超臨界流體中的生命猜想

近年來隨著宇宙生命學的迅速發展，人們對于外星生命的探索不再局限于在科幻小說和科幻電影中進行探討，探索外星生命已經逐漸成為一門前沿學科。天文學、地質學、生物學、地球化學和地球物理學等眾多學科都被該學科加以利用，通過對宇宙探測資料以及地球上隕石材料的全方位分析，我們能夠從太陽系甚至宇宙的角度來重新審視地球上的生命。為什么地球上會存在生命?地球上的生命最初是如何產生的?為什么我們仍然還沒有發現確鑿的外星生命?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的家園?我們怎樣才能接近這些行星?諸如此類的問題已經不再僅僅依靠我們的想象來回答，至少我們已經有能力提出一些理論假設，然后運用各種技術手段對獲取的材料進行分析，從而對這些假設進行直接或者間接的驗證。

與此同時，近年來人類對地球本身的探索又獲得了很多重要的發現，例如在120℃的高溫，或者是pH=1的強酸性水環境等一些極端環境中發現了仍然可以生活的微生物。這些重要的發現也讓我們開始重新審視生命，并且為我們尋找外星生命提供了很好的啟發。生命對環境的要求并不像我們所想的那樣嚴格，也許在某些特殊的環境中，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演化階段會更加容易，從而為生命的起源提供了很好的介質。而且目前天體物理學對宇宙的觀測也顯示，超臨界流體在宇宙中也是廣泛存在的，對于這種環境中的生命形式以及生命起源之前的生物化學合成作用我們可以做出一些推測，這對于我們探索地外生命也許會有所啟示。

首先來看看什么是超臨界流體。超臨界流體實際上是物質所處的一種狀態，但是它既不是氣態也不是液態，而是兼具兩態的特征，要使物質達到這種狀體就需要滿足一定的溫度和壓力條件，專業一點的說法就是溫度和壓力需要超過物質的臨界點。這個臨界點指的就是物質的液態和氣態界面消失時的溫度和壓力條件，而對于不同的物質這種溫壓條件也是不同的，例如水的臨界點約為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，主要就是其兼具氣態和液態的特點：它可以像液體一樣溶解其他物質，同時又可以像氣體一樣進行擴散，它的密度遠遠大于氣體，但是黏度卻遠遠小于液體。物質在臨界點附近的時候，略微改變溫壓條件就會使物質的黏度、密度、溶解度和介電常數等物理性質發生巨大的變化，因此工業上常常通過控制溫壓條件使得溶劑具有某些特殊的物性，從而達到某些特定的目的。最常用的就是利用其溶解度的變化來進行萃取或者除去某些特定物質，例如科學家用二氧化碳作為溶劑在超臨界狀態下可以去除咖啡豆和煙草中的咖啡因。

與此同時，人們還發現在超臨界流體中，一些化學反應也有很特殊的性質，特別是一些生物酶在這種特殊的介質中會具有更穩定和更高化學活性，讓很多工業上的生化反應效率大大提高，具有較高的實用價值。二氧化碳是工業中最常用的超臨界流體，因為它的臨界溫度較低，只有31℃，根據我們對生物新陳代謝所需溫度的了解，這個溫度下生物酶的穩定性應該較高。但是現有的研究已表明生物酶能夠承受更高的溫度，例如中國化學家曾健青曾研究過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，發現用15mPa、45℃的超臨界二氧化碳處理1小時后，活性增加了20％，而在15mPa、75℃的超臨界二氧化碳中，豬胰脂肪酶經過24小時之后活性增加為常溫下的好幾倍。

到目前為止，人類已經發現在自然界中有很多地方的物質是以超臨界狀態存在的。例如在金星上，科學家發現它致密的大氣是由96.5％的二氧化碳和3.5％的氮氣組成的，其表面溫度達到462℃，遠高于二氧化碳的臨界溫度，而表面壓力也達到了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。在地球上我們也已經發現了自然條件下的超臨界流體，那就是深海火山口。在深海火山口附近，地球內部排出的熔巖將海水加熱到375℃以上，而在深海3000米以下，壓力也達到了30mPa以上，遠高于海水的臨界壓力，這里的海水并不會沸騰，而是變成了超臨界流體狀態。在深海平原上，這種海底火山口是極為常見的，但是由于研究條件的限制，目前對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造，那里噴出的不是巖漿，而是地殼深部被加熱過的水，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境中存在著一種與地球表面完全不同的小型生態系統，那里的初級生產者不是利用光能，而是利用黑煙囪噴出的熱能以及化學反應的化學能進行有機物的合成(最近又報道了一種更為奇特的細菌，它們在深海利用黑煙囪內部發出的微光進行光合作用，這種細菌也是厭氧生物)。圍繞這種有機物來源形成了一個完整的生態系統，科學家在其中發現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現于深度小于2500米的海底，沒有達到水的臨界壓力，但是這種結果似乎與探測技術更為相關。相信隨著深海探測器的進一步發展，我們會在更深的深海平原發現類似的黑煙囪，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，工業中的超臨界流體的酶催化反應研究已經讓我們認識到了這種特殊介質作為生物化學反應溶劑的優秀性質，但是對于一些前生命時期的精氨酸、核糖、嘌呤和密啶等基本分子在超臨界流體中的反應實驗還沒有人進行過，從生物小分子到生物大分子的合成過程也一直是人們所困惑的問題，如果在超臨界流體的合成實驗中有所表現的話，勢必將使我們對于生命的起源過程有更深入的理解。

近年來人們對于海底黑煙囪的發現、巖石圈深部的極端環境生態圈以及地球早期環境研究，使得某些科學家提出了生命起源于極端環境的假說，因為那時的地球是一個溫度很高，太陽輻射相對較弱的特殊環境。相對于現在這樣一個溫和的地球，幼年時期的地球是暴躁的，但是正是這種惡劣的環境成了孕育生命的溫床。通過對地球自身極端環境的探索以及新行星的發現，我們期待在更多類似于超臨界流體這樣的極端環境中找到早期生命的跡象。我們現在的探索工作應該不僅僅拘泥于尋找我們所熟悉的生命形式，在對我們認為生命很難產生的環境的研究過程中，也許會讓我們在宇宙中找到伙伴，而且對生命在地球上的起源和演化之路更加清晰。