来自太空的糖:小行星贝努的生命秘方

Space
Sugars From Space: Bennu’s Recipe for Life
科学家在小行星贝努的原始样本中发现了核糖和葡萄糖,以及盐类、磷酸盐和氨基酸。这些发现进一步完善了关于生命成分如何抵达地球的理论。

 

“这改变了一切,”科学家表示:样本中发现了什么

对 Bennu 碎片的分析揭示了丰富的化学成分。团队报告称发现了简单和复杂的有机分子、地球蛋白质所使用的 20 种氨基酸中的 14 种、DNA 和 RNA 中出现的所有五种核苷碱基、含铵化合物,以及表明古代咸水流体曾流经岩石的盐类。最新的公告将核糖和葡萄糖也列入了这一名单,并鉴定出一组蒸发岩矿物——富钠碳酸盐、硫酸盐、氯化物和磷酸盐——这些矿物指向了曾出现过液态水及随后干燥的过程。

从实际意义上讲,科学家将 Bennu 描述为一个时间胶囊。这块岩石形成于 45 亿多年前,它以坠落到地球的陨石所无法做到的方式保存了有机物和矿物特征,因为那些陨石在进入大气层期间以及着陆后往往会被污染或改变。OSIRIS‑REx 的受控样本返回以及严谨的氮气环境保存,使研究人员能够探测到否则就会丢失的脆弱盐类和挥发性有机物。

实验室侦查:科学家如何检测小行星样本

小行星物质的检测结合了细致的保存工作和一系列互补的仪器。样本在排除地球污染的洁净室中开封,并保存在氮气箱内。科学家利用 CT 扫描绘制内部结构,利用电子显微镜观察矿物纹理,利用 X 射线衍射鉴定晶相,并利用质谱法——包括与质量分析器联用的高分辨率气相和液相色谱法——来鉴定有机分子和糖类。

同位素测量和放射性成因系统(例如在相关样本上使用的镥-铪或其他同位素时钟)向研究人员揭示了蚀变的时间和元素的来源。团队还进行了受控实验,以测试检测到的分子是否可能是地球污染;当发现氨基酸、核糖或葡萄糖时,会检查它们的同位素比率(碳、氢、氮的重轻同位素比率),以评估其地外起源。

由于某些矿物极易溶解,早期的研究强调,这些脆弱的盐类之所以可见,是因为样本从未暴露在环境湿度中。正是这种保护性的监管链,让科学家现在能看到蒸发岩矿物,这些矿物指向了 Bennu 母体内部古代局部的咸水囊。

“这改变了一切,”科学家表示:这对生命起源意味着什么

在单个小行星上发现核糖、葡萄糖、核苷碱基、磷酸盐和一系列氨基酸,改变了关于地球如何获得生命原材料的讨论。这加强了这样一种观点,即小行星和彗星充当了前生命物质的运载工具——这是一套在年轻且饱受摧残的地球处于重轰炸阶段时抵达,并与早期行星化学混合的生化工具箱。

尽管如此,专家警告不要直接从化学跨越到生物学。在 Bennu 样本中尚未发现生物体,成分的存在并不等同于“食谱”已经执行。一些研究人员将 Bennu 描述为一个装满组件的储藏室,而不是烘焙蛋糕的厨房:正确的化合物可能存在,但产生自我维持生命的精确物理和化学步骤序列仍受到其他条件的限制。

然而,这一发现确实重塑了科学家对早期太阳系中前生命分子的可用性和多样性的看法。如果原始小行星内部的咸水微环境能够聚集盐类、磷酸盐和有机物,那么早在地球稳定到宜居条件之前,它们就可能成为复杂化学反应的有前途的孵化器。

这与其他的样本返回有何联系

这些 Bennu 的结果与日本“隼鸟 2 号”(Hayabusa2)从“龙宫”(Ryugu)小行星采集样本的发现相吻合,后者揭示了液态水曾流经该岩石的证据,并留下了需要后期流体运动才能形成的同位素特征。综合来看,Bennu 和 Ryugu 表明水-岩化学和有机合成并非单个天体所特有:多个原始天体都保留了湿式蚀变和复杂的有机物,尽管每个天体都记录了其表面不同的热演化史和暴露年龄。

