文/徐蒙

▲ 隼鳥(niǎo)號(hào)和小行星糸川藝術(shù)圖

在今年的月球與行星科學(xué)大會(huì)（LPSC）上，“隼鳥(niǎo)2號(hào)”團(tuán)隊(duì)發(fā)表了一篇名為《小行星162173龍宮上的可溶性有機(jī)化合物》的摘要，宣布在探測(cè)器采回的小行星龍宮樣品里發(fā)現(xiàn)了多種氨基酸。這個(gè)發(fā)現(xiàn)迅速引發(fā)媒體的競(jìng)相報(bào)道和公眾對(duì)地外生命的萬(wàn)千遐想。氨基酸之于生命，有什么特殊之處？“隼鳥(niǎo)2號(hào)”本次發(fā)現(xiàn)了哪些氨基酸？氨基酸在地外星球上罕見(jiàn)嗎？發(fā)現(xiàn)地外氨基酸到底意味著什么？從氨基酸到地外生命還有多遠(yuǎn)？

▲ 氨基酸——“生命積木”

氨基酸：碳基生命大廈的“磚石”

液態(tài)水和有機(jī)物是我們地球碳基生命得以誕生、繁榮所必需的物質(zhì)。一顆星球上是否存在水和有機(jī)物，自然成為我們探尋這顆星球上是否有生命存在的重要參考依據(jù)。

但事實(shí)上，近幾十年的深空探測(cè)成果已經(jīng)明白無(wú)誤地告訴我們：水，并不罕見(jiàn)。月球、火星和諸多小行星上都有著多種形式的水；外太陽(yáng)系木星和土星的冰衛(wèi)星冰層之下可能擁有液態(tài)水海洋和深海熱泉的供能系統(tǒng)，是接下來(lái)深空探測(cè)任務(wù)尋找地外生命的重點(diǎn)目標(biāo)。有機(jī)物，也不罕見(jiàn)。彗星和以碳質(zhì)小行星（C型小行星）為代表的小行星上根本不缺有機(jī)物；好奇號(hào)火星車(chē)更是明確在火星上通過(guò)鉆孔采樣，探測(cè)到了多種噻吩（C4H4S）、芳香族、脂肪族復(fù)雜有機(jī)物 。

那為什么我們迄今為止還沒(méi)有在其他星球上發(fā)現(xiàn)過(guò)任何一點(diǎn)生命的存在呢？是不是這些有機(jī)物還“不夠份量”？回顧我們自身，地球生命這種復(fù)雜系統(tǒng)的運(yùn)行，需要一種“特殊”的有機(jī)物——氨基酸。

▲ 氨基酸的基本結(jié)構(gòu)

氨基酸的基本結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜，包含碳（C）、氫（-H）、氨基（-NH2）、羧基（-COOH）和一個(gè)任意側(cè)鏈基團(tuán)（-R）。顯然，連上不同的-R基團(tuán)，就可以有種類(lèi)豐富的氨基酸。多個(gè)氨基酸通過(guò)脫水，可以像璉珠一般串聯(lián)成肽鏈；長(zhǎng)肽鏈進(jìn)一步折疊、結(jié)合在一起，就可以組成各色各樣的蛋白質(zhì)。

不過(guò)，對(duì)地球生命來(lái)說(shuō)，雖然自然界的氨基酸百種千樣，但用于組成蛋白質(zhì)的氨基酸通常只有20種，這就是所謂的“20種基本氨基酸”或者“蛋白氨基酸”。其他氨基酸也不是對(duì)生命毫無(wú)用處，它們有些可以以短肽鏈（小肽）的形式，參與“生命工廠”的運(yùn)行。換言之，氨基酸是構(gòu)成蛋白質(zhì)的基本單位，是“碳基生命”這座大廈的“磚石”。

▲ 各種氨基酸串聯(lián)成肽鏈

“隼鳥(niǎo)2號(hào)”發(fā)現(xiàn)了哪些氨基酸？

日本宇宙航空研究開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)隼鳥(niǎo)2號(hào)探測(cè)器發(fā)射于2014年12月，2018年6月抵達(dá)目標(biāo)近地小行星——龍宮。

2018～2019年，“隼鳥(niǎo)2號(hào)”對(duì)“龍宮”開(kāi)展了一系列伴飛遙感探測(cè)、投下了1枚著陸器和3枚巡視器，并通過(guò)兩次著陸采樣,分別采集到了小行星表面和地下深處物質(zhì)。

