日本在小行星中發現氨基酸 這意味著發現外星生命嗎？
近日，有新聞報道，日本宇宙航空研究開發機構的小行星探測器「隼鳥2號」從小行星「龍宮」帶回地球的樣本中發現了氨基酸的存在，這則新聞再一次引發了人們對尋找地球以外生命的熱切嚮往。
事實上，宇宙中存在有機物並不是一件稀奇事。早在50年之前，科學家們就發現宇宙中廣泛存在著有機物了，況且在現代生命的化學起源理論下，有機物在宇宙中的廣泛存在也並不令人驚奇。
但本次的突破在於「首次在地球外確認氨基酸的存在」，也就是說，這是我們人類第一次依靠自己的力量在外太空獲取到小行星樣本，並且在小行星樣本中發現了氨基酸，而不是我們首次在地球外發現了氨基酸。
01不必驚奇，宇宙中廣泛存在著有機物
1969年，一顆明亮的火球從天空墜向澳大利亞維多利亞州默奇森附近，它在墜落前分成了三個大碎片和無數小碎片。人們在13平方公里的範圍內撿到了超過100公斤的隕石碎片，其中最大的兩顆一顆重達7公斤，一顆重達680克。這些隕石被命名為默奇森隕石。
默奇森隕石 圖片來源：wikipedia
從1971年開始，科學家們在對默奇森隕石（Murchison meteorite）的化學成分進行研究後發現這顆隕石中含有氨基酸，且有多種氨基酸，包括甘氨酸、丙氨酸、谷氨酸、異纈氨酸、假亮氨酸等70多種，由於氨基酸是組成生命的必要有機物之一，這一發現引起了科學家們尋找地外生命的狂熱興趣，在此後的數十年中他們在其他墜落在地球上的隕石中發現了多種氨基酸和其他的各種生命誕生所必需的化學前體。
這些化學物質包括各類氨基酸、多元醇、核鹼基（嘌呤、嘧啶等）、芳香化合物等等。2009年和2015年，NASA和ESA的彗星探測器均從彗星中發現多種有機化合物。2020年2月，甚至還有科學家聲稱在Acfer 086和Allende隕石中發現了一種含有鐵和鋰的蛋白質[1]（有爭議）。
隨著科技的進步，除了在隕石中尋找有機物的身影外，科學家們還利用帶有光譜儀的望遠鏡觀測到了宇宙中星雲、分子雲、宇宙塵埃中存在著各種有機物的光譜，比如多環芳烴、富勒烯、芳香族-脂肪族混合有機物、乙醛醇等等。這些有機物的種類可達數百種之多。
從這些發現來看，其實包括氨基酸在內的有機物在宇宙中是廣泛分布的。
那麼，為什麼會在宇宙中存在這麼多有機物呢？
這其實是化學反應自然形成的。NASA的科學家認為，這種化學反應從宇宙誕生後數十億年就開始了，它們往往是在一團星雲中的恆星出現之後，行星還未出現之前，星雲中的碳元素就在宇宙輻射和恆星作用下開始形成多環芳烴，這是所有有機物形成的開始。多環芳烴實際上是一些碳元素環，以下是一些例子：
萘，黑色為碳原子，灰色為氫原子 圖片來源：wikipedia
芴，同上，總而言之多環芳烴就是碳環不斷重複連接 圖片來源：wikipedia
在恆星周邊除了會因為化學反應形成多環芳烴之外，還會形成脂肪族（多環芳烴中碳原子成環，這裡碳原子成鏈狀），在星際中各種原子、離子、分子以及射線的作用下，它們會氫化、氧化和羥基化，從而轉變成更複雜的有機物，比如氨基酸和核苷酸的前體[2]。
在宇宙空間形成了這些化合物之後，它們就會附著在各種岩質或冰質小行星中在宇宙中飄蕩。我們現在在地球上發現的各類隕石，以及本次隼鳥二號帶回來的小行星龍宮上的樣本，其中的氨基酸就是這麼來的。
02 發現外星氨基酸，離外星生命還有多遠？
在各大自然博物館，或者是科技館裡面，有關生命誕生的過程，總會首先展示一個實驗設備：米勒實驗。氨氣、甲烷、氫氣、水、二氧化碳等氣體在一個持續放電的瓶子中加熱，最後冷卻得到的液體中出現了氨基酸。後續的實驗中，人們得到了肽、核糖、核酸鹼基等多種生命形成所必需的物質。
米勒實驗過程 圖片來源：wikipedia
米勒實驗模擬的是地球上的化學進化過程，我們前面講到的是宇宙中的化學進化過程。這些都證實了的，可以在自然界，無論是地球還是宇宙中，天然就會發生化學反應形成有機物。但是這其實只是生命誕生的第一步，離真正的生命還很遙遠。
在其後，還需要有機小分子裝配成為有機大分子；有機大分子再組成多分子體系；多分子體系相互組裝（這是決定性的一步，其中最重要的是細胞膜系統的形成和核酸進入膜中）這三大步。所以從氨基酸到生命，還很遙遠。
圖片來源：參考文獻[3]
此外，這些在宇宙中的氨基酸雖然說明了有機物在宇宙空間的廣泛存在，但宇宙空間中其實很難為生命的形成提供足夠穩定的環境。因為科學家們發現，從隕石中發現的氨基酸和組成生命的氨基酸的構型並不相同。
首先，隕石和地球上的同種有機物在分子結構上是存在差異的，許多都是同分異構體（分子式相同，結構不同）[4]
三氯聯苯同分異構體示意圖 圖片來源：wikipedia
其次，來自隕石的氨基酸和地球上的氨基酸在手性上是有差異的。什麼是手性呢？做個小實驗就懂了，舉起我們的左右手，掌心對掌心是可以貼合在一起的，但是如果都掌心向下，左右手放在一起，你就會發現此時就沒辦法貼合在一起了，這就是手性。在地球上的氨基酸，都只有左旋結構，但是隕石中的氨基酸則左旋和右旋結構都有[4]。
