超臨界流體中的生命猜想

近年來(lái)隨著宇宙生命學(xué)的迅速發(fā)展，人們對(duì)于外星生命的探索不再局限于在科幻小說(shuō)和科幻電影中進(jìn)行探討，探索外星生命已經(jīng)逐漸成為一門前沿學(xué)科。天文學(xué)、地質(zhì)學(xué)、生物學(xué)、地球化學(xué)和地球物理學(xué)等眾多學(xué)科都被該學(xué)科加以利用，通過(guò)對(duì)宇宙探測(cè)資料以及地球上隕石材料的全方位分析，我們能夠從太陽(yáng)系甚至宇宙的角度來(lái)重新審視地球上的生命。為什么地球上會(huì)存在生命?地球上的生命最初是如何產(chǎn)生的?為什么我們?nèi)匀贿€沒(méi)有發(fā)現(xiàn)確鑿的外星生命?什么樣的行星上可能存在生命?什么樣的行星可能是人類未來(lái)的家園?我們?cè)鯓硬拍芙咏@些行星?諸如此類的問(wèn)題已經(jīng)不再僅僅依靠我們的想象來(lái)回答，至少我們已經(jīng)有能力提出一些理論假設(shè)，然后運(yùn)用各種技術(shù)手段對(duì)獲取的材料進(jìn)行分析，從而對(duì)這些假設(shè)進(jìn)行直接或者間接的驗(yàn)證。

與此同時(shí)，近年來(lái)人類對(duì)地球本身的探索又獲得了很多重要的發(fā)現(xiàn)，例如在120℃的高溫，或者是pH=1的強(qiáng)酸性水環(huán)境等一些極端環(huán)境中發(fā)現(xiàn)了仍然可以生活的微生物。這些重要的發(fā)現(xiàn)也讓我們開(kāi)始重新審視生命，并且為我們尋找外星生命提供了很好的啟發(fā)。生命對(duì)環(huán)境的要求并不像我們所想的那樣嚴(yán)格，也許在某些特殊的環(huán)境中，例如超臨界流體中，生命仍然可以存在，或者在超臨界流體這種特殊的溶劑之中，生命誕生之前的化學(xué)演化階段會(huì)更加容易，從而為生命的起源提供了很好的介質(zhì)。而且目前天體物理學(xué)對(duì)宇宙的觀測(cè)也顯示，超臨界流體在宇宙中也是廣泛存在的，對(duì)于這種環(huán)境中的生命形式以及生命起源之前的生物化學(xué)合成作用我們可以做出一些推測(cè)，這對(duì)于我們探索地外生命也許會(huì)有所啟示。

首先來(lái)看看什么是超臨界流體。超臨界流體實(shí)際上是物質(zhì)所處的一種狀態(tài)，但是它既不是氣態(tài)也不是液態(tài)，而是兼具兩態(tài)的特征，要使物質(zhì)達(dá)到這種狀體就需要滿足一定的溫度和壓力條件，專業(yè)一點(diǎn)的說(shuō)法就是溫度和壓力需要超過(guò)物質(zhì)的臨界點(diǎn)。這個(gè)臨界點(diǎn)指的就是物質(zhì)的液態(tài)和氣態(tài)界面消失時(shí)的溫度和壓力條件，而對(duì)于不同的物質(zhì)這種溫壓條件也是不同的，例如水的臨界點(diǎn)約為374℃和21.8mPa。二氧化碳約為31℃和7.3mPa。

超臨界流體具有很多特殊的性質(zhì)，主要就是其兼具氣態(tài)和液態(tài)的特點(diǎn)：它可以像液體一樣溶解其他物質(zhì)，同時(shí)又可以像氣體一樣進(jìn)行擴(kuò)散，它的密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于氣體，但是黏度卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于液體。物質(zhì)在臨界點(diǎn)附近的時(shí)候，略微改變溫壓條件就會(huì)使物質(zhì)的黏度、密度、溶解度和介電常數(shù)等物理性質(zhì)發(fā)生巨大的變化，因此工業(yè)上常常通過(guò)控制溫壓條件使得溶劑具有某些特殊的物性，從而達(dá)到某些特定的目的。最常用的就是利用其溶解度的變化來(lái)進(jìn)行萃取或者除去某些特定物質(zhì)，例如科學(xué)家用二氧化碳作為溶劑在超臨界狀態(tài)下可以去除咖啡豆和煙草中的咖啡因。

與此同時(shí)，人們還發(fā)現(xiàn)在超臨界流體中，一些化學(xué)反應(yīng)也有很特殊的性質(zhì)，特別是一些生物酶在這種特殊的介質(zhì)中會(huì)具有更穩(wěn)定和更高化學(xué)活性，讓很多工業(yè)上的生化反應(yīng)效率大大提高，具有較高的實(shí)用價(jià)值。二氧化碳是工業(yè)中最常用的超臨界流體，因?yàn)樗呐R界溫度較低，只有31℃，根據(jù)我們對(duì)生物新陳代謝所需溫度的了解，這個(gè)溫度下生物酶的穩(wěn)定性應(yīng)該較高。但是現(xiàn)有的研究已表明生物酶能夠承受更高的溫度，例如中國(guó)化學(xué)家曾健青曾研究過(guò)超臨界二氧化碳中豬的胰脂肪酶可以在很大的溫度和壓力變化范圍中仍然保持很高的活性，即使90度的溫度下與超臨界二氧化碳共存3小時(shí)后仍然保存了90％以上的活性。Giebauf等人在研究假單孢菌脂肪酶制劑在超臨界二氧化碳中的催化作用時(shí)，發(fā)現(xiàn)用15mPa、45℃的超臨界二氧化碳處理1小時(shí)后，活性增加了20％，而在15mPa、75℃的超臨界二氧化碳中，豬胰脂肪酶經(jīng)過(guò)24小時(shí)之后活性增加為常溫下的好幾倍。

