地球上的生命是如何开始的？大气雾霾可能是关键

由卡西尼号在2014年4月7日获得的原始图像合成的土卫六彩色图像。学分:uux.cn/美国国家航空航天局/JPL-加州理工学院/SSI/J. Major

（神秘的地球uux.cn）据《今日宇宙》（劳伦斯·托格内蒂）：《行星科学杂志》最近接受了一项研究，该研究目前发布在arXiv预印本服务器上，研究了地球最初形成到5亿年后存在于地球上的有机雾霾（也称为Hadean geologic eon）可能包含生命所需的必要组成部分，包括核酸碱基和氨基酸。这项研究不仅有可能帮助科学家更好地了解早期地球的条件，还可能帮助科学家了解土星最大的卫星土卫六上的相同条件是否也能产生生命的组成部分。

在这里，《今日宇宙》与约翰·霍普金斯大学莫顿·k·布劳斯坦地球与行星科学系博士后研究员、该研究的主要作者本·k·d·皮尔斯博士讨论了最近的这项研究，内容涉及该研究的发现、潜在的后续研究、美国国家航空航天局即将前往土卫六的蜻蜓任务以及他是否认为土卫六上存在生命。

皮尔斯博士告诉《今日宇宙》，过去涉及卡尔·萨根的实验室研究发现，使化学反应发生的最高稀释度（或添加水等溶剂）为100微摩尔，即大约百万分之十（ppm）。他说，如果稀释度太大，化学混合物中的分子将无法找到彼此。

“毕竟，早期地球是一个朦胧的地方，很像土星的卫星泰坦，”皮尔斯博士告诉《今日宇宙》。“这是因为40多亿年前，地球有一个富含氢、甲烷和氮的大气层，类似于土卫六！这些雾霾颗粒的有趣之处在于，它们本质上是生物分子雪花，也就是说，生命构建模块的大聚合体结合在一起。当这些粒子在40多亿年前沉降到地球表面并落入池塘时，化学键就会断裂，你就可以得到一个富含生命建筑材料的池塘。我们想知道这种来源是否可以超过池塘中100微摩尔的阈值，这种浓度足以让它们发生反应并开始形成核糖核酸（RNA）等第一个信息分子的过程。”

在这项研究中，研究人员在实验室环境下创造了含有0.5%至5%甲烷的有机雾霾，并使用气相色谱/质谱仪（GC/MS）分析了雾霾中的微量氨基酸和核酸碱基。此外，他们还将样品加热到200°C（392°F），以模拟样品搁置在不适宜居住的表面上。然后，研究小组将他们的结果与计算机模型进行比较，以研究在相同环境中可能出现的核酸碱基数量。

皮尔斯博士告诉《今日宇宙》:“当我们模拟有机雾霾中的核碱基浓度时（利用我们的实验数据），我们发现这种来源可能是迄今为止我们模拟的最丰富、最持久的来源。”“提醒一下，我们迄今为止研究的所有来源（陨石、行星际尘埃和大气HCN）的浓度都低于100微摩尔；然而，现在我们终于找到了突破这一门槛的源头。”

最终，研究小组发现，在地球上的“温暖的小池塘”中，核酸碱基可能存在于Hadean地质时期。通过加热实验，研究小组确定这种样本无法在高温表面存活。最后，他们得出结论，有机烟雾只能在古老地球上富含甲烷的大气中产生生命的组成部分，“但不会丰富到创造一个不适于居住的表面，”皮尔斯博士在《今日宇宙》杂志上指出。鉴于这些令人难以置信的发现，正在进行或计划进行哪些后续研究？

“我目前正在建造一个新的实验装置，将用于我在普渡大学地球、大气和行星科学系的实验室，该实验室将于2024年秋季开放，”皮尔斯博士告诉《今日宇宙》。“这个实验室被称为起源和天体生物学研究实验室。这项实验将允许我的新研究小组同时模拟早期地球的大气化学（例如HCN和有机霾的产生）和池塘化学。我们最初的目标将是利用这一点来演示在模拟早期地球环境中产生生命的第一个信息分子，如RNA .”

这项研究正值美国国家航空航天局计划将其蜻蜓任务发送到土卫六，该任务目前计划于2028年7月发射，并于2034年在“香格里拉”沙丘地带着陆。蜻蜓是一架四轴飞行器，其目标是在土卫六周围“跳跃”寻找土卫六潜在宜居性的证据，目前计划的任务时间表为10年，其中科学阶段为3.3年它的科学有效载荷将由质谱仪、伽马射线和中子光谱仪、地球物理学和气象学包以及一套显微镜和全景相机组成。

蜻蜓计划在泰坦日运行，并在夜间停留在地面上，每次持续大约8个地球日或192小时。目前的假设是，蜻蜓单次电池充电能够飞行16公里（10英里），其电池由多任务放射性同位素热电发电机（MMRTG）组成，可在夜间充电。MMRTGs在太空任务中有着成功的历史，因为它们目前被用于为美国国家航空航天局的好奇号和毅力号火星车提供动力。但是蜻蜓将如何贡献或反驳这项研究的发现呢？

皮尔斯博士告诉《今日宇宙》，“鉴于土卫六上有成吨的有机霾，我们可以预计其表面含有保存下来的有机霾颗粒，这些颗粒富含生命的组成部分。蜻蜓将包含一个质谱仪，并将能够表征这些粒子中的生命组成部分，以潜在地验证我们的实验室研究。”

土卫六有着丰富的探索历史，几十年来无数的航天器让我们对这个神秘的世界有了更深入的了解，它不仅是整个太阳系中第二大卫星，也是唯一一个拥有厚厚大气层的卫星。虽然美国国家航空航天局的先锋11号、旅行者1号和旅行者2号飞船上的相机由于月球浓厚而朦胧的大气层而无法拍摄土卫六的表面，但美国国家航空航天局的卡西尼号飞船首次成功地使用其红外相机拍摄了土卫六的表面。正是这些图像证实了先前的假设，即土卫六拥有液态甲烷和乙烷湖，它们只能在极冷的温度下存在，土卫六的表面温度为–179°C（–290°F）。

卡西尼号携带了欧洲航天局的惠更斯探测器，该探测器与轨道航天器分离并降落在土卫六表面，发回了只能在液态条件下形成的圆形岩石的表面特征。但是，考虑到土卫六可能与早期地球相似，有甲烷大气层和液态湖泊，我们会在土卫六上发现生命吗？

皮尔斯博士在接受《今日宇宙》采访时表示:“土卫六上唯一的宜居环境位于地表深处，如果没有钻头或间歇泉向地表喷出物质，就不容易到达那里。”“因此，我不确定未来几十年我们是否会把目光投向蜻蜓以外的最佳地区。我也很难想象土卫六上的生命起源，因为我们目前最好的假设涉及池塘的干湿循环，而这在-180摄氏度的土卫六上是不可能的。然而，如果我在过去十年里从科学中学到了什么，那就是我们经常被新的发现证明是错误的，我绝对欢迎它！看看总是更好，以防万一。”