隕石中首次發(fā)現(xiàn)生命起源線索

南方周末特約撰稿 鞠強(qiáng)

生命如何起源是當(dāng)代科學(xué)最大的謎團(tuán)之一，這個問題的答案關(guān)系到人類對自己以及地球生命在宇宙中的位置的認(rèn)識。長期以來，科學(xué)家對這個問題進(jìn)行了深入研究。此前有科學(xué)家主張伴隨隕石來到地球的地外有機(jī)物在地球生命起源的過程中發(fā)揮了關(guān)鍵作用，但這個理論尚缺少一些關(guān)鍵證據(jù)的支撐。

一項最新研究為這個理論提供了重要的證據(jù)。2019年11月18日，來自日本東北大學(xué)和美國國家航空航天局戈達(dá)德太空飛行中心等機(jī)構(gòu)的研究人員在《美國國家科學(xué)院院報》（PNAS）上發(fā)表論文，宣布他們在隕石中檢測到核糖和其他生命必需的糖類。這是科學(xué)家首次在隕石中檢測出這些物質(zhì)，有望成為揭示生命起源之謎的重要線索。

隕石帶來的“禮物”

這個研究小組對三塊富含碳元素的隕石進(jìn)行了研究，并在其中兩塊隕石中發(fā)現(xiàn)了生命必需的糖類。隕石根據(jù)組成物質(zhì)和來源的不同分為多種類型，這兩塊隕石分別是屬于CR2型的編號為NWA 801的隕石和屬于CM2型的默奇森隕石（Murchison meteorite）。NWA 801號隕石于2001年在摩洛哥被發(fā)現(xiàn)，重量為5千克；默奇森隕石于1969年在澳大利亞默奇森附近被發(fā)現(xiàn)，質(zhì)量超過100千克。默奇森隕石是被研究得最充分的隕石之一，科學(xué)家對這塊隕石感興趣的主要原因除了它質(zhì)量大以外，還因為這塊隕石富含有機(jī)物，而且墜落過程被目擊到。

研究人員使用一種被稱作氣相色譜法—質(zhì)譜法聯(lián)用的技術(shù)對隕石的粉末狀樣品進(jìn)行分析。這種技術(shù)可以通過分子的質(zhì)量和電荷來對分子進(jìn)行鑒別，在天體化學(xué)和天體生物學(xué)中有廣泛的應(yīng)用。除了用于實驗室分析外，在對火星、金星、土衛(wèi)六和丘留莫夫－格拉西緬科彗星的探測中，探測器上都裝備了使用這種技術(shù)的分析設(shè)備。依靠這種技術(shù)，研究人員在兩塊隕石上發(fā)現(xiàn)了核糖、阿拉伯糖和木糖，并且測定了這些糖分的含量。他們發(fā)現(xiàn)在NWA 801中糖的含量為十億分之2.3~11，而在默奇森隕石中糖的含量為十億分之6.7~180。

在此之前，科學(xué)家已經(jīng)在隕石中檢測出一系列地外有機(jī)物。比如，2001年，美國國家航空航天局艾姆斯研究中心的喬治·庫珀（George Cooper）領(lǐng)導(dǎo)的研究小組曾在《自然》（Nature）上發(fā)表論文，宣布他們在碳質(zhì)隕石上發(fā)現(xiàn)了多元醇，并推測隕石可能是早期地球有機(jī)物的來源。他們當(dāng)時也分析過默奇森隕石。

這項最新研究的領(lǐng)導(dǎo)者、日本東北大學(xué)的古河佳廣（Yoshihiro Furukawa）表示，此前發(fā)現(xiàn)的生命的組成成分包括構(gòu)成蛋白質(zhì)的氨基酸以及作為脫氧核糖核酸（DNA）和核糖核酸（RNA）成分的核堿基，但糖類卻一直是拼圖中缺失的一塊。對隕石中的糖類進(jìn)行鑒別和分析是一項非常困難的工作，研究人員在過去很長一段時間里一直在探索分析隕石樣品中糖類的技術(shù)，直到這個研究小組建立了這種方法。

這項研究首次提供了太空中存在核糖并且被送到地球上的直接證據(jù)。這個發(fā)現(xiàn)支持了此前的一個猜想，即在隕石的母體——小行星上發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)可能制造出生命的一些組成成分。在地球早期階段，隕石對地球的撞擊會帶來這些有機(jī)物，從而推動了地球上生命的起源。

戈達(dá)德太空飛行中心的杰森·德沃金（Jason Dworkin）是這篇論文的共同作者之一，他認(rèn)為能夠在隕石中檢測到像核糖這樣脆弱的分子是非常令人振奮的，這些結(jié)果可以指導(dǎo)我們?nèi)シ治鋈∽孕⌒行堑脑紭悠贰?/p>

目前，日本和美國正在各自實施從小行星取樣的計劃。2014年12月3日，日本的隼鳥2號（Hayabusa2）探測器發(fā)射升空。2015年，隼鳥2號任務(wù)的目標(biāo)小行星被命名為“龍宮”（Ryugu）。2018年9月22日，隼鳥2號釋放的兩臺機(jī)器人探測器在龍宮表面成功著陸，探測器在龍宮表面移動并傳回影像，實現(xiàn)了探測器首次成功在小行星表面著陸。2019年11月12日，隼鳥2號攜帶龍宮的樣品開始返回地球的旅程，預(yù)計在2020年返回地球。