2020年12月6日，“隼鳥(niǎo)2號(hào)”順利將裝載小行星樣品的返回艙送回地球，之后動(dòng)身前往下一個(gè)探測(cè)目標(biāo)——直徑約30米，快速自轉(zhuǎn)的小行星1998KY26（計(jì)劃2031年7月抵達(dá)）。

“隼鳥(niǎo)2號(hào)”原本計(jì)劃采回100毫克小行星龍宮樣品，但實(shí)際“開(kāi)箱”稱(chēng)重結(jié)果顯示共采回了5.4克，是計(jì)劃采樣量的50多倍。

本次新發(fā)現(xiàn)的氨基酸，均來(lái)自編號(hào)A0106的樣品顆粒，這是“隼鳥(niǎo)2號(hào)”第一次著陸時(shí)采集到的龍宮表面樣品中的一部分。

在A0106樣品的熱水水解提取物中，行星科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了超過(guò)10種氨基酸，其中既有蛋白氨基酸（例如甘氨酸、α-丙氨酸），也有非蛋白氨基酸（例如β-丙氨酸、α-氨基丁酸）。

▲“好奇號(hào)”樣本分析儀（SAM）在火星的熱分解產(chǎn)物中發(fā)現(xiàn)多種復(fù)雜有機(jī)物

但這次發(fā)現(xiàn)的意義并不在于“首次發(fā)現(xiàn)氨基酸”。畢竟這早已不是“第一次”在地外星球上發(fā)現(xiàn)氨基酸了。

▲工作人員在澳大利亞伍默拉試驗(yàn)場(chǎng)回收“隼鳥(niǎo)2號(hào)”樣品返回艙

地外星球上的氨基酸

從上個(gè)世紀(jì)70年代開(kāi)始，人們就陸續(xù)發(fā)現(xiàn)過(guò)許多地外星球上可能存在氨基酸的證據(jù)，也不斷質(zhì)疑和檢驗(yàn)著這些證據(jù)。

早在阿波羅時(shí)代，科學(xué)家們就在阿波羅月球樣品里發(fā)現(xiàn)過(guò)一些氨基酸，包括甘氨酸、丙氨酸、谷氨酸、天冬氨酸、絲氨酸和蘇氨酸等等。但50多年前的樣品采集、存儲(chǔ)、分析過(guò)程都比現(xiàn)在粗糙多了。例如阿波羅15、16和17號(hào)的一些樣品，當(dāng)年曾經(jīng)和兩塊地球純橄欖巖樣品存放在同一間實(shí)驗(yàn)室里——這氨基酸到底是不是月球來(lái)的，那可就說(shuō)不清了。

不過(guò)，氨基酸還可以通過(guò)分子結(jié)構(gòu)中的“手性”特征（chirality）來(lái)判斷來(lái)源地：除了甘氨酸（-R基團(tuán)就是H）之外的氨基酸，都有L型（左手性）和D型（右手性）兩種異構(gòu)體，它們分子式相同，結(jié)構(gòu)上鏡像對(duì)稱(chēng)，如同我們的左手和右手一般，看起來(lái)似乎完全一樣，但永遠(yuǎn)無(wú)法通過(guò)旋轉(zhuǎn)達(dá)到重合。地球上自然界的氨基酸，主要是L型（左手性）氨基酸；地球生命中的蛋白質(zhì)，除了甘氨酸之外更是全部都由L型氨基酸組成，沒(méi)有D型（不過(guò)一些小肽中是可能即含有L型氨基酸也含有D型氨基酸的）。而來(lái)自地外、非生物產(chǎn)生的氨基酸，通常D型和L型比例相當(dāng)，這一特征也稱(chēng)為“外消旋”。

在2016年發(fā)表的一篇對(duì)阿波羅樣品中氨基酸的重新分析論文中，發(fā)現(xiàn)了更多種類(lèi)的氨基酸，其中L型的蛋白氨基酸顯著多于對(duì)應(yīng)的D型氨基酸，表明阿波羅月球樣品中的蛋白氨基酸很可能來(lái)自地球的污染。不過(guò)，樣品中的丙氨酸和β-氨基丁酸D型和L型比例相當(dāng)，表明某些氨基酸依然可能來(lái)自地球之外。

