浩瀚宇宙中 你我皆星尘

行走的蜗牛_

关于地球生命起源何处这一谜题，从上世纪五十年代经典的米勒-尤里实验开始，科学家们提出了各种不同的假说（地球生命从何而来？）。随着深空探测的开展以及地面实验技术的改进，人类已经取得了长足的进步。
例如，土卫二被认为是太阳系中最可能存在生命的地外星球之一。近期中国科学家领衔的国际合作团队在美国科学院院报上发表了一项工作，文章模拟了土卫二海水的化学成分，结果发现土卫二表面厚厚的冰壳之下隐藏着的海洋中，可能含有丰富的溶解态磷酸根（磷是一种构成生物体DNA、生物膜、骨骼等不可或缺的元素）。这一发现揭示了这颗冰卫星的生命宜居潜力

[1]

，为人类未来探测冰卫星地下海洋的潜在生命增添了极大的信心。


土卫二冰壳之下的海水交代核部岩石释放大量生命所需的磷示意图 丨 图源：中国科学技术大学
此外，科学家们利用最新技术（采用冷水而不是高温甲酸提取），在一类富含水和有机物的碳质球粒陨石中找到了目前组成地球生命遗传物质DNA和RNA的全部的五种碱基类型，这意味着组成“生命大厦”的“砖头”或“基石”已经全部在陨石中发现

[2]

。那么这座“生命大厦”又是从何时开始规划和建设的呢？故事还得从宇宙诞生的那一刻开始说起。
01
为了生命，宇宙努力了近100亿年
一般认为，约138亿年前，我们的宇宙从一个无限小的奇点通过一次大爆炸快速暴胀而成。如果把宇宙的形成时间138亿年压缩到一年365天中来看，银河系于1月15日左右诞生，太阳系直到9月初才诞生，紧接着地球形成，演化出原始生命。恐龙从出现到灭绝仅仅持续了四天时间。人类要在最后一天的晚上十点半才出现，而从我国明朝至今仅仅占据最后一秒钟。由此可见，在宇宙宏大的时空叙事下，人类是何等微不足道，人类历史不过是一刹那。从宇宙诞生到地球出现第一个原始生命，耗费了长达将近100亿年的时间。



宇宙的形成演化时标示意图 丨图源：改编自NASA

为什么需要这么长的时间呢？因为世界万物都是由化学元素组成的，这些“原材料”需要在宇宙的浩瀚历史中“千锤百炼”而成。
02
恒星——元素的“炼丹炉”
地球上的生命主要是由碳（C）、氢（H）、氮（N）、氧（O）和磷（P）组成的，连同硫（S，存在于对蛋白质形成至关重要的几种氨基酸中）一起被简称为CHNOPS。这六种元素构成地球生命多达97%的细胞生物量，也是现在宇宙中最常见的元素。它们在宇宙中的丰度分别为：C（第四），H（第一），N（第六），O（第三），P（第十七），S（第九）。这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发生时形成的氢、氦和少量锂。这些元素构成了其他元素的基础。恒星形成后，元素周期表上的绝大多数化学元素（如碳、氧、钙等）均由恒星内部的聚变反应产生（你可以将其粗略想象成太上老君的“炼丹炉”）。组成许多生物酶的关键成分是钒、铁、铜和锌之类较重的金属元素，在恒星核合成末期过渡到超新星的最后阶段形成，而更高质量数的金属元素如钼，只在超新星爆发时形成

[3]

，那是恒星耗尽了所有“燃料”，像烟花一样绽放结束自己一生的时刻。不同大小的恒星，完成生命“谢幕”的方式有所不同。总体来说，恒星质量越大，寿命越短。然而，死亡不等于结束，那些死亡的恒星留下的物质开始循环参与到新一代恒星的形成之中。