到目前為止，人類已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在自然界中有很多地方的物質(zhì)是以超臨界狀態(tài)存在的。例如在金星上，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)它致密的大氣是由96.5％的二氧化碳和3.5％的氮?dú)饨M成的，其表面溫度達(dá)到462℃，遠(yuǎn)高于二氧化碳的臨界溫度，而表面壓力也達(dá)到了9.3mPa，這種溫壓條件使得金星表面的二氧化碳就處于超臨界狀態(tài)。在地球上我們也已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了自然條件下的超臨界流體，那就是深?；鹕娇?。在深?；鹕娇诟浇?，地球內(nèi)部排出的熔巖將海水加熱到375℃以上，而在深海3000米以下，壓力也達(dá)到了30mPa以上，遠(yuǎn)高于海水的臨界壓力，這里的海水并不會(huì)沸騰，而是變成了超臨界流體狀態(tài)。在深海平原上，這種海底火山口是極為常見(jiàn)的，但是由于研究條件的限制，目前對(duì)于這種深海火山的研究還很薄弱。另外，還有一種被稱為深海黑煙囪的海底構(gòu)造，那里噴出的不是巖漿，而是地殼深部被加熱過(guò)的水，以及其中溶解的大量礦物，其中以硫化物居多。令人驚奇的是在這種環(huán)境中存在著一種與地球表面完全不同的小型生態(tài)系統(tǒng)，那里的初級(jí)生產(chǎn)者不是利用光能，而是利用黑煙囪噴出的熱能以及化學(xué)反應(yīng)的化學(xué)能進(jìn)行有機(jī)物的合成(最近又報(bào)道了一種更為奇特的細(xì)菌，它們?cè)谏詈＠煤跓焽鑳?nèi)部發(fā)出的微光進(jìn)行光合作用，這種細(xì)菌也是厭氧生物)。圍繞這種有機(jī)物來(lái)源形成了一個(gè)完整的生態(tài)系統(tǒng)，科學(xué)家在其中發(fā)現(xiàn)了大量令人驚奇的生命類型。雖然到目前為止黑煙囪仍然只發(fā)現(xiàn)于深度小于2500米的海底，沒(méi)有達(dá)到水的臨界壓力，但是這種結(jié)果似乎與探測(cè)技術(shù)更為相關(guān)。相信隨著深海探測(cè)器的進(jìn)一步發(fā)展，我們會(huì)在更深的深海平原發(fā)現(xiàn)類似的黑煙囪，而在超臨界水體中，生命將更加令人期待。

正如前面提到的那樣，工業(yè)中的超臨界流體的酶催化反應(yīng)研究已經(jīng)讓我們認(rèn)識(shí)到了這種特殊介質(zhì)作為生物化學(xué)反應(yīng)溶劑的優(yōu)秀性質(zhì)，但是對(duì)于一些前生命時(shí)期的精氨酸、核糖、嘌呤和密啶等基本分子在超臨界流體中的反應(yīng)實(shí)驗(yàn)還沒(méi)有人進(jìn)行過(guò)，從生物小分子到生物大分子的合成過(guò)程也一直是人們所困惑的問(wèn)題，如果在超臨界流體的合成實(shí)驗(yàn)中有所表現(xiàn)的話，勢(shì)必將使我們對(duì)于生命的起源過(guò)程有更深入的理解。

近年來(lái)人們對(duì)于海底黑煙囪的發(fā)現(xiàn)、巖石圈深部的極端環(huán)境生態(tài)圈以及地球早期環(huán)境研究，使得某些科學(xué)家提出了生命起源于極端環(huán)境的假說(shuō)，因?yàn)槟菚r(shí)的地球是一個(gè)溫度很高，太陽(yáng)輻射相對(duì)較弱的特殊環(huán)境。相對(duì)于現(xiàn)在這樣一個(gè)溫和的地球，幼年時(shí)期的地球是暴躁的，但是正是這種惡劣的環(huán)境成了孕育生命的溫床。通過(guò)對(duì)地球自身極端環(huán)境的探索以及新行星的發(fā)現(xiàn)，我們期待在更多類似于超臨界流體這樣的極端環(huán)境中找到早期生命的跡象。我們現(xiàn)在的探索工作應(yīng)該不僅僅拘泥于尋找我們所熟悉的生命形式，在對(duì)我們認(rèn)為生命很難產(chǎn)生的環(huán)境的研究過(guò)程中，也許會(huì)讓我們?cè)谟钪嬷姓业交锇?，而且?duì)生命在地球上的起源和演化之路更加清晰。