隕石中發(fā)現(xiàn)的氨基酸就更多了，尤其是碳質(zhì)球粒隕石中。這類(lèi)隕石被認(rèn)為是來(lái)自C型小行星的碎片（龍宮就是C型小行星），且沒(méi)有經(jīng)歷劇烈的熱變質(zhì)過(guò)程。也就是說(shuō)，這類(lèi)隕石非常古老，可能反映了母體小行星原本的物質(zhì)成分。

其中最典型的例子可能當(dāng)屬默奇森隕石。1969年，這顆質(zhì)量超過(guò)100千克的碳質(zhì)球粒隕石墜落在澳大利亞維多利亞州默奇森鎮(zhèn)，它是人類(lèi)少有的目擊到降落過(guò)程并且迅速被尋找到的隕石，可以認(rèn)為是幾乎沒(méi)有受到地球“污染”的。

1970年，科學(xué)家們?cè)谀嫔E石中發(fā)現(xiàn)了5種蛋白氨基酸和2種非蛋白氨基酸，1971年又繼續(xù)發(fā)現(xiàn)了1種蛋白氨基酸和6種非蛋白質(zhì)氨基酸。1971年，科學(xué)家們用相似的方法分析了另一顆墜落后幾乎未受地球污染的碳質(zhì)球粒隕石——穆雷隕石，并從中發(fā)現(xiàn)了6種蛋白氨基酸（甘氨酸、丙氨酸、纈氨酸、脯氨酸、天冬氨酸和谷氨酸）和11種非蛋白氨基酸（異纈氨酸、α-氨基異丁酸、N-甲基丙氨酸、α-氨基丁酸、肌氨酸、N-乙基甘氨酸、正纈氨酸、β-氨基丁酸、2-哌啶甲酸、β-丙氨酸和γ-氨基丁酸）。

更重要的是，默奇森和穆雷隕石樣品中的手性氨基酸D型和L型比例相當(dāng)，表明這些氨基酸很可能來(lái)自地球之外的非生物來(lái)源；而且默奇森隕石中發(fā)現(xiàn)的所有氨基酸種類(lèi)，在穆雷隕石中都有發(fā)現(xiàn)，這或許意味著某些氨基酸種類(lèi)在碳質(zhì)球粒隕石和它們的母體小行星上普遍存在。

▲ 羅塞塔號(hào)拍攝的彗星67P影像

▲ 阿波羅17號(hào)航天員采樣

▲ 羅塞塔號(hào)探測(cè)器的ROSINA-DFMS質(zhì)譜儀探測(cè)到的甘氨酸（NH2-CH2-COOH）

但隕石畢竟經(jīng)歷了與地球物質(zhì)的接觸過(guò)程，相比之下，直接在地外星球探測(cè)到的，或者以更先進(jìn)的采樣技術(shù)從外星采回的氨基酸，顯然更有說(shuō)服力。

2016年，科學(xué)家們使用羅塞塔號(hào)探測(cè)器ROSINA質(zhì)譜儀，在彗星67P/楚留莫夫上探測(cè)到揮發(fā)性的甘氨酸，這也側(cè)面印證了10多年前科學(xué)家們?cè)凇靶菈m號(hào)”采回的彗星樣品中發(fā)現(xiàn)的甘氨酸可能并不是地球污染，而是真的在彗星81P/維爾德上存在。

不過(guò)，甘氨酸畢竟是最簡(jiǎn)單的氨基酸，地外星球上還有更復(fù)雜的氨基酸嗎？“隼鳥(niǎo)號(hào)”樣品的分析結(jié)果又更進(jìn)了一步。它從近地小行星糸川帶回的樣品也受到了微量的地球污染，但科學(xué)家們還是從中探測(cè)到了一些地球上不常見(jiàn)的非蛋白氨基酸，符合地外非生物來(lái)源特征。

▲ 美國(guó)國(guó)家自然歷史博物館展出的一部分默奇森隕石

▲ 穆雷隕石的一小塊

但糸川是S型（硅質(zhì)）小行星，本來(lái)就不是富有機(jī)物的小行星類(lèi)型，而且也沒(méi)有發(fā)現(xiàn)靠譜的地外蛋白氨基酸。相比之下，“隼鳥(niǎo)2號(hào)”從C型小行星龍宮帶回的樣品可靠性更高，從中發(fā)現(xiàn)的氨基酸種類(lèi)也更多，而且明確發(fā)現(xiàn)了來(lái)自地外的蛋白氨基酸。這也是人類(lèi)首次在地外采回的樣品中確認(rèn)發(fā)現(xiàn)蛋白氨基酸。

