從泰坦星看地球上的生命起源

科學上的最大問題之一是，漂浮在冰冷黑暗宇宙中的死氣沉沉星球上的化學反應是如何突然催生出生命有機體的。我們甚至不知道地球上生命的分子構成要素是在這裡形成的還是被彗星和隕星帶來的。

根據NASA/ESA卡西尼任務的數據，我們現在在土星最大的衛星——泰坦星上發現了一些分子，我們認為這些分子驅動了複雜有機化合物的產生。我們的太陽系中此前從未發現過這些分子。這一發現不僅使泰坦星成為存有某種原始生命的有力競爭者，也使其成為研究地球上生命如何從化學反應中產生的理想地點。

credit: 煎蛋畫師Piccolo

生命的分子構成要素是有機化合物，包括可以組合成蛋白質的氨基酸、RNA以及DNA。至今為止，科學家已經在隕星、彗星以及星塵中發現了這些化合物。但問題在於這些材料是數百萬年前形成的，無從得知它們是如何生成的。

令人激動的是，似乎今天的泰坦星上正在形成這些化合物。來自土星磁層的陽光和高能粒子驅動了泰坦星上層大氣中的化學反應，其中大部分是氮氣、甲烷以及氧氣。這就產生了更大的有機化合物，這些化合物向下漂流，形成泰坦星特色的「霧霾」和大量沙丘，並最終抵達地表。

為了實現這一發表在天體物理雜誌快報上的驚人發現，卡西尼號扎入了泰坦星的上層大氣。利用傳回地球的數據，我們鑒定了名為碳鏈陰離子的帶負電分子，這種分子似乎是該衛星上發現的更大有機化合物的「種子」，比如多環芳烴，而這些化合物可作為早期生命形式的關鍵組成部分。實驗室實驗表明那裡可能存在氨基酸，但卡西尼號上的儀器並不是為此配備的。

像這種帶負電的分子很容易與其他分子相結合，很快就流失了，因此在太空環境中很少見。但一旦出現就可能是簡單分子與複雜有機化合物之間「缺失的一環」。

所以泰坦星上目前可能存在生命嗎？並非不可能。土衛二恩克拉多斯上噴發出了煙雲，提供了關鍵的氧氣源，落入了泰坦星的上層大氣。在行星宜居性索引中，泰坦星甚至被認定為地球之外最可能存有生命的星球。但由於太冷，那裡的生命可能十分原始。液態甲烷和乙烷海洋的存在也意味著潛在的生命體的機能可能與地球上的很不相同。

追溯地球上的生命

值得注意的是，在太陽系之外誕生恆星的茫茫分子雲中也觀察到了類似的過程。宇宙中第一顆恆星進入垂死掙扎，將重元素熔凝一體之後，大量的有機化學就發生了。在這些環境中，帶負電的粒子被證實成為更大有機物形成的催化劑，這些有機物隨後被轉移到太陽系和形成的彗星中。

複雜的星際化學反應引出了這樣一個理論：生命的構成要素可能是被這些分子雲中形成的彗星帶到地球上來的。歐洲航天局的羅塞塔任務在訪問彗星67P/Churymov-Gerasimenko時檢測到了甘氨酸。但現在這個新發現使得在地球上發生從簡單分子形成生命這一過程成為可能。

泰坦星稠密的氮氣和甲烷大氣十分類似於地球早期大氣，即25億到40億年前。那是，氧氣還沒有積聚起來，大部分都還是甲烷，正如今天所看到的泰坦星。這一衛星也因此成為搜尋生命之始的高優先順序目標。

通過對泰坦星的長期詳細觀察，我們可能某一天能夠追蹤化學形式從小到大的演變歷程，理解複雜有機分子如何產生的。也許我們甚至能捕捉從複雜有機分子到活體生命的那一瞬變。利用地基望遠鏡跟蹤觀察泰坦星的大氣層的工作已經在進行了，比如阿塔卡瑪毫米/亞毫米波陣列望遠鏡。進一步探索泰坦星的任務也提上了日程，關鍵是要裝備檢測生命跡象的儀器。

credit: 煎蛋畫師Piccolo

宇宙通用驅動

一個很迷人的事情是我們現在在泰坦星上看到的化學反應與分子雲中的一樣，都表徵了這些過程的通用本質。現在問題是這是否也可能發生在其他富含氮氣和甲烷的大氣層中，比如冥王星或者海王星的衛星特里同？近些年發現的環繞恆星運行的數千個外星球呢？

通往宇宙構成要素的通用路徑這一概念蘊含了我們接下來在宇宙中搜尋生命所需要尋找的東西。如果我們在其他環境中發現了在泰坦星上看到的分子，我們就知道那裡可能存在更大的有機物和氨基酸。

未來的一些任務，比如NASA的James Webb太空望遠鏡和ESA的Plato外星球任務，將準備進一步研究太陽系和鄰近恆星周圍行星中的這些過程。英國甚至也在準備自己的外星球任務，Twinkle，也將尋找有機分子的跡象。

雖然我們還沒有檢測到生命，但泰坦、彗星以及星際介質中複雜有機分子的存在意味著我們肯定接近於找到其初始形式了。這也多虧了卡西尼近20年來的外星球探索。卡西尼號將在9月結束其任務，向著土星大氣最後發出信仰之躍，讓我們向其致敬。

論文原文：Carbon Chain Anions and the Growth of Complex Organic Molecules in Titan"s Ionosphere

本文譯自 conversation，由譯者 CliffBao 基於創作共用協議(BY-NC)發布。Ravi Desai(倫敦大學學院)

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