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  卡拉汉等人从陨石样本中分离出了许多种有机物,但更重要的是,他们发现了碱基和几种碱基类似物

  作者: 南方周末记者 黄永明

  最近NASA的一个科学家小组以有力的证据揭示,陨石中的DNA结构单元是在太空中生成的。这表明地球生命起源时的一些关键原料可能是由陨石从小行星上带来的。

  1969年9月28日早晨,一道火光出现在澳大利亚维多利亚州默奇森(Murchison)的上空。目击者看到一个火球在空中快速下降,分崩为三片,然后消失。半分钟之后,人们听到了震颤的声音。这是一次火流星事件。人们后来在方圆13平方千米的范围内搜集到了许多陨石碎块,总重达到100千克。

  这颗硕大的陨石被命名为默奇森,它随后成为世界上被研究最多的陨石,不但因为它质量大、有目击报告,还因为它含有丰富的有机化合物。

  在一项最新完成的研究中,科学家发现默奇森陨石中所含有的某些地球生命的基本组成部分很可能是它从地球之外带来的。美国宇航局戈达德太空飞行中心的迈克尔·卡拉汉(Michael Callahan)及其合作者从多个不同的角度验证出,陨石中包含的某些碱基不大可能来自于地球,并非像之前人们怀疑的那样来自于“污染”。

  他们的证据是迄今为止相关研究中最为有力的,这项发现也具有深远的意味。因为碱基是组成DNA和RNA的单元,它们的配对编码为地球生命提供了遗传信息。而陨石的母体主要是太阳系中的小行星,这表明地球生命起源时的一些关键原料是由陨石从小行星上带来的。

  半个世纪的悬案

  早在1961年,美国纽约大学的乔治·克劳斯(George Claus)等人在检测陨石的过程中发现了“微化石”,他们将文章发表在英国《自然》杂志上。次年,就有科学家开始在陨石中寻找氨基酸。

  氨基酸是构成蛋白质的基本单位,而蛋白质又是地球生物体内重要的活性分子。不出所料,科学家们很快就在陨石中发现了氨基酸的存在。那么,这些氨基酸有可能是陨石从天外带来的吗?人们在很长一段时间里无法回答这个问题。原因很简单:从陨石在落地点天然储存到被人类发现后的人工储存过程中,氨基酸完全有可能是从地球环境进入检测样本的,也就是所谓的“污染”。

  著名的默奇森陨石在这个争议问题上扮演了重要的角色。

  1970年,来自美国宇航局、加利福尼亚大学等研究机构的研究人员发现,默奇森陨石中不仅含有组成蛋白质的氨基酸,还含有在蛋白质中不存在的氨基酸。这表明,这些氨基酸很有可能原本就存在于陨石内,并不是受到地面环境的污染而被动进入陨石中的。

  不过,科学界的争议并没有随着这项发现而停止。原因是,1982年,美国亚利桑那大学迈克尔·恩格尔(Michael Engel)等人在《自然》杂志上发表文章称,默奇森陨石上发现的氨基酸存在L型氨基酸超量的现象。

  自然界的氨基酸有两种类型——L型和D型。就当时人们所掌握的知识而言,地球上的生物在制造氨基酸时,偏向于优先制造L型,而非生物化学反应产生的则是等量的L型和D型氨基酸。因此,当人们发现默奇森陨石上的L型氨基酸占有优势时,不禁怀疑这些氨基酸是否也是来自周围环境中的生物体。

  到了1997年,美国亚利桑那州立大学的约翰·克罗宁(John Cronin)等人用气相色谱-质谱分析法发现,非生物反应也倾向于产生L型氨基酸。这让氨基酸的地外来源说再次获得了生命。

  尽管曲折,但研究陨石中的氨基酸还是相对容易的。相比之下,想要弄清楚陨石里所附着的碱基的来源则更为困难。

  1963年,加州大学伯克利分校的奥罗(J. Oro)从富碳陨石水浸出液中发现了含氮环形化合物。而碱基中的嘌呤和嘧啶也都正是含氮环形化合物。不过,奥罗的这项研究后来被证实实验过程受到了污染。

  1979年,荷兰奈梅亨大学的彼得·斯托克斯(Peter Stoks)等人在陨石中发现了尿嘧啶(构成RNA的一种碱基)。之后,在1981年、1982年和2001年,科学家们陆陆续续又发现了其他的一些嘌呤和嘧啶,以及喹啉、益喹啉等含氮环状化合物。以上这些物质在生物界都是普遍存在的,因此,人们依然怀疑它们有可能是实验过程受到污染而产生的结果。

  重新调查

  研究陨石中的碱基的困难有很多,除了极易被污染之外,相对于其他有机物而言,碱基在量上处于非常低的水平;且陨石本身是不均匀物质,内部所含的物质分布也不均匀,不容易被捕捉到。

