发现火星生命或将揭晓地球生命起源之谜
  • 来源:新浪科技
  • 2020-07-07 09:10

  据国外媒体报道,揭晓火星生命谜团,或将揭晓地球人类的起源之谜!今年夏天,美国宇航局“毅力号”将启程前往火星杰泽洛陨坑边缘,此次任务的目标是了解更多关于我们的邻居行星,并收集样本带回地球。科学家希望通过研究该陨坑北部边缘的远古碳酸盐岩,尽可能采集到生命迹象。我们在那里发现的任何事物,甚至是远古时期遗留下来的化石,都可能为揭晓地球早期生命如何孕育提供重要线索。


  火星体积较大,而且每次耗资巨大仅能覆盖部分地区,因此有必要制定一些方案缩小搜索范围。即使我们假设地球生命和火星生命是独立诞生的,我们也可以从火星上发现地球生命演化的重要线索。到目前为止,最受推崇的方法是关注所有已知生命形式的共同行为:从环境中获得能量的能力,通过对不同代谢系统的研究分析,我们发现细胞完成这一奇妙的目标可归结为一种共同策略,简单地讲:电。


  电流通常被认为是一种人类技术:精心设计的电路网络编织着整个人类文明,用于满足人类的需求。但暴雨天气中雷电划过天空时,会使黄铁矿晶体缓慢锈蚀,油田燃烧,早期人类并没有发明电,无论我们多么渴望电能。事实上,电比人类出现得更早,比地球生命更早存在,作为一种无生命的物理过程,它也是生物体获取生命能量的动力核心。


  能量可以完成许多工作,细胞是我们已知的生命基本单位,它们构建蛋白质,复制自身,并抵抗无处不在的引力。而在我们所熟悉的地球生物圈中,生物体依赖太阳能量来提供自己的动能,或者直接通过光合作用,消耗太阳的有机产物,这两种过程基本上都是带有电性的。地下深层生物圈的新陈代谢也是如此,数千米之下存在一个黑暗的平行世界,在地下几千米深处,科学家发现一些细菌,它们通过食用和呼吸简单的地球燃料为自己充电,这或许为搜索火星等行星的原始生命提供重要线索。


  从宇宙角度考虑,很难排除任何星球存在生命的可能性。


  人们几乎普遍认为火星表面不适合生命存活,但在火星表面之下,存在着液态水,受残存的地热活动和缓慢冷却的地核辐射而变暖,科学家怀疑他们可能会在火星发现与地球深层生物圈相似的条件。如果地球上的生命细胞可以在这样的条件下利用电能,那么火星上的生命细胞或许也可以。


  在地球表面,许多生物体通过在葡萄糖和氧之间转移电荷从而产生电能,在地球之下,他们可以利用氢气和二氧化碳,但是这两种情况下产生电能的操作是相同的,两种兼容化合物之间达到电荷平衡。毕竟电是从静态电荷或者动态电荷中获得的能量,但是电荷是什么?生命如何利用电能工作的呢?


  “正电荷”和“负电荷”反映了参与电过程的原子的可观察物理性质,就像表示分子温度的“热”和“冷”一样,当两者分离时,就无法正常运行,当两者接触时,两者之间会形成桥梁。电路的正负极也是如此,两个端子之间的电荷差被称为电压,它们之间的电流可以被有效地利用,在地球上,更古老的深层生物圈细菌利用低压电路,而更复杂的地表生物则依赖于高压电路,因此,在探测火星表面的生命时,我们应该期望能在远离火星表面的地方找到更简单、进化程度更低的低压微生物,这是我们探索的主要目标。


  即使是从渗透到火星地壳的地质气体中获取电能的基本微生物,也可能存在一种保守的代谢电路,因为所有已知的人类生物都使用相同的机制为自己制造能量。科学家研究发现所有细胞都通过一种被称为电子传递链(ETC)的生物丝进行桥连供给它们吃和呼吸的电荷差异,电子传递链的普遍性表明,它是地球生命进化过程中的一个早期创新,也是解决当前问题的最佳方案。假设火星上的生命起源与地球生命起源相似,我们可以期待在火星上发现更多版本的电子传递链,其中的任何差异将讲述着两个进化途径的故事。


  如果地球和火星生态系统基于核酸或者氨基酸是基本相似的,这可能表明,火星生命是陆地起源,在火星遭受小行星频繁碰撞过程中,很可能小行星将生命种子带到了火星,该时期发生在大约38亿年前。但还有另一种假设,其核心机制是所有活细胞以保守的电能代谢方式生存,因为这是唯一可能发生的方式。


