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哈勃空间望远镜拍摄的猎户座星云,其中发现磷元素呈现爆炸式增长

美国国家医学图书馆绘制的标准DNA螺旋模型

  腾讯科学(Everett/编译)据国外媒体报道,由美国国家航空航天局和欧洲空间局共同管理的哈勃空间望远镜发现在猎户座星云中恒星呈现爆炸式增长,宇宙的磷元素正在不断增加。尽管磷元素对宇宙智慧生物而言是非常重要的,但如果要了解地球生命如何获取磷元素,就需要科学家建立早期地球化学环境以及空间轨道模型。在一个正常组织细胞中,氢、氧、碳、氮、磷、硫这些元素是最为常见的,其中除了磷元素外都是太阳系中排名前十的丰富元素,而磷元素的排名只有第十七位。

  根据佛罗里达大学的研究人员马修·帕塞克(Matthew Pasek)介绍:“磷元素在生物学中至少是一种较丰富的元素。”在地球表面上,磷元素的稀缺性显得较为严重,大多数的磷元素存在于矿产之中,似乎对生命而言较为难以应用,那么地球上的原始生命是如何依靠这些含量相对较少的元素进行生存和演化的呢?因此,由美国国家航空航天局天体生物与进化生物学计划将揭开这个谜团,试图发现在地球上的早期生命利用磷元素的可能化学途径。

  磷元素通常并不像钙和铁元素那样受到如此多的关注,但磷元素对生物分子而言却是非常必须的。对于大多数生物学初学者而言,都知道磷元素是DNA和RNA的重要组成元素,是基因片段中一个基本组成单位磷酸分子的骨干。而磷酸被认为是一种“超级胶水”,通过解离氢原子与三个氧原子结合,磷酸根可与许多金属离子生存配合物,并使得DNA或者RNA分子带负电荷。并不是很多分子都能具有磷酸这样的解离和结合能力,但砷酸盐似乎是一种潜在的可能性物质。最近一组研究人员称找到了一种可替代磷、通过使用砷酸盐进行生存的微生物。

  DNA分子是由无数个核苷酸重复排列形成的链状聚合物,其骨架是磷酸和其他基团交叉排列,在三磷酸腺苷(ATP)中也扮演着重要角色,这种物质是细胞的直接能源物质,而人体每天都在燃烧着相当重量的直接能源物质。此外,磷元素在骨骼和牙齿中也有一定的组分,特别是在脊椎动物中。正是由于生物体对磷元素的需求,地球上所有的生物都必须找到一个磷元素摄入的源头。比如人类和其他动物可以从植物中获得磷元素,而植物从土壤中获得磷元素的化合物,但大多数的循环都有腐烂的有机物质介入。

  三磷酸腺苷 (ATP)是磷元素组成的典型物质,是我们身体中已知的最佳能量携带者之一。由于陆地上的植物不能回收土壤中的所有磷元素,所以流失的磷元素最终会进入海洋中。在那样还存在海洋生物对沉积在海底的磷酸盐物质进行摄取,也有些磷元素进入了沉积物的范畴。一旦磷元素被锁定在不溶或者难溶的矿物中,就需要很长一段时间才能重新进入生物循环,从而返回到植物或者其他生物体重。

  事实上,磷元素的循环式较慢的元素周期性循环,但对生物体而言却是非常重要的。但我们人类可以通过很多途径获得磷元素,比如寻找磷矿,或者通过化学途径生产出磷肥,比大自然地质过程释放出的磷元素来快得多。鉴于磷元素在行星演化过程中处于较慢的位置,使得天体生物学家产生了疑虑,这些早期生命从何处摄取它们所需的磷元素呢。佛罗里达大学的研究人员马修·帕塞克认为地球上大多数的磷元素被发现存在于磷酸盐类型的物质中,在地球富氧的环境中,磷酸盐对磷元素而言一直是较低的能量状态。

  地球上的磷化物含量较多,但它们都存在于地核之中,深埋在近2000英里深的岩石层下。然而,在地球表面上却有一个最为常见的、天然的磷化物堆积区,那就是来自外太空的陨石。我们虽然不能从地球核心区域获得这些物质,但是分离自小行星核心的陨石却是一个重要的途径。磷化物趋向于在氧气含量较为稀缺而金属物质含量较为丰富的地方,因此处于天体内核区域是部分磷化物形成场所,另外当磷酸盐矿物被闪电和高能释放现象介入时也会形成磷化物。

  佛罗里达大学的研究人员马修·帕塞克和他的同事研究了地质样本中的磷化物,他们发现地球表面上的磷化物大部分来自于陨石,随着时间的推移,这些材料大部分进入磷酸盐之中,因此该小组估计地球上发现的磷酸盐有大约1%-10%的量来自于陨石。因此,通过模拟20亿年前地球的地质演化中磷化物的演变史,有助于揭示地球生命在何时以及如何强烈地依赖此种宇宙生命元素。