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2024-04-09 08:31:41
生命是如何起源的？来自太阳的高能粒子或许是关键
摘要：来自太阳的高能粒子或许是关键！
作者：原理
审核：陶宁（中科院生物物理研究所副研究员）
地球上的生命，是如何开始的？这是现代科学最大的谜团之一。
大约45亿年前，当地球刚刚形成时，它还是一个贫瘠的岩石球，频繁遭受陨石的撞击，布满了喷发的火山。根据地球物理和现有化石记录，科学家推测在45亿到38亿年前的冥古宙时期，地球上就已经发展出了适合生命生存的条件。但是，我们一直无法知道的是，究竟是怎样的环境条件，导致当时出现了复杂的化学性质。
早期地球的艺术构想图。（图/NASA）
早期的生命起源理论
在探索生命起源的过程中，一个最广为人知的实验被称为米勒-尤里实验。1952年，芝加哥大学的米勒（Stanley Miller）和诺奖得主尤里（Harold Urey）进行了一项实验，他们向一个封闭的玻璃容器内注入水、氨、氢和甲烷，以此来模拟被认为是地球早期的大气环境。然后，他们向容器中反复接通电火花，以此来模拟闪电。
一周后，他们发现容器内形成了甘氨酸、丙氨酸和天冬氨酸。而我们知道，氨基酸是蛋白质和所有细胞生命的原料。1953年，米勒和尤里正式发表了这次的实验结果，这些结果一经发布便产生了巨大的影响力。它表明生命出现所必需的复杂有机分子，可以从早期地球大气中的一些基本成分形成。许多科学家因此相信，生命起源于这样一种富含生命的基本分子的“原始汤”中，也就是达尔文笔下的那个“温暖的小池塘”。
然而，生命起源的答案没有这么简单。在过去的70年里，陆续出现的一些新发现，让这一解释变得迷雾重重。一个主要的问题之一是，科学家发现，在地球的早期大气中，氨和甲烷的含量远没有之前以为的那么丰富，相反，早期的地球大气中充满的是二氧化碳和氮气。虽然二氧化碳和氮气也能产生氨基酸，但这两种分子的分解需要更多能量，而且产生的氨基酸数量也会大大减少。
更高效的能量来源
那么，还有什么事件能为这些分子的分解提供能量呢？2023年4月28日，在一项发表于《生命》杂志的新研究中，科学家在分析NASA的“开普勒计划”所收集到的数据时，发现了形成氨基酸的一种全新来源：来自太阳的高能粒子！
我们知道，太阳和所有其他的恒星一样，也是有生命周期的。在其一生中的，它的亮度、大小都会有所变化。2016年的一项研究表明，大约40亿年前，太阳的亮度大概只有如今的四分之三。尽管年轻的太阳要比现在昏暗，但它的表面因巨大的喷发而动荡不安，经常产生强大的“超级耀斑”，也就是巨大的光和辐射暴。这样的超级耀斑通常伴随着向太空中喷发巨大的日冕物质抛射。
太阳爆发事件，它包括太阳耀斑、日冕物质抛射和太阳高能粒子事件。（图/NASA's Goddard Space Flight Center）（动图：https://www.nasa.gov/science-research/heliophysics/a-stormy-active-sun-may-have-kickstarted-life-on-earth/）
在现如今，如此强大的超级耀斑要每隔百年左右才会爆发一次。但一旦发生，就会对现代科技，比如电网、卫星、通讯、导航等产生重大的影响。然而，在40亿年前，超级耀斑每隔几天就会爆发一次，因此它们会向外发射出大量以接近光速运动的粒子。这些高能粒子会冲向地球的大气层，引发化学反应。
在新研究中，为了检验这些来自太阳的高能粒子是否是产生氨基酸的能量来源，研究人员创造出符合我们现在对早期地球大气的理解的气体混合物。不过，由于目前尚不明确地知道地球早期大气中的甲烷含量，只知道应该很少，他们将不定量的少量甲烷与二氧化碳、分子氮、水混合在一起。
接着，在实验中，他们向气体混合物发射质子，以此来模拟太阳的高能粒子。与此同时，他们也通过接通电火花放电点燃气体混合物，来模拟闪电。
实验结果表明，当甲烷的比例超过0.5%，用质子（也就是太阳粒子的模拟物）撞击过的气体混合物就能产生可探测数量的氨基酸。但是通过电火花放电（也就是闪电的模拟物）形成氨基酸，则需要甲烷浓度达到大约15%才能实现。
而且即使甲烷含量达到15%，电火花放电产生氨基酸的速度也只有质子的百万分之一。不仅如此，与电火花放电相比，质子撞击也更倾向于产生更多的羧酸，也就是氨基酸的前体。如此看来，在其他条件相同的情况下，太阳粒子似乎是一种比闪电更高效的能源。
当然，这项研究并没有为生命起源之谜画上句点。生命的起源是一个宏大而复杂的命题，我们很难精确地描述这一切是从何发生、又是如何发生的。我们能做的只有不断地探索，寻找那个最贴切的可能性，来还原那个创造了地球上数以万亿计的物种的起点。
论文链接：
https://www.mdpi.com/2075-1729/13/5/1103
本文为科普中国·星空计划扶持作品
作者：原理
审核：陶宁 中科院生物物理所 副研究员
出品：中国科协科普部
监制：中国科学技术出版社有限公司、北京中科星河文化传媒有限公司