  尽管这看起来像是进化决定论,但细胞被限制在某种进化路径上的观点似乎是可行的,无论它们出现在什么环境。当然,地球上生物新陈代谢的核心电荷转移反应,更广泛地称为:“还原/氧化(氧化还原反应)”,即使在没有生物的情况下也能产生电流。以科学家亚历山大·沃尔特在18世纪发明原电池为例,他发明的核心氧化还原反应对无处不在的现代电池仍然至关重要,自从他的发现之后,生物学家发现类似的氧化还原反应都是以新陈代谢为基础。除了在金属中提取电荷之外,自然界提供了各种不同的可食用、可呼吸的物质。


  在地下几千米深处,细菌通过食用简单的地下燃料为自己充电。


  从氢气至硫酸盐的所有化合物都可以作为代谢回路的末端,尽管它们存在一定的灵活性,但在结构和功能等方面,多种生命形式的电子传递链相似度表明,在生物系统进化历程中仅存在少量的自由度。美国辛辛那提大学电子微生物实验室负责人安妮特·罗维曾研究生物体代谢回路驱动能量的不寻常方式。她在一些研究中聚焦通过电极携带呼吸电流的细菌,在一次电话采访中,安妮特指出,虽然这两种生物代谢系统可能“拥有看似相同的蛋白质结构,但从进化角度而言,它们多数是独一无二的。”这意味着生物细胞在进化历史上对于电能采集分配问题的策略是相同的,它们是通过什么物质来解决的呢?三磷酸腺苷。


  三磷酸腺苷简称ATP,是一种令人难以置信的生物学物质,遍布世界各地。众所周知,所有已知细胞都是使用电化学渐变实现生物功能,但大多数细胞内部并不直接接触电流,相反,它们将电能输送到一个移动中间体——ATP,其原理与无线技术十分相似。在这种“无线传输机制”下,细胞内部过程,例如:主动转运、聚合作用,远离代谢机制的区域。细胞使用扩散性ATP提供必要的刺激,而不是依靠神经线路,正如我们所知道的情况,ATP是生命的基础货币,就像人类货币可以在社会中普遍交换一样,ATP也可以很容易地在细胞内交换。


  ATP是一种高能弹簧分子,它比任何物质都想要分裂,这种爆炸能力被蛋白质用于执行机械过程,ATP像电子传递链一样,已进化了很多次。这种进化趋同性的强大本质暗示我们会在地外生命中发现ATO或者类似的中间体物质。


  活细胞以这种方式进化,因为这是唯一可能发生的方式。


  接下来的问题是,我们在地球上观察到的模式——电子传递链及其ATP产生过程中的作用,是所有生命的基础,还是我们所知生命的基础。在地球上找到实时进化的替代系统是很困难的,因为原始细胞即使是生长最慢的竞争者,也会在38亿年的进化过程中胜出。也许在我们的深层生物圈中,生命先驱物种数量丰富,但是捕食行为阻止了它们的发展。在火星低能量深度进行探索,这里潜在的生物活动较慢,可能会发现古老的生命结构,填补我们对这两颗行星上最早生命形式的认知空缺。


  探索火星表面之下的生命起源并不是什么新想法,20世纪博学家托马斯·古尔德曾预测称,地下深层生物圈真实存在。该预测比实际发现地下生物圈早10年,他还认为,在星球表面深处,由化学物质提供能量的生命形式……可能在宇宙中非常普遍。最新实验模型表明,仅在银河系就存在大约60亿颗类地行星,暗示维持地球早期生命的低压化学物质可能遍布整个宇宙。古尔德的理论观点可适用于火星等多颗天体的地下环境探索。



  古尔德提出的另一个建议是:我们对生命的定义可能受到我们经历的限制。他认为,在已知地下深层生物圈通常是一个很大的区域,对于我们所知道的细菌生命而言,这里太热了,但它仍然能够支持其他可以调节这些能量反应的化学处理系统。换句话讲,可能会有其他范式扩展我们对生命本身的理解。


  其他科学家也有同样的想法,虽然正如我们所知的那样,生命是由电能驱动,但是任何能量梯度都可能成为火星燃料。罗维谨慎推测称,生命碰巧是通过氧化还原反应产生的,所以人们在寻找其他行星上的生命时会寻找它们,但是生命可能还有其他获得能量的方法——热能或者磁性过程,这些方法在一开始似乎对生命而言是不可行的,但谁知道呢?在宇宙角度来考虑,很难排除任何可能性。


  尽管如此,似乎大多数研究人员将赌注押在火星上,认为这颗红色星球很可能存在生命迹象。澳大利亚昆士兰科技大学研究员大卫·弗兰尼瑞在接受电话采访时表示,我们现在知道深层生物圈的范围很广,因此,如果过去火星上曾存在生命的话,我们有理由假设火星上也曾存在类似的生物圈。在地球上,生物很可能是从地下深处向地表进化,未来我们的火星探测车将钻入火星地壳,揭晓潜在的第二棵生命之树根源。


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