科學也可以如此靠近

矽基、氨基、還是不同的手性,外星生命會是怎樣的?

5月
14
2019

2019年5月14日06時 今日科學 紅葉說

紅葉說

地球上的所有生命,也就是我們在宇宙中已觀測到的所有生命,它們都具有一些相似的基本特徵。它們的分子結構都是由碳構成的,即都是碳基生命。它們依靠水作為溶劑,以促進化學反應。並且,它們都使用DNA或RNA作為自身的藍圖。

我們能找到的大多數含碳化合物都被稱為有機化合物,碳是地球生命的化學基礎。碳可以與許多分子結合,形成足夠龐大的結構,使之具有生物學上的相關性,而且碳鍵既強又穩定。另外,生命也都依賴於水和DNA或者RNA。

然而,這些生命特徵只是出現在地球上,如果宇宙中的其他星球上存在外星生命,並不意味著它們也會像地球生命那樣依賴於碳和水。事實上,我們可以很容易地想像不同的星球環境,在那裡可以存在其他形式的生命。那麼,宇宙中可能存在的外星生命會是怎樣的呢?它們與地球生命會有什麼不同呢?

矽(Si)

矽是構成計算機晶片和電路的元素,它們也可能構成外星生命的化學基礎,這就是所謂的 矽基生命。碳可以同時與四個原子成鍵,與氧結合,形成聚合物鏈,這使得碳成為複雜的生命化學的理想選擇。作為與碳同族的元素,位於元素周期表中碳元素的下方,矽也具有碳的這些特性。

儘管有這些特性,但矽作為生命的化學基礎仍然相當有限。矽只能與有限數量的其他元素形成穩定的化學鍵;它的聚合物非常單一,限制了它所能形成生命所需的複雜化合物;而且矽的化學過程在水環境中是不穩定的。

還有一個問題,當碳氧化時,它會形成二氧化碳。二氧化碳在-57 ℃以上呈現為氣體,很容易被排出去。當矽氧化時,它會形成二氧化矽。二氧化矽就是石英和沙子的主要成分,其沸點高達2230 ℃。這種固體廢物很難排放出去,它們將對矽基生命構成嚴重的威脅。想像一下,矽基生命每次呼吸時都會排泄出一顆顆沙子。

不過,在一定條件下,矽基化學可能比碳基化學更適合生命存在。與碳基生物相比,矽基生物的耐輻射和耐高溫能力更強,所以它們可以在碳基生命無法生存的惡劣環境中生存。

另外,矽基化學也更適合于海洋生命,例如,液氮、甲烷、乙烷,這些物質通常不參與地球生命的生物化學過程。而在宇宙中,存在不少類似環境的星球,我們的太陽系中就有這樣的例子——土星最大的衛星——土衛六,它的表面上可能存在不少的液態甲烷和乙烷湖,甚至還有可能存在生命。

氨(NH3)

地球生命所依賴的大部分化學反應都發生在水環境中,因為水是一種良溶劑,可以溶解許多分子。可以想像,擁有一種良溶劑是產生生命所需化學物質的先決條件。

就像水一樣,氨在宇宙中(至少在銀河系中)也很常見。氨不但能溶解水可以溶解的有機化合物,而且它還能溶解水無法溶解的金屬化合物,這為在生物中出現一些更特別的化學反應開闢了可能。

然而,氨在氧氣存在下是易燃的物質;氨比水的表面張力要低得多,因此很難把生命起源以前的原始分子長時間地結合在一起;並且氨的熔點和沸點均遠低於水,分別為-78 ℃和-33 ℃。因此,氨基生物的化學反應會慢得多,所以它們的新陳代謝和進化也會慢得多。不過,這種情況是基於地球的大氣壓。如果其他星球上的氣壓高於地球,那麼,氨的熔點和沸點都會升高,所以氨基生物的化學反應不見得就會很慢。

與地球生命不同,氨基生命可以存在於所謂的恆星宜居帶(即液態水存在的範圍)之外。例如,土衛六表面下可能蘊藏著大量的氨,儘管這顆天體遠在太陽系的宜居帶之外,但它也可能擁有生命。不少天體生物學家相信,土衛六是太陽系中可能存在其他生命形式的星球。

不同的手性

正如一個人可以是左撇子或右撇子一樣,有機分子也具有手性的現象。手性分子無法與其鏡像重合,對應的手性分子被稱為對映異構體。

不過,生命不知為何最終只使用了其中一種手性分子。例如,地球生命中的胺基酸是左旋的,而RNA和DNA中的糖是右旋的。為了讓這些分子相互作用,它們必須具有正確的手性。如果蛋白質鏈是由混合手性胺基酸組成的,它們根本就不起作用。然而,與地球上的生命所使用的左旋胺基酸相反,由右旋胺基酸構成的蛋白質鏈也會非常有效。地球上所有的生態都依賴於手性原則,例如,我們需要食用適當的手性食物。

如果外星生命存在,它們可能會進化為使用與地球生命相反的手性分子。這種外星生命從根本上類似於地球生命——以碳為骨架,以水為溶劑。不過,如果這種外星生物吃掉了地球上的生物,「反向」糖會讓它們難以消化,外星病毒也無法與地球生命的細胞結合。反之亦是如此,地球生命也難以威脅到這種外星生命。

另外,地球上也有不吃手性食物的生物,比如藍藻。如果外星微生物也是如此,那它們可以想吃多少就吃多少,無限繁殖,並且永遠不會受到捕食者的控制,因為它們本身具有錯誤的手性。倘若這種外星微生物來到地球上,它們將會大肆破壞地球上的食物鏈。

雖然上述所列舉的生命形式並不是宇宙中僅有可能的存在,但它們是最有可能的存在。就目前所知,以碳和水為基礎的生命可能是宇宙中最常見的生命形式。但我們只研究過一個例子,那就是地球上的生命。如果未來能在其他星球上發現外星生命,我們將會對生命的起源有更深入的了解。


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