如果生物能在超临界流体中存活,那么离我们发现外星生命就不远了

超临界流体中的生命猜想

近年来随着宇宙生命学的迅速发展,人们对于外星生命的探索不再局限于在科幻小说和科幻电影中进行探讨,探索外星生命已经逐渐成为一门前沿学科。天文学、地质学、生物学、地球化学和地球物理学等众多学科都被该学科加以利用,通过对宇宙探测资料以及地球上陨石材料的全方位分析,

如果生物能在超临界流体中存活,那么离我们发现外星生命就不远了

我们能够从太阳系甚至宇宙的角度来重新审视地球上的生命。为什么地球上会存在生命?地球上的生命最初是如何产生的?为什么我们仍然还没有发现确凿的外星生命?什么样的行星上可能存在生命?

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什么样的行星可能是人类未来的家园?我们怎样才能接近这些行星?诸如此类的问题已经不再仅仅依靠我们的想象来回答,至少我们已经有能力提出一些理论假设,然后运用各种技术手段对获取的材料进行分析,从而对这些假设进行直接或者间接的验证。

与此同时,近年来人类对地球本身的探索又获得了很多重要的发现,例如在120℃的高温,或者是pH=1的强酸性水环境等一些极端环境中发现了仍然可以生活的微生物。

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这些重要的发现也让我们开始重新审视生命,并且为我们寻找外星生命提供了很好的启发。生命对环境的要求并不像我们所想的那样严格,也许在某些特殊的环境中,例如超临界流体中,生命仍然可以存在,或者在超临界流体这种特殊的溶剂之中,生命诞生之前的化学演化阶段会更加容易,从而为生命的起源提供了很好的介质。而且目前天体物理学对宇宙的观测也显示,超临界流体在宇宙中也是广泛存在的,对于这种环境中的生命形式以及生命起源之前的生物化学合成作用我们可以做出一些推测,这对于我们探索地外生命也许会有所启示。

首先来看看什么是超临界流体。

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超临界流体实际上是物质所处的一种状态,但是它既不是气态也不是液态,而是兼具两态的特征,要使物质达到这种状体就需要满足一定的温度和压力条件,专业一点的说法就是温度和压力需要超过物质的临界点。这个临界点指的就是物质的液态和气态界面消失时的温度和压力条件,而对于不同的物质这种温压条件也是不同的,例如水的临界点约为374℃和21.8mPa。二氧化碳约为31℃和7.3mPa。

超临界流体具有很多特殊的性质,主要就是其兼具气态和液态的特点:它可以像液体一样溶解其他物质,同时又可以像气体一样进行扩散,它的密度远远大于气体,但是黏度却远远小于液体。物质在临界点附近的时候,略微改变温压条件就会使物质的黏度、密度、溶解度和介电常数等物理性质发生巨大的变化,因此工业上常常通过控制温压条件使得溶剂具有某些特殊的物性,从而达到某些特定的目的。最常用的就是利用其溶解度的变化来进行萃取或者除去某些特定物质,例如科学家用二氧化碳作为溶剂在超临界状态下可以去除咖啡豆和烟草中的咖啡因。

与此同时,人们还发现在超临界流体中,一些化学反应也有很特殊的性质,特别是一些生物酶在这种特殊的介质中会具有更稳定和更高化学活性,让很多工业上的生化反应效率大大提高,具有较高的实用价值。二氧化碳是工业中最常用的超临界流体,

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因为它的临界温度较低,只有31℃,根据我们对生物新陈代谢所需温度的了解,这个温度下生物酶的稳定性应该较高。但是现有的研究已表明生物酶能够承受更高的温度,例如我国化学家曾研究过超临界二氧化碳中猪的胰脂肪酶可以在很大的温度和压力变化范围中仍然保持很高的活性,即使90度的温度下与超临界二氧化碳共存3小时后仍然保存了90%以上的活性。在研究假单孢菌脂肪酶制剂在超临界二氧化碳中的催化作用时,发现用15mPa、45℃的超临界二氧化碳处理1小时后,活性增加了20%,而在15mPa、75℃的超临界二氧化碳中,猪胰脂肪酶经过24小时之后活性增加为常温下的好几倍。

到目前为止,人类已经发现在自然界中有很多地方的物质是以超临界状态存在的。例如在金星上,

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科学家发现它致密的大气是由96.5%的二氧化碳和3.5%的氮气组成的,其表面温度达到462℃,远高于二氧化碳的临界温度,而表面压力也达到了9.3mPa,这种温压条件使得金星表面的二氧化碳就处于超临界状态。在地球上我们也已经发现了自然条件下的超临界流体,那就是深海火山口。在深海火山口附近,地球内部排出的熔岩将海水加热到375℃以上,而在深海3000米以下,压力也达到了30mPa以上,远高于海水的临界压力,这里的海水并不会沸腾,而是变成了超临界流体状态。在深海平原上,这种海底火山口是极为常见的,但是由于研究条件的限制,目前对于这种深海火山的研究还很薄弱。

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另外,还有一种被称为深海黑烟囱的海底构造,那里喷出的不是岩浆,而是地壳深部被加热过的水,以及其中溶解的大量矿物,其中以硫化物居多。令人惊奇的是在这种环境中存在着一种与地球表面完全不同的小型生态系统,那里的初级生产者不是利用光能,而是利用黑烟囱喷出的热能以及化学反应的化学能进行有机物的合成(最近又报道了一种更为奇特的细菌,它们在深海利用黑烟囱内部发出的微光进行光合作用,这种细菌也是厌氧生物。

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厌氧生物

围绕这种有机物来源形成了一个完整的生态系统,科学家在其中发现了大量令人惊奇的生命类型。虽然到目前为止黑烟囱仍然只发现于深度小于2500米的海底,没有达到水的临界压力,但是这种结果似乎与探测技术更为相关。相信随着深海探测器的进一步发展,我们会在更深的深海平原发现类似的黑烟囱,而在超临界水体中,生命将更加令人期待。

正如前面提到的那样,工业中的超临界流体的酶催化反应研究已经让我们认识到了这种特殊介质作为生物化学反应溶剂的优秀性质,但是对于一些前生命时期的精氨酸、核糖、嘌呤和密啶等基本分子在超临界流体中的反应实验还没有人进行过,从生物小分子到生物大分子的合成过程也一直是人们所困惑的问题,如果在超临界流体的合成实验中有所表现的话,势必将使我们对于生命的起源过程有更深入的理解。

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近年来人们对于海底黑烟囱的发现、岩石圈深部的极端环境生态圈以及地球早期环境研究,使得某些科学家提出了生命起源于极端环境的假说,因为那时的地球是一个温度很高,太阳辐射相对较弱的特殊环境。相对于现在这样一个温和的地球,幼年时期的地球是暴躁的,但是正是这种恶劣的环境成了孕育生命的温床。通过对地球自身极端环境的探索以及新行星的发现,我们期待在更多类似于超临界流体这样的极端环境中找到早期生命的迹象。我们现在的探索工作应该不仅仅拘泥于寻找我们所熟悉的生命形式,在对我们认为生命很难产生的环境的研究过程中,也许会让我们在宇宙中找到伙伴,而且对生命在地球上的起源和演化之路更加清晰。

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