浩瀚宇宙中, 你我皆星塵

蔣云

關(guān)于地球生命的起源這一謎題，從20世紀(jì)50年代經(jīng)典的米勒- 尤里實驗開始，科學(xué)家就提出了各種不同的假說。隨著深空探測的開展以及地面實驗技術(shù)的改進(jìn)，人類已經(jīng)取得了長足的進(jìn)步。例如，土衛(wèi)二被認(rèn)為是太陽系中最可能存在生命的地外星球之一。

近期，由中國科學(xué)家領(lǐng)銜的國際合作團隊在《美國科學(xué)院院報》上發(fā)表了一篇文章，文章模擬了土衛(wèi)二海水的化學(xué)成分，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，土衛(wèi)二厚厚的冰殼下的海洋中，可能含有豐富的溶解態(tài)磷酸根（磷是構(gòu)成生物體DNA、生物膜、骨骼等不可或缺的元素）。這一發(fā)現(xiàn)為人類未來探測土衛(wèi)二地下海洋的潛在生命增添了極大的信心。

此外，科學(xué)家們利用最新技術(shù)在一類富含水和有機物的碳質(zhì)球粒隕石中找到了目前組成地球生命遺傳物質(zhì)DNA和RNA的全部的5種堿基類型，這意味著組成“生命大廈”的“磚頭”或“基石”已經(jīng)全部在隕石中發(fā)現(xiàn)。那么這座“生命大廈”又是從何時開始規(guī)劃和建設(shè)的呢？故事還得從宇宙誕生的那一刻說起。

100億年的努力

一般認(rèn)為，約138億年前，宇宙從一個無限小的奇點通過一次大爆炸快速暴脹而成。如果把宇宙的形成時間138億年壓縮到一年365天中來看，銀河系誕生于1月15日左右；太陽系誕生于9月初；緊接著，地球形成并演化出原始生命；恐龍從出現(xiàn)到滅絕，僅持續(xù)了4天時間；人類是在最后一天的晚上10點半才出現(xiàn)的；而從我國明朝至今的歷史，僅占據(jù)了最后1秒。由此可見，在宇宙宏大的時空背景下，人類是何等的微不足道。從宇宙誕生，到地球上出現(xiàn)原始生命，這個過程持續(xù)了近100億年的時間。

生命的誕生為什么經(jīng)過了這么長的時間呢？因為世界萬物都是由化學(xué)元素組成的，這些“原材料”是在宇宙浩瀚歷史中“千錘百煉”而成的。

生命的構(gòu)成元素

地球上的生命主要是由碳（C）、氫（H）、氮（N）、氧（O）和磷（P）組成的，連同硫（S，存在于對蛋白質(zhì)形成至關(guān)重要的幾種氨基酸中）一起被簡稱為“CHNOPS”。這6種元素構(gòu)成地球生命多達(dá)97%的細(xì)胞生物量，也是現(xiàn)在宇宙中最常見的元素。它們在宇宙中的豐度分別為：碳（第四）、氫（第一）、氮（第六）、氧（第三）、磷（第十七）、硫（第九）。

這些元素是怎么形成的呢？在第一代恒星形成之前，原始宇宙中只存在宇宙大爆炸發(fā)生時形成的氫、氦和少量鋰，這些元素構(gòu)成了其他元素的基礎(chǔ)。恒星形成后，元素周期表上的絕大多數(shù)化學(xué)元素（如碳、氧、鈣等）均由恒星內(nèi)部的聚變反應(yīng)產(chǎn)生。組成許多生物酶的關(guān)鍵成分是釩、鐵、銅和鋅之類較重的金屬元素，形成于恒星核聚變末期過渡到超新星的最后階段，而質(zhì)量更高的金屬元素如鉬，則形成于超新星爆發(fā)之時。不同大小的恒星，完成生命謝幕的方式有所不同。總體來說，恒星質(zhì)量越大，壽命越短。然而，死亡不等于結(jié)束，那些死亡恒星留下的物質(zhì)開始參與到新一代恒星的形成過程中。

太陽是一顆光譜類型為G型的恒星，被認(rèn)為至少屬于第三代恒星，由大爆炸時期形成的氫、氦以及前幾代恒星死亡后留下的元素物質(zhì)組成。正是因為有了前幾代恒星在幾十億年的漫長時間里的積累，才形成了像地球這樣的巖石行星所需的重元素，以及地球生命所需要的生物元素。

碳基生命的演變

在“CHNOPS”中，碳是生命形成最關(guān)鍵的元素。眾所周知，地球生命的基本單元——氨基酸、核苷酸等是以碳元素作為構(gòu)型而來的，換句話說，地球上的生命是碳基生命。碳的最外層有4個電子，最多可以形成4個共價鍵。它既能與自身或其他元素形成穩(wěn)定化學(xué)鍵，還可以和其他碳原子組合成單鍵、雙鍵和三鍵，形成各種穩(wěn)定的二維和三維結(jié)構(gòu)。最關(guān)鍵的是，在碳和“CHNOPS”之間建立（或斷開）化學(xué)鍵所需要的能量是非常相似的，這使得碳基化合物能夠很容易地交換離子來驅(qū)動生命的代謝反應(yīng)。蛋白質(zhì)是生命的基礎(chǔ)，它們的功能取決于其三維結(jié)構(gòu)，因此蛋白質(zhì)的折疊決定了它們在細(xì)胞中的生物學(xué)功能。可以說，在40億年前地球早期的生命演變中，最關(guān)鍵的一步就是含碳有機物在空間結(jié)構(gòu)上的演變。

硅基生命的設(shè)想

在元素周期表中，硅和碳屬于同一主族元素，具有許多相似的化學(xué)性質(zhì)。與碳一樣，硅是四價的，能與自身和其他元素形成共價鍵，包括氧和氫，而且像碳一樣能夠形成長鏈聚合物和各種穩(wěn)定的二維和三維結(jié)構(gòu)。因此，在科幻作品如《星際迷航》中，就有基于硅的外星生命設(shè)想。

然而，硅基生命的形成面臨巨大的阻礙。首先是硅在水中的行為。在pH小于12的水中，硅的溶解度很低，不易發(fā)生交換反應(yīng)（這是生命形成的必需條件），而且硅化合物在水中通常也不穩(wěn)定，比如硅酮容易在水中分解，硅烷遇水會發(fā)生爆炸。更為關(guān)鍵的是，硅和氧之間的親和力極佳，即硅很容易和氧結(jié)合，形成不溶性固體二氧化硅。打破硅氧鍵需要巨大的能量，這使得硅氧四面體成為巖石行星的極佳礦物，如最常見的造巖礦物橄欖石、輝石、長石和角閃石等，這些硅酸鹽礦物構(gòu)成了固體星球的基石，但不太可能參與到生命演化當(dāng)中。

正如卡爾·薩根所說：“人體DNA中的氮、牙齒中的鈣、血液里的鐵以及蘋果派中的碳，都是在恒星內(nèi)部核聚變形成的。因此可以說，我們都是星塵。”宇宙具有138億年的時間尺度和930億光年的空間尺度，生活在地球上的我們，不過是這浩瀚宇宙中的滄海一粟、蜉蝣一瞬，所有的愛恨情仇和喜怒哀樂也不過是這一粟之起起伏伏而已——人類，沒有理由不謙卑。然而，碳基生命偏偏能化混沌為靈氣，誓以一粟之軀探索無盡宇宙之精妙——人類，又是何其偉大！

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