生一種名為乙腈的化合物,而乙腈是甲醯胺的前身。43億年前原始地球上的放射性沉積物中,可能也發生過相同的事情。

科研人員用伽瑪射線轟擊了這些與水汽混合在一起的乙腈,結果發現,甲醯胺含量上升了。隨後這些放射性的混合物又被加熱到了100攝氏度以上。在生命出現之前的地球上,在富含放射性物質的礦床中,環境與此類似。水受熱蒸發後,留下了濃縮的有機溶劑混合物。這些有機溶劑是在伽瑪射線的轟擊下形成的。在射線的轟擊下,乙腈被分解、重組,形成了甲醯胺、N甲基乙醯胺和N甲基甲醯胺。有一點非常重要,即這些分子若和磷酸鹽礦物混在一起,就能夠形成磷酸化合物,而磷酸化合物在RNA的化學基石——核苷酸的合成過程中十分關鍵。

基於這些研究成果,科學家構想了一幅生命出現之前原始地球的圖景。在早期地球的溼潤期,乙腈和氰化氫隨著雨水落在放射性礦物的聚積地。而在隨後到來的旱季,甲醯胺的濃度隨著水的蒸發變得越來越高。

這種乾濕的周期性循環可能與潮汐效應等自然現象有關。這一過程的發生地點可能離間歇泉、火山等地熱現象不會遠。在這些地方,乾濕和冷熱的交替循環並存。

這樣的事情如果能夠發生在早期地球上,那麼同樣也能夠發生在宇宙中的其它地方。宇宙射線,木星周圍的輻射帶,太陽耀斑,都能夠為驅動相似的反應提供高能粒子流。而只要是類地行星,或相似的巖石天體,也都擁有適宜的環境。

研究結果顯示,甲醯胺因氰化氫和水受輻射轟擊分解重組產生的效率,要遠高於其在普通水環境中的產生效率。雖然今天的生命離不開水,但生命的本源或許並非是水,而是另一種液態物質——甲醯胺。水或許也曾參與其中,但它只起到了輔助作用。

