找到這種最惡臭、最毒的分子,就找到了外星生命
2019年12月28日10:52

  文章來源:原理

  磷化氫(PH₃)可能是地球上最臭、最毒的氣體了,它存在於一些最肮髒的地方,比如企鵝的糞便堆裡,或者沼澤深處,甚至在一些獾和魚的內臟里。這種腐爛的“沼氣”高度易燃,能與大氣中的微粒發生反應。

  磷化氫分子由一個磷原子和三個氫原子組成,這兩種原子通常並不容易聚集在一起,因此磷化氫分子的形成需要大量的能量。20世紀70年代,科學家在木星和土星的大氣中發現了磷化氫。科學家推測,在這類氣態巨行星上的極端環境可以為這兩種原子克服彼此之間的天然排斥提供巨大能量,使它們能自發地聚集在一起形成磷化氫。

○ 地球上已知的具有惡臭和毒性的磷化氫分子。如果在附近的系外行星上發現,它或許就意味著有外星生命存在。| 圖片來源:NASA & MIT
○ 地球上已知的具有惡臭和毒性的磷化氫分子。如果在附近的系外行星上發現,它或許就意味著有外星生命存在。| 圖片來源:NASA & MIT

  磷化氫是一種有毒的分子,地球上的大多數生命,尤其是所有需要氧或呼吸氧氣的生物幾乎都不想和這種分子搭上什麼關係,這些生物既不會生產磷化氫,也不需要依賴它生存。

  然而在一項新的研究中,麻省理工學院(MIT)的研究人員發現了能夠產生磷化氫的生命形式——厭氧生物。厭氧生物可以在不需要依靠氧氣的情況下大量繁殖。通過篩查和驗證,研究人員發現磷化氫只能通過這些極度厭氧的生物才能產生。這一特徵使得磷化氫成為一種純粹的生物標誌(至少對某種生命來說)。這一結果被發表在了近期的《天體生物學》雜誌上。

  MIT的科學家Clara Sousa-Silva是這篇論文的第一作者,她與同事一直在為有望成為生物標誌的分子建立數據庫。他們已經收集了超過16000個候選分子,磷化氫是其中之一。這些分子中的絕大多數還沒有被完全定性,也就是說即便科學家在系外行星的大氣層中發現它們中的任何一個,仍無法知道這些分子代表的是生命的跡象還是別的什麼。而在這篇新的論文中,他們確切地給出結論:如果在岩石行星上發現磷化氫分子,則必然意味著那裡存在著某種生命。

○ 在系外行星的大氣中搜索生命標記的Clara Sousa-Silva。| 圖片來源:Melanie Gonick
○ 在系外行星的大氣中搜索生命標記的Clara Sousa-Silva。| 圖片來源:Melanie Gonick

  這個結論並非輕易得出的。早在10年前,Sousa-Silva就已經開始研究這種散發著惡臭的有毒氣體。在倫敦大學學院(UCL)攻讀博士學位的過程中,她確定了磷化氫的光譜信息——找到了會被磷化氫吸收的光的確切波長,確定了只要有這種氣體存在於大氣中,那麼相應的大氣數據中就不會出現這種波長。

  從那時起,她便開始思考:除了在氣態巨行星的極端環境中產生,地球上的生命也能產生磷化氫嗎?

  在結束博士生階段後,她前往MIT,與MIT的同事一起尋找這個問題的答案。他們首先研究了磷化氫的性質,以及它與其他分子在化學上的區別。此外,他們收集任何與在地球上檢測到了磷化氫有關的信息,結果發現,任何沒有氧氣的地方都有磷化氫,比如沼澤、濕地、湖泊沉積物,以及所有東西的屁和腸道中。這一規律讓她豁然開朗,這讓她意識到,對於喜氧生物具有毒性的磷化氫,對於厭氧生物或許就是美好的存在。

  於是,她將磷化氫與厭氧生物結合在了一起,並相信這種分子可以是一種生物標誌。為了驗證這一觀點,他們首先檢查了是否有生命之外的其他物質可以產生磷化氫。他們在各種極端的環境下研究磷是否能以某種非生物方式轉化成磷化氫。

  在經過幾年的深入研究之後,他們發現只有生命才能產生可被檢測到的磷化氫。這代表檢測到磷化氫意味著一個確切的生命跡象。

  隨後,他們探索了這種分子是否可以在系外行星的大氣層中被探測到。他們模擬了理想的、缺氧的類地系外行星大氣層,在模擬中輸入了不同的磷化氫產生速率,然後推斷出在給定的磷化氫生產速率下,大氣光譜將會呈現出的樣貌。

  他們的結果顯示,如果某顆岩石行星上的磷化氫產量大致與地球上的甲烷產量相似,且這顆行星位於距離地球大約16光年之內的位置,那麼就能產生能被詹姆斯·韋伯太空望遠鏡(JWST)等新一代望遠鏡探測到的信號。

  Sousa-Silva介紹說,新的研究結果除了確定了在尋找外星生命的過程中,可以把磷化氫列為一個確切的生物標記之外,還為所有從事相關研究的科學家提供了一個可用於確定其他16000多個候選生物標記中的方法。她呼籲科學界加強對篩選這些候選分子方面的投入,使這類研究成為較為優先的重點項目。因為如果我們一旦能確定某些信號是只有生命才能發出的,那對我們來說無疑是挖掘到了一座巨大的寶藏。

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