“隼鳥(niǎo)2號(hào)”本次發(fā)現(xiàn)的氨基酸會(huì)不會(huì)是地球污染？可能性非常低。

一方面，“隼鳥(niǎo)2號(hào)”的采樣非常成功，樣品封裝完好，樣品回收后一直處于嚴(yán)格與地球物質(zhì)隔絕的狀態(tài)，也從來(lái)不曾暴露在地球空氣中?！蚌励B(niǎo)2號(hào)”采樣過(guò)程中用于彈射收集樣品的子彈為鉭質(zhì)金屬材質(zhì)，是小行星上沒(méi)有的物質(zhì)，因此即使混入樣品中也不會(huì)干擾氨基酸的識(shí)別。另一方面，本次樣品分析的所有提取過(guò)程都是在ISO6（1000級(jí)）潔凈室內(nèi)的ISO5（100級(jí)）潔凈臺(tái)上進(jìn)行的，研究中使用的所有玻璃器皿在接觸樣品前都在500℃的空氣中烘烤過(guò)3個(gè)小時(shí)，避免容器中可能的有機(jī)物污染樣品。再加上本次“隼鳥(niǎo)2號(hào)”探測(cè)到的氨基酸中，樣品中具有手性的氨基酸都是外消旋混合的（L型和對(duì)應(yīng)的D型氨基酸比例約為1:1），確實(shí)可以算得上是地外氨基酸實(shí)錘plus了。

▲ 一對(duì)手性異構(gòu)的氨基酸

▲ 這些間歇泉般噴出的羽流中含有冰粒和水蒸汽，表明冰層之下蘊(yùn)藏著液態(tài)水海洋

在我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了諸多外星氨基酸證據(jù)的情況下，“隼鳥(niǎo)2號(hào)”本次發(fā)現(xiàn)地外氨基酸更重要的意義在于告訴我們——不要再否認(rèn)了，與水和其他有機(jī)物一樣，氨基酸在地外星球上也并不罕見(jiàn)。

如果我們認(rèn)同，地球之外的生命形式依然是碳基生命，氨基酸也同樣是構(gòu)成外星“生命大廈”的“關(guān)鍵基石”的話，那我們也不得不承認(rèn)：擁有“生命基石”很可能確實(shí)不是一件門(mén)檻很高的事。

那么我們又回到了這個(gè)關(guān)鍵性的問(wèn)題：如果宇宙中有大把星球手握著“生命基石”，那為什么我們至今還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)任何地外生命的痕跡呢？

費(fèi)米悖論：它們都在哪里呢？

1950年的一天，在一群物理學(xué)家關(guān)于地外生命的閑聊中，恩里科·費(fèi)米想到：既然宇宙中有這么多星球，這些星球又有如此長(zhǎng)的時(shí)間來(lái)演化出生命甚至文明，那從概率上來(lái)說(shuō)，地外文明早該遍布宇宙了。然后提出了一個(gè)問(wèn)題：它們都在哪里呢？為什么我們至今沒(méi)有探測(cè)到任何地外文明，也從來(lái)沒(méi)有地外文明來(lái)尋找我們呢？

這個(gè)悖論隨著之后幾十年的天文發(fā)現(xiàn)，變得愈發(fā)發(fā)人深思。

誠(chéng)然，擁有“磚石”不代表能造出“房子”，那么真正的生命起源問(wèn)題，或許不在于如何產(chǎn)生組成生命的磚石，而是如何將這些磚石組裝成生命大廈。

我們?cè)诘赝庑乔蛏蠈ひ挼南乱粋€(gè)關(guān)鍵性的證據(jù)會(huì)是什么？是承載有效遺傳信息的DNA和RNA嗎？是微生物這樣簡(jiǎn)單生命的殘骸或者代謝產(chǎn)物嗎？直到現(xiàn)在，我們還沒(méi)有答案，但可以確定的是，如今我們的還懷抱著希望，還在不斷派出探測(cè)器，去火星乃至木星土星冰衛(wèi)星這樣的“宜居衛(wèi)星”上尋找生命存在（過(guò)）的證據(jù)。

無(wú)論是否真的能找到生命，在下一個(gè)十年里，我們對(duì)太陽(yáng)系中的生命和宜居環(huán)境，一定會(huì)有更深刻的認(rèn)知。