這是一種極為奇妙的可能。

甲醯胺是宇宙中一種非常普遍的化合物,我們常常能夠在產星區內發現它的蹤跡。ESO

相關焦點

  • 純物質?從一種液態到另一種液態的奇妙相變
    相變包括諸如冰融化(固態到液態),或從茶壺中冒出的蒸汽(液態到氣態)等現象。然而,對分子排列如何變化的研究揭示了分子間相互作用強度的複雜細節。在傳統相變過程中,就像鐵棒熔化成熔化的金屬一樣,增加的熱量會使原子劇烈地振動,從而打破它們的固態晶格結構,呈現出液態。博科園-科學科普:東京大學研究小組研究了一種罕見得多的相變類型:從一種液態到另一種液態。
  • 直徑只有地球1/4,液態水卻是地球的2倍,這裡極可能藏著生命
    到了今天我們依舊只能說,火星上可能還保留著生命,但可以肯定的是,就算有生命也只是微生物。從人類對火星的探索就可以看出來,人類的實力還非常有限,至今連火星都沒玩明白。但是這不影響人類根據現在所掌握的知識,給太陽系中可能存在生命的星球進行一次排名。
  • 物質本源的大膽猜想
    可我從一個小生命的形成,出生和成長卻有了一個大膽的想法。或許宇宙不是爆炸而產生,而是像生命的形成一樣,是通過一個受精卵而形成的。當然我把這個受精卵設想成一股未知的能量,一種神秘不可見的「本源能量」。 宇宙是一直成長之中,物質一直在變化之中,而在成長,變化之中,物質之間不可避免的會產生一種「力」! 而我認為「力」是這種「能量」運動的代名詞! 甚至在宇宙的邊緣就是這種「能量」在隔絕著本宇宙與其他宇宙的聯繫。 多元宇宙篇:宇宙之外是不是存在其它宇宙空間,一直以來人們都有所猜想。而我則認為其或許存在,就像受精卵可能是一個也可能是多個一樣。
  • 水一定是固態液態和氣態嗎?在馬裡亞納海溝深處的水是另一種形態
    我們都知道,在一般情況下水是以液態的形式存在的,它會隨著環境溫度的變化而發生形態上的變化,例如當溫度低至零度以下時,水就從液態變成固態,形成冰。當溫度高於水的沸點時,水就從液態變成氣態,形成水蒸氣,由此可見水的形態和環境溫度有重要的聯繫。今天就讓我們來討論一下水從液態變成氣態的過程,這其中的物理變化可能並沒有你想像中的那麼簡單。
  • 固態水擁有十七種晶體形態,甚至很可能液態水還有兩種液態的形態
    水就是一種十分神奇的物質,估計很多人不知道水能夠變換很多的不同形態,大部分的形態估計很多人並不是很了解,現在美女小倩給大家講一下這些水的知識,希望朋友們能夠加我粉絲,一起研究和探討科學話題,大家一點要多多支持。
  • 火星地底出現液態水,面積極大,是否可能存在生命?
    選擇火星作為人類探索的目標,也不是隨便確定的,而是經過多層考慮才確定下來的。人類不斷派出探測器對銀河系內人類所能抵達的星球進行了一番認真探索,多次探索後,有幾個星球是適合人類居住的,如金星、火星、木星等。
  • 水知道答案——尋找液態水,就是尋找可能的外星生命
    根據推測,天王星的水冰總量,是地球水量的四萬多倍!所以,在月球光照區發現少量水分子,實在不是什麼值得歡呼的事。何況在更早一些時候,人類已經在月球兩極直接探測到了水冰的存在。聽到「大新聞」的預告,就急切地聯想到外星生命的人們,恐怕又一次失望了。但在外星生命的搜尋中,水的確是不可或缺的條件之一。
  • 水有幾種形態?研究發現水有多種液態
    溫度與壓力都在臨界點之上的物質狀態歸之為超臨界流體。  超臨界流體具有許多獨特的性質,如粘度小、密度、擴散係數、溶劑化能力等性質隨溫度和壓力變化十分敏感:粘度和擴散係數接近氣體,而密度和溶劑化能力接近液體。  超固體是一種空間有序(比如固體或晶體)的材料,但同時還具有超流動性。換句話說,超固體同時具有固體和流體的特性。
  • 【經濟日報】火星上流動的物質也可能是金屬
    (資料圖片)  10月30日《經濟日報》推出科普報導《火星液態水的發現說明了啥?》後,記者收到清華大學教授、中科院理化所雙聘研究員劉靜的郵件,他指出,火星上頻繁觀察到的流體狀物質很有可能並非水,而是液態金屬。這個有趣的說法引起了記者的關注,於是對劉靜教授進行了採訪。  「從此次美國國家航空航天局NASA公布的流動物質照片的光澤、形態、反射率來看,它們更接近液態金屬。」
  • 原來,水有兩種液態