对胚种论的启示及该主张的局限性

关于胚种论(panspermia)——即生命或其基本构件在世界之间传输的观点——在单个小行星携带如此广泛的前生命化合物时变得更具话题性。Bennu 的发现使得地球从太空接收到化学物质丰富的载荷这一假设变得合理。它们还提出了其他世界可能收到类似“投递”的可能性,从而推动了对其他行星系统中生命出现概率的估算。

但即使拥有分子的“储藏室”,跨越到产生生命的自我复制化学过程也是非同寻常的。实验室实验表明,许多产生生物聚合物的反应需要特定的能量输入、催化剂和环境。Bennu 的化学成分指明了有希望的场所——富含氨的咸水微池——此类反应在那里可能进行,但它并不能证明生命确实在那颗小行星上产生了。

为什么科学家要保留部分样本供未来使用

迄今为止,只有一小部分 Bennu 物质被分析过。团队有目的地保留了一部分藏品,以供未来的科学家和尚不存在的方法使用。这种管理方式反映了一种意识,即分析技术发展迅速;十年后可用的同位素、分子和成像技术可能会回答当前仪器无法回答的问题。

普通读者应该了解什么

核心新闻意义重大:一块地外岩石包含了地球生命使用的许多分子,包括 RNA 的糖骨架。这强化了小行星为早期地球提供了必需的前生命化学物质的模型,并表明生命的原材料在太阳系中广泛存在。然而,这并不意味着生命起源于太空,也不意味着我们发现了外星生物。相反,Bennu 的样本完善了太阳系形成时期可用的原始材料和环境,并为实验室科学家提供了新的、未经污染的材料,以测试化学如何迈向生物学。

这一发现对我们接下来的探索方向有着直接影响:对彗星的探测任务、从各种小行星带回更多样本,以及对 Ryugu 和 Bennu 物质的持续分析,都将完善行星化学演化模型。目前,这颗小行星对“在小行星样本中发现了哪些生命构建成分?”这一问题给出了更清晰的答案——而这个答案是一个丰富且出人意料的完整清单。

资料来源

  • Nature(关于小行星 Bennu 分析的研究论文)
  • NASA(OSIRIS‑REx 任务和样本保存)
  • 东北大学/Tohoku University(新闻材料和首席调查员声明)
  • 史密森尼学会/Smithsonian Institution(样本分析和保存评论)
  • 伦敦自然历史博物馆(保存和实验室研究)
James Lawson

James Lawson

Investigative science and tech reporter focusing on AI, space industry and quantum breakthroughs

University College London (UCL) • United Kingdom

Readers

Readers Questions Answered

Q 小行星样本中发现了哪些构成生命的成分?
A 贝努(Bennu)小行星样本包含了生命的基石,包括地球生命用于制造蛋白质的 20 种氨基酸中的 14 种、DNA 和 RNA 的全部五种碱基、氨、甲醛、核糖(RNA 的糖骨架)、葡萄糖,以及来自古代盐水的 11 种成盐矿物(如方解石、岩盐和钾盐)的痕迹。
Q 在小行星样本中是否发现了氨基酸或其他生命起源前分子?
A 是的,在贝努样本中发现了氨基酸——具体来说是地球蛋白质中使用的 20 种氨基酸中的 14 种,以及 DNA 和 RNA 的全部五种碱基。此外还检测到了氨、富氮有机物、核糖、葡萄糖和甲醛等生命起源前分子。
Q 这一发现对地球生命起源理论意味着什么?
A 这一发现表明,生命的原始成分在早期太阳系中广泛存在,支持了来自外层区域的小行星通过撞击将生命起源前化合物带到地球的理论。贝努发现的液态盐水证据表明,存在这些分子可以相互作用并形成复杂结构的环境,从而为生命起源铺平了道路。
Q 哪项太空任务带回了本报道中分析的小行星样本?
A 美国国家航空航天局(NASA)的 OSIRIS-REx 任务在 2020 年通过“触碰采集”(touch-and-go)方式收集了 121.6 克样本后,于 2023 年 9 月将贝努小行星样本带回地球。
Q 科学家如何测试小行星样本中与生命相关的化合物?
A 科学家通过深入的化学分析来检测矿物、有机分子、氨基酸、核苷酸和糖类,详情见于《自然》(Nature)和《自然·天文学》(Nature Astronomy)等期刊上发表的同行评议论文。这些技术可以识别在富水环境中形成的化合物,如蒸发盐和富氮有机物,从而确认生命起源前成分。

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