氨基酸的手性 圖片來源：wikipedia
第三個問題是，在形成生命的化學演化過程中，可能需要比較多的有機物，這些隕石能不能為生命演化提供足夠的有機物？而只有在類似早期地球的較大行星上才會存在穩定的水熱環境，以供化學進化的持續進行。
03外星生命存在嗎？
2017年的時候，科學家們在加拿大的魁北克省海岸上發現了一些微生物化石，這些微生物是生活在當時地球的深海熱泉附近的一些嗜熱細菌[5]，這個發現曾經發表在Nature上。
早期地球上的微生物化石照片 圖片來源：參考文獻[5]
它們生活的年代據估計是在37.7-42.2億年前，這是什麼概念呢？那時候的地球形成才3-8億年左右，而且那時候的地球正在經歷一個非常殘酷的時期：重轟炸時期。在重轟炸時期，地球經常受到小行星的瘋狂轟炸，據估計，因為受到小行星的密集轟炸，地球在這一階段體積增長了10%左右。
重轟炸時期的地球想像圖 圖片來源：NASA
在如此惡劣的環境下，生命依然迅速地出現在了地球上。
而我們目前對於隕石上有機物的發現，雖然並沒有能夠證明地球上的生命起源於地外，但是它卻說明了一點，那就是在宇宙空間中，有機物的存在是比較普遍的，只要條件適合，就能夠形成各種有機物。那麼，我們進而可以進行一個小小的推測，只要存在如地球一樣的宜居星球，生命存在的可能性很大，或者更激進一點說，外星生命必然存在。
所以科學家們在探索地外生命的過程中，首先會考慮宜居帶的因素，在宜居帶內，行星上的水能夠以液態存在，這種液態水無疑能為化學進化提供穩定的環境，並為原始生命提供生存環境。
不同恆星的宜居帶，大的熱的恆星宜居帶遠且範圍大，小的冷的恆星宜居帶近且範圍窄 圖片來源：NASA
不過這些系外行星對我們目前的技術來講過於遙遠，與其花大力氣在系外行星上尋找生命，不如現在太陽系內尋找地外生命。在太陽系內，更有發現生命機會的地方在火星，它位於太陽系宜居帶的外邊緣，雖然現在已經乾涸，但是根據科學家們研究，它其實在30億年前一直都還有地表水的存在，現在也還有地下水和地下湖的存在，在南北兩極甚至存在廣袤的冰蓋。
圖片來源：參考文獻[6]
要是對比一下地球和火星的演化歷史，我們就會發現，如果按照化學進化的理論，火星上極有可能是存在生命的，只不過這種生命形態還比較原始，可能是類似地球上的細菌、古菌這樣的古老生命。
圖片來源：自製
火星生命一直到現在可能都存在於火星的某個角落，這一點我們可以從地球獲得佐證。1970年以來，科學家們陸續發現了許多生活於地球極端環境中的微生物，包括極端嗜熱菌、嗜冷菌、嗜鹽菌、嗜酸菌、嗜鹼菌等，甚至在地下十餘千米暗無天日、溫度壓力極大的岩石縫隙中，都有微生物的存在。這些極端微生物擴展了生命的存在範圍，也讓我們有理由相信火星上依然存在生命。
地球上的古菌模樣，如果火星上有生命，可能就與這些生物相似。圖片來源：wikipedia
參考文獻：
[1]McGeoch M, Dikler S, McGeoch J E M. Hemolithin: a meteoritic protein containing iron and lithium[J]. arXiv preprint arXiv:2002.11688, 2020.
[2]Gudipati, Murthy S.; Yang, Rui (September 1, 2012). “In-Situ Probing Of Radiation-Induced Processing Of Organics In Astrophysical Ice Analogs – Novel Laser Desorption Laser Ionization Time-Of-Flight Mass Spectroscopic Studies”.The Astrophysical Journal Letters.756(1): L24.Bibcode:2012ApJ…756L..24G.doi:10.1088/2041-8205/756/1/L24.
[3]姜楠. 生命起源前氨基酸的合成[D]. 吉林大學, 2013.
[4]楊晶,林楊挺,歐陽自遠.地外有機化合物[J].地學前緣,2014,21(06):165-187.
[5]Dodd, M., Papineau, D., Grenne, T. et al. Evidence for early life in Earth』s oldest hydrothermal vent precipitates. Nature 543, 60–64 (2017).
[6]趙健楠. 火星南部古湖泊的地質特徵及其對古氣候環境的指示意義[D]. 中國地質大學, 2017.