太阳系的元素丰度 丨图源：改编自文献[3]
我们的太阳是一颗光谱类型为G型的恒星，被认为至少属于第三代恒星，由大爆炸时期形成的氢、氦以及前几代恒星死亡后留下的元素物质组成。正是因为有了前几代恒星在几十亿年的漫长时间里的积累，才形成了像地球这样的岩石行星所需的重元素，以及地球生命所需要的生物元素。



元素周期表丨图源：改编自ESA/NASA/AASNova

03
地球选择了碳基生命
在CHNOPS元素中，碳（C）是生命形成最关键的元素。众所周知，地球生命的基本单元——氨基酸、核苷酸等是以碳元素作为构型而来的，换句话说，地球上的生命是碳基生命。碳的最外层有四个电子，最多可以形成四个共价键。它既能与自身形成稳定化学键，也能与其他元素形成稳定化学键。它还可以和其他碳原子组合成单键、双键和三键，形成各种稳定的二维和三维形状。也许最关键的是，在碳和CHNOPS之间建立（或断开）化学键所需要的能量是非常相似的，这使得碳基化合物能够很容易地交换离子来驱动生命的代谢反应。蛋白质是生命的基础，它们的功能取决于其三维结构，因此蛋白质的折叠决定了它们在细胞中的生物学功能。可以说，在四十亿年前地球早期的生命演变中，最关键的一步就是含碳有机物在空间结构上的演变。
04
硅基生命是否可行？
在元素周期表中，硅（Si）和碳（C）属于同一主族元素，具有许多相似的化学性质，是宇宙中第八丰富的元素。与碳一样，硅是四价的，能与自身和其他元素形成共价键，包括氧和氢，而且像碳一样能够形成长链聚合物和各种稳定的二维和三维结构。因此，在科幻作品如《星际迷航》中，就有基于硅的外星生命设想。

然而，硅基生命的形成面临巨大的阻碍。首先是硅在水中的行为，不仅硅在pH值小于12的水中溶解度很低（溶解度低意味着不易发生交换反应，而这是生命必须的条件），而且硅化合物在水中通常也不稳定，比如硅酮容易在水中分解，硅烷遇水发生爆炸。更为关键的是，硅和氧之间的亲和力极佳，即硅很容易和氧结合，形成不溶性固体二氧化硅（无机硅酸盐）。打破硅氧键需要巨大的能量，这使得硅氧四面体成为岩石行星的极佳矿物，如最常见的造岩矿物橄榄石、辉石、长石和角闪石等，这些硅酸盐矿物构成了固体星球的基石，但不太可能参与到生命演化当中。
05
结语
正如卡尔·萨根所说，“人体DNA中的氮、牙齿中的钙、血液里的铁以及苹果派中的碳，都是在恒星内部核合成形成的。因此可以说，我们都是星尘。”当今之宇宙具有138亿年的时间尺度和930亿光年的空间尺度。生活在地球上的我们不过是这浩瀚宇宙中的沧海一粟、蜉蝣一瞬，所有古往今来的爱恨情仇和喜怒哀乐则不过是这一粟之起起伏伏而已——人类，没有理由不谦卑。然而，正是这聚星尘为肉体的碳基生命，偏偏能化混沌为灵气，誓以一粟之躯探索无尽宇宙之精妙——人类，又是何其伟大啊！




暗淡的蓝点，由旅行者一号飞行到60亿公里之外回眸拍摄的地球，圆圈所示。丨图源：NASA
参考文献：
[1] Hao et al., 2022. PNAS. 119 (39) e2201388119.
[2] Oba et al., 2022. Nature Communications. 13: 2008.
[3] McSween et al. 2019. Planetary Geoscience. University of Tennessee. New York, Cambridge University Press.

作者简介
蒋 云
中国科学院紫金山天文台天体化学和行星科学实验室副研究员。研究方向：月球、火星及小行星陨石的岩石矿物学、同位素地球化学及年代学。

轮值主编：张水乃
编辑：王科超

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