美國國家航空航天局于2016年9月8日發(fā)射了歐西里斯號（OSIRIS-REx）小行星探測器，它的目的地是小行星貝努（Bennu）。歐西里斯號目前已經(jīng)到達(dá)貝努，預(yù)計在2021年離開貝努。2023年，歐西里斯號會返回地球并帶回貝努的樣品。這是隼鳥2號后第二個帶回小行星樣品的計劃。

啟動生命的鑰匙

核糖是組成RNA的關(guān)鍵成分。在現(xiàn)代生命中，RNA起到的是信使的作用，將DNA中的基因指令傳遞給細(xì)胞中的核糖體。核糖體又被稱作分子工廠，可以讀取RNA的信息，并制造生命過程所必需的特定蛋白質(zhì)。

在生命起源的謎團(tuán)中，一個令科學(xué)家感到困惑的問題是生命如何從非生物的化學(xué)過程中產(chǎn)生。DNA是生命的模板，攜帶著生命體的遺傳指令。而RNA和DNA一樣，也可以攜帶信息。很多研究人員認(rèn)為RNA最早開始演化并在隨后被DNA所替代，原因在于RNA分子具備DNA分子缺少的一些能力。RNA可以不依靠其他分子而自我復(fù)制，還可以作為催化劑啟動或者化學(xué)反應(yīng)。

科學(xué)家關(guān)于地球早期生命產(chǎn)生的研究由來已久。早在20世紀(jì)50年代，斯坦利·米勒（Stanley Miller）和哈羅德·尤里（Harold Urey）領(lǐng)導(dǎo)的米勒—尤里實驗就試圖對早期地球環(huán)境進(jìn)行模擬，從而研究從無機(jī)物合成有機(jī)化合物的可能性。1986年，諾貝爾化學(xué)獎得主沃爾特·吉爾伯特（Walter Gilbert）提出了“RNA世界學(xué)說”，指出RNA是最早的生物大分子。但是，RNA是否是啟動地球生命的開關(guān)，卻仍然存在爭議。這項新的研究提供了證據(jù)來支持這種可能性，來自地外的糖類可能有助于RNA出現(xiàn)在還沒有生命的地球上，并先于DNA參與到地球的生命機(jī)制中。

這篇論文的共同作者之一、戈達(dá)德太空飛行中心的丹尼·格拉文（Danny Glavin）表示，在這項研究分析的所有隕石中都沒有檢測到DNA中的糖，這說明在地球早期階段，到達(dá)地球的地外核糖中可能只有構(gòu)成RNA的核糖，這與RNA首先在地球上出現(xiàn)的假設(shè)相符。

這個研究小組經(jīng)過非常謹(jǐn)慎的研究才得出這個結(jié)論。他們要考慮這樣一種可能性，就是隕石中的糖分只是來自于地球生命造成的污染。不過，多方面的證據(jù)都顯示污染的可能性可以被排除。比如，研究人員使用了同位素分析的方法。在同一種元素的所有同位素中，原子核內(nèi)質(zhì)子數(shù)相同而中子數(shù)不同，這就造成同位素原子的質(zhì)量存在一定的差異。碳（C）是地球上生命不可或缺的元素，而在碳的兩種同位素中，地球生命更多使用較輕的碳（12C）而不是較重的碳（13C）。但是在對隕石上發(fā)現(xiàn)的糖類的測量中，研究人員發(fā)現(xiàn)13C的含量顯著地多于12C，這是地球生命不具有的特征，因此排除了隕石的糖分是被地球生命污染的可能。

美國國家航空航天局約翰遜太空中心向這個研究小組提供了更多的隕石樣品。這個小組計劃對這些隕石進(jìn)行分析，從而更好地了解來自地外的糖類的性質(zhì)。同時，他們還計劃研究地外糖類的手性。有些分子的兩種形態(tài)彼此呈鏡像，像我們的雙手一樣，這兩種形態(tài)分別被稱為左手性和右手性。在地球上，生命傾向于使用左手性的氨基酸和右手性的糖。但是，這二者的鏡像——右手性的氨基酸和左手性的糖也可能起到相同的作用，因此科學(xué)家希望了解地球生命的這種偏好是如何產(chǎn)生的。如果小行星上的化學(xué)反應(yīng)的產(chǎn)物也是一種形態(tài)多于另一種，那么在地球的早期，隕石撞擊地球帶來這些產(chǎn)物，也會使得地球上一種形態(tài)多于另一種。結(jié)果就是地球生命在演化的過程中，傾向于選擇數(shù)量更多的一種。

在未來的研究中，科學(xué)家希望通過分析更多隕石找到地外有機(jī)物的蛛絲馬跡；同時，隼鳥2號和歐西里斯號帶回地球的樣品將會為科學(xué)家提供寶貴的第一手材料，幫助他們深入了解小行星上的化學(xué)反應(yīng)過程及產(chǎn)物。