    一個國際研究人員小組發現水可以以兩種不同的液態存在時,做出了一項基本發現。 該研究發表在《科學》雜誌上。如您所知,水是生命的關鍵基礎之一,因此水的相行為對於從生物化學到材料科學以及工業過程等廣泛的科學和技術領域都至關重要。了解其狀況對於科學和工程成就至關重要。我們熟悉的液態水對應於約25攝氏度的溫度。大約30年前,在理論計算和計算機模擬的基礎上表達了液態水可以處於兩種不同狀態的想法,這表明:在強冷卻條件下,液態水應該進入另一種液態。
  • 直徑只有3100千米,液態水卻比地球多,太陽系這星球可能存在生命
    英國科學家曾經在南極冰下湖的泥漿裡發現了距今10萬年的生命跡象。這些證據表明在某種極端惡劣條件下,生命仍有存活的可能。而南極冰下湖封閉、營養貧乏的環境,亦幫助科學家們深入了解在地球及其他行星上最嚴酷的地方,生命形式是如何生存的。
  • 為何地球上這麼多液態水,而火星卻幾乎不見液態水?
    導語水是生命之源。從達爾文的《物種起源》發表至今,地球生命起源於海洋的說法得到諸多科學家的承認。而智慧生命,則是在經過漫長的進化之後才形成今天的樣子,生命起源於水中,那麼,又是什麼因素導致了水佔據了地球的71%?
  • 地球上詭異多變的液態水
    「君不見,黃河之水天上來,奔流到海不復回。」——【唐】李白《將進酒》生命起源於碧水茫茫的海洋。水,是地球生命不可或缺的物質,也是地球上自然資源中不可替代的重要物質。了解地球上的水,可先從下面這則舊聞說起。
  • 生命的存在似乎有悖熵增原理,生命並非由物質而生,而是源於信息
    當然,這樣說可能並不準確,問題並不是科學所帶來的,而是本身就存在的,只是隨著科學的進步,關於世界的、生命的諸多問題一一被解答,我們才開始認識到更為本質的問題,而這些問題對於現在的科學水平而言,似乎還有些困難。在人類面臨的諸多疑問之中,生命的起源算是最為本質的一個了。不管怎麼想,生命都過於神奇了,特別是擁有獨立意識的生命,比如人類,就更是宇宙中最為深邃的一個奧秘。
  • 水對生命太重要了,但土衛六零下179度,液態甲烷能代替水嗎?
    土衛六與地球的環境大不相同,那裡的溫度極低,只有零下179度,所以沒有液態水,到處都是液態甲烷。去土衛六探尋生命,是科學領域當下最熱門的話題之一。科學家們模擬土衛六上的環境,在地球上的實驗室裡設計和製造了諸如丙烯酸、氰化氫等物質,驗證了這些物質組成生命大分子是可能的。如果土衛六真的存在生命,那麼它會是什麼樣子呢?
  • 水的第二種「身份」
    具有兩面性的水科學家早就在不斷探究水的奇特性質了,但始終沒有太大的收穫。直到瑞典斯德哥爾摩大學的安德斯·尼爾森等人公布了他們的最新研究結果:水不是一種液體,而是兩種。我們都知道,水存在三種形態:固態、液態和氣態,這取決於它所處的溫度和壓強。
  • 木衛二比月球略小,液態水儲量卻是地球的2倍,極有可能藏著生命
    、日照少且素有「八山一水一分田」之說的貴州大山裡。而在地球上磷化氫是一種只與生命有關的有毒氣體,在無氧環境下通過微生物生成。此次在金星大氣層的新發現也向世人表明,在金星溫室行星滿載硫酸的雲層中,可能正生活著微生物。
  • 物質有3種形態:固態液態氣態,那麼光又屬於哪一種?
    筆者-小文宇宙萬物都是由原子構成的,無論是動物還是人類,原子是構建一切人們認知事物中的基礎,也是最為神奇的一種物質。而在現實生活中,我們都知道原子大致可以歸類為三種形態,分別是固態、液態以及氣態,而水作為地球上含量最為豐富的化合物之一,它所表現出來的形態轉化也是最為常見的。當水是液態的時候,它是可以流動的,而當水變成固態之後,它的體積會膨脹,而水變成氣態之後,它就變成了水蒸氣。
  • 天文|地球之外可能存在生命
    地球之外,有生命,證明這個問題需要有擲地有聲的證據。該怎樣開啟這段搜證的旅行呢?先從尋找生命的基本要素開始。生命的基本要素是液態的水—我們需要溶劑,不能是冰,必須是液態的。還需要能量。有機物也是必不可少的,這些是組成我們的生命體以及供我們消耗的東西。
  • 生命起源於水?答案可能沒那麼簡單
    如果一切按計劃進行,這項任務將在傑澤羅隕擊坑(Jezero Crater)著陸,這是位於火星赤道附近的一個45公裡寬的裂口,可能曾是一個液態水湖泊。 在地球上的人們為「毅力號」歡呼雀躍之時,John Sutherland將在一旁冷靜觀察。