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非水基生命存在于泰坦上吗?

作者:佚名 来源:果壳网 点击数: 更新时间:2015-5-4
研究生詹姆斯·史蒂文森、天文学家乔纳森·鲁奈和化学工程师波莱特·克兰西,从理论上提出了一种能够在寒冷的土卫六泰坦上生存的、与我们所知生命完全不同的全新生命形式——氮质体。图片来源:康奈尔大学

液态水是地球上的生命所必需的。不过,在其他寒冷得多的星球上,就算没有以水为基础的化学反应,生命或许仍有可能存在。

美国康奈尔大学的化学工程师和天文学家,既发挥了脑洞大开的想象力,也进行了一板一眼的科学演算,为一颗严酷而又寒冷的星球——确切地说,即土星最大的卫星土卫六泰坦——提供了一套能够在那里茁壮繁衍的生物模板。这颗大小堪比行星的星球,表面拥有液态的江河湖海,只不过其中的液体并不是水,而是液态甲烷。泰坦上或许拥有以甲烷为基础、无需氧元素的细胞,能够新陈代谢,复制繁衍,做任何地球上的生命能够做到的事情。

他们从理论上提出了一种细胞膜,由小型有机氮化合物构成,能够在-180℃的液态甲烷中发挥作用。这项研究由康奈尔大学的化学分子动力学专家、化学及生物分子工程学教授波莱特·克兰西(Paulette Clancy)领导,第一作者是化学工程研究生詹姆斯·史蒂文森(James Stevenson),文理学院天文系的物理学教授乔纳森·鲁奈(Jonathan Lunine)是合作者之一。

鲁奈是土星卫星方面的专家,作为跨学科科学家参与了卡西尼-惠更斯探测任务,正是这一任务发现了泰坦上存在甲烷-乙烷海洋。泰坦上可不可能存在以甲烷为基础的生命呢?这个问题把鲁奈迷住了,他甚至从邓普顿基金会(Templeton Foundation)申请了经费来研究无水生命。大约1年前,鲁奈来到了康奈尔大学,向化学建模领域的专家寻求帮助。克兰西伸出了援手。

“我们不是生物学家,也不是天文学家,但我们有称手的工具。”克兰西说,“或许这是有益的,因为对于细胞膜里应该有什么和不该有什么,我们完全没有任何预设。我们只是着眼于已知存在于那里的化合物,提出一个问题——‘如果这就是你的调色板,你能做出什么东西来?’”

在地球上,生命的基础是双层磷脂细胞膜。这种强韧的生物膜以水为基础,允许物质从中透过,它们构成的囊泡为每个细胞中的有机物质提供了容身之处。由这样一层膜构成的小囊泡被称为脂质体(liposome)。正因为如此,许多天文学家在搜寻地外生命时才专注于恒星周围被称为宜居带的区域,只有在这样一条狭窄的地带内,液态水有可能存在于星球的表面。但如果有细胞不依赖水,而是依赖甲烷,又会如何?要知道,甲烷的冰点比水要低太多了。

卡西尼拍回的土卫六泰坦的图像,泰坦表面的液态湖泊反射着阳光,这样的景象在太阳系中除了地球,仅此一家。图片来源:NASA

这些工程师将他们理论上提出的细胞膜称为azotosome,其中的azote来自于法语单词“氮”。脂质体的英文liposome来源于希腊单词lipos和soma,前者是脂,后者为体。与此类似,azotosome或许可以称为氮质体。

这些氮质体由已知存在于泰坦低温海洋中的氮、碳和氢分子构成,但它们的稳定性和柔软性却与地球上的脂质体类似。这让克兰西和史蒂文森这样的化学家大吃了一惊。他们之前从来没有想过细胞稳定性之类的事情,他们通常研究的是半导体,而非细胞。

这些工程师采用了一种分子动力学方法来筛选甲烷中的候选化合物,用于自组装成类似膜的结构。他们发现,丙烯腈氮质体最具潜质,展现出了优良的稳定性,柔软性也跟地球上的磷脂膜类似。丙烯腈(acrylonitrile)是一种无色、有毒的液态有机化合物,在地球上被用于制造丙烯酸光纤、树脂和热塑性塑料。这种化合物就存在于土卫六泰坦的大气之中。

受到初步成果的鼓舞,克兰西说,下一步他们将尝试和检验这些细胞在甲烷环境中有什么表现——在以甲烷为基础的无氧细胞中,有没有可能出现类似于繁衍复制和新陈代谢的过程。

鲁奈则期盼着未来能够在土卫六泰坦上验证这些想法,正如他提出的,“有一天,将一个探测器派到这颗神奇的卫星上,让它漂浮在那些海洋之中,直接对有机物进行采样”。

史蒂文森说,他部分受到了科幻小说家阿西莫夫的启发。早在1962年,阿西莫夫就在一篇名为“非我们所知”的文章中中提出了非水基生命的概念。

史蒂文森说,“我们的发现,为这种‘非我们所知’的生命,提供了第一张坚实的蓝图。”

相关研究论文,2月27日发表在开放获取在线期刊《科学进展》(Science Advances)上。(编辑:Steed

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