  直到2008年,伦敦帝国理工学院的紫塔·马丁斯(Zita Martins)等人发表了一项新的研究,他们相信这是理解早期生命演化的重要一步。在他们的研究中,马丁斯等人检测了默奇森陨石里的碱基的碳同位素、默奇森当地土壤样本的碳同位素以及普通矿物的碳同位素。他们所检测的是碳-13,这种碳同位素多形成于地球之外。结果正如他们所料,碱基中的碳-13比其他样本中的比例要更大。

  然而,在其他一些研究人员看来,马丁斯等人的发现并不像他们说的那样意义重大。这些研究人员认为,由于默奇森陨石中的碱基含量实际是非常低的,不大可能在地球生命的起源上扮演角色。

  “生化反应与浓度是紧密相关的。”美国宇航局的卡拉汉也这样说,“如果你在界限以下,你就有很多麻烦了;如果你在界限以上,那就没问题了。”

  而卡拉汉2011年早些时候发表的一篇文章则说明,即便在同一颗陨石上,有机化合物的浓度也会在不同部位存在很大差异。在这项由加拿大阿尔伯塔大学克里斯多夫·赫德(Christopher Herd)领导的研究中,研究者们检测了2000年坠落在加拿大的一块“塔吉什湖”陨石。这颗陨石由于坠落时恰巧落在了冻结的湖面上,并且被许多人目击,因而迅速得到保存,很大程度上避免了来自地球环境的污染。

  赫德等人检测了塔吉什湖陨石碎片中的氨基酸,不但发现它们很可能来自地外,而且在不同的碎片上浓度差别很大。有些碎片上某种氨基酸的量是其他的10倍乃至100倍。“塔吉什湖陨石的多样性说明,仅仅收集一块碎片是得不到完整故事的。”卡拉汉说。

  在卡拉汉及其合作者的最新研究中,他们将调查的对象扩展到了12颗陨石。不但包括来自默奇森陨石的碎片,也包括了一颗十分罕见的橄辉无球粒陨石。这些陨石中有9颗来自南极洲。他们先利用甲酸将这些陨石采样,然后用液相色谱仪分离不同的化合物,最后用质谱仪来确定每种化合物是什么成分。

  三条线索

  卡拉汉等人从陨石样本中分离出了许多种有机物,包括羧酸类物质,这是与有氧呼吸中重要的三羧酸循环过程有关的物质,以及糖类、芳香烃、胺类等。但他们重点显然是在碱基上。

  他们发现了腺嘌呤、鸟嘌呤、次黄嘌呤和黄嘌呤。前面两种嘌呤是DNA中的物质,后面两者虽然没有在DNA中发现,但也在某些生物过程中具有功用。

  为了搞清楚这些嘌呤是由陨石从太空中带来还是来自于污染,研究人员分析了8千克来自南极洲的冰的样本。使用与分析陨石相同的方法,研究人员取得了冰样本中四种嘌呤的浓度,结果显示其浓度远远低于陨石中的。

  此外,研究人员在陨石样本中还发现了三种碱基类似物。这些碱基类似物在冰样本中没有发现。不但如此,除了仅仅曾在某种病毒上发现过其中一种类似物外,这些碱基类似物是不参与地球上的生物过程的。

  以上证据都让研究人员倾向于认为,这些嘌呤几乎必定来自于地球之外。在他们的另一项相关研究中,所有这些碱基和碱基类似物都可以在实验室中完全由非生物化学反应而产生。“这为它们在小行星上的形成提供了一个似乎合情合理的机制,也支持了它们来自于地外的看法。”卡拉汉说。

  要探寻生命起源的过程,科学家就需要了解生命诞生之前的化学环境。只有这样,我们才能知道接下来是哪些步骤导致了最初的生命的诞生。可惜的是,在亿万年的时间里,地球上的环境已经发生了翻天覆地的变化,与当初的化学环境已经十分不同。

  不过,太阳系中小行星们却像“时间胶囊”一般,将远古信息封存起来了。这些小行星没有被卷入大行星的建造过程,它们在太阳系诞生后不久,就被冰封了。

  有的时候,在木星等大质量行星的引力作用下,小行星之间发生碰撞,撞击产生的碎片进入地球轨道,进而被地球吸引,并落在地面上,形成陨石。地球生命诞生于距今40亿年左右的时期,也正是地球频繁受到陨石撞击的时期。

  在众多陨石当中,富碳陨石是公认的最古老的陨石。而它们所富含的碳,正是构成有机物的重要成分。这些陨石时常会落到地球上来,就像1969年发生在澳大利亚的那次坠落。

  “历史上第一次,我们以三条不同的线索揭示了(陨石中的)DNA结构单元是在太空中生成的。”卡拉汉表示,“这告诉我们,陨石可能像是工具箱,为地球上的生命提供了必须的‘积木’。”

  (中科院研究生院王寅对本文亦有贡献)

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channelId 1 1 陨石:地球生命的外星“元件” 1 最近NASA的一个科学家小组以有力的证据揭示,陨石中的DNA结构单元是在太空中生成的。这表明地球生命起源时的一些关键原料可能是由陨石从小行星上带来的