新的研究表明，外星生命可能不是碳基生命

自催化反應(yīng)與生命起源

有趣的“自催化”反應(yīng)似乎比科學(xué)家們想象的要普遍得多

“這里展示的循環(huán)是一系列基本配方，以星球上從未嘗試過(guò)的方式混合和搭配，”

生命需要化學(xué)反應(yīng)的重復(fù)。描述自我維持重復(fù)所需的各種反應(yīng)和條件——被稱(chēng)為自催化——可以集中在其他行星上尋找生命。

(圖片來(lái)源：貝圖爾 ．卡扎爾)

一項(xiàng)新的研究發(fā)現(xiàn)，自我維持的化學(xué)反應(yīng)可以支持與生命截然不同的生物，它存在于不同的行星上，結(jié)合地球生命所依賴(lài)的碳之外的各種元素。

在地球上，生命以有機(jī)化合物為基礎(chǔ)。分子由碳組成，通常還包括氫、氧、氮、磷和硫等其他元素。

長(zhǎng)期以來(lái)，科學(xué)家們想知道外星生命是否會(huì)根據(jù)截然不同的化學(xué)物質(zhì)進(jìn)化。例如，研究人員一直推測(cè)硅也可能是生物學(xué)的支柱。

“探索這些可能性很重要，了解所有形式的生命的樣子，不僅僅是地球上的生命，”該研究的資深作者、威斯康星大學(xué)麥迪遜分校的天體生物學(xué)家、細(xì)菌學(xué)家和進(jìn)化生物學(xué)家貝圖爾．卡扎爾告訴宇宙網(wǎng)。

一種對(duì)地球生命至關(guān)重要的化學(xué)相互作用被稱(chēng)為自催化作用。自催化反應(yīng)目的是自我維持——它們可以產(chǎn)生促使同樣的反應(yīng)再次發(fā)生的分子。想象一個(gè)不斷增長(zhǎng)的兔子種群。成對(duì)的兔子聚在一起，生出一窩新的兔子，然后新的兔子長(zhǎng)大成對(duì)，生出更多的兔子。不需要很多兔子，很快就會(huì)有更多的兔子。

“生命起源研究人員關(guān)心自催化的一個(gè)主要原因是，生殖——生命的一個(gè)關(guān)鍵特征——是自催化的一個(gè)例子，”卡扎爾說(shuō)?！吧呋烁嗌男纬?。一個(gè)細(xì)胞可以產(chǎn)生兩個(gè)細(xì)胞，兩個(gè)細(xì)胞又可以變成四個(gè)，以此類(lèi)推。隨著細(xì)胞數(shù)量的增加，相互作用的數(shù)量和多樣性也相應(yīng)增加?！?/p>

在這項(xiàng)新研究中，研究人員尋找有機(jī)化合物之外的自催化作用。他們推斷，自催化作用可以幫助推動(dòng)自然發(fā)生——生命從無(wú)生命中起源。

科學(xué)家們關(guān)注的是所謂的比例循環(huán)，它可以產(chǎn)生一個(gè)分子的多個(gè)副本。這些產(chǎn)物可以作為起始材料，幫助這些循環(huán)再次發(fā)生，從而產(chǎn)生自催化。

該研究的主要作者，威斯康星大學(xué)麥迪遜分校的進(jìn)化生物學(xué)家彭正告訴宇宙網(wǎng)說(shuō):“可以說(shuō)，歸中反應(yīng)是獨(dú)一無(wú)二的，因?yàn)樗且粋€(gè)產(chǎn)生多個(gè)輸出的單一反應(yīng)——它看起來(lái)很像繁殖?！?/p>

為了找到這些反應(yīng)，科學(xué)家們分析了兩個(gè)多世紀(jì)以來(lái)用多種不同語(yǔ)言寫(xiě)成的數(shù)字化科學(xué)文獻(xiàn)?！巴ㄟ^(guò)有效的語(yǔ)言搜索和翻譯工具，設(shè)計(jì)和實(shí)施這種首次對(duì)自催化循環(huán)普遍性的評(píng)估，”該研究的合著者、威斯康星大學(xué)麥迪遜分校的地質(zhì)學(xué)家扎克·亞當(dāng)告訴宇宙網(wǎng)。

最終，研究人員發(fā)現(xiàn)了270種不同的自催化反應(yīng)循環(huán)?！白源呋饔每赡懿⒉缓币?jiàn)，相反，它可能是許多不同環(huán)境的普遍特征，甚至是那些與地球完全不同的環(huán)境，”卡扎爾說(shuō)。

270個(gè)循環(huán)中的大多數(shù)都沒(méi)有使用有機(jī)化合物。其中一些圍繞著地球上生命中不存在或極其罕見(jiàn)的元素，如汞或放射性金屬釷。許多循環(huán)可能只發(fā)生在極高或極低的溫度或壓力下。

研究人員甚至發(fā)現(xiàn)了四個(gè)涉及惰性氣體的自催化循環(huán)，這些惰性氣體很少與其他元素發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。如果即使是相對(duì)惰性的氣體，如氙，也能參與自催化，“我們有充分的理由猜測(cè)，自催化在其他元素中更容易發(fā)生，”彭說(shuō)。

這些循環(huán)中只有8個(gè)是由4個(gè)或更多反應(yīng)組成的相對(duì)復(fù)雜的循環(huán)。270個(gè)循環(huán)中的大多數(shù)都很簡(jiǎn)單，每個(gè)循環(huán)只包含兩個(gè)反應(yīng)。

卡扎爾在一份聲明中說(shuō)：“人們認(rèn)為這種反應(yīng)非常罕見(jiàn)。”“我們則證明，這種情況其實(shí)一點(diǎn)也不罕見(jiàn)。你只需要找對(duì)地方就行了?！?/p>

研究人員指出，將多個(gè)周期結(jié)合在一起是可能的，即使它們彼此非常不同。會(huì)導(dǎo)致自我維持的化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生各種各樣的分子，從而產(chǎn)生大量的復(fù)雜性。

研究人員說(shuō)，我們可以在25年內(nèi)發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)系外的生命。

“有了這么多的自催化的基本配方，研究的重點(diǎn)現(xiàn)在可以轉(zhuǎn)移到理解如何自催化，通過(guò)比例，可能有更明顯的影響，在形成一個(gè)星球的化學(xué)，”卡扎爾說(shuō)。

科學(xué)家們希望未來(lái)的研究可以對(duì)他們創(chuàng)造的這本新配方進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試。

彭說(shuō):“這里展示的循環(huán)是一系列基本配方，以我們星球上從未嘗試過(guò)的方式混合和搭配?！薄八鼈兛赡軙?huì)導(dǎo)致發(fā)現(xiàn)復(fù)雜化學(xué)的全新例子，這些例子可以在碳基甚至硅基循環(huán)過(guò)于燃燒或凍結(jié)的條件下工作?！?/p>

研究人員嚴(yán)肅地說(shuō)，還不確定這些周期有多可信?！安荒鼙ＷC我們整理的樣本能在實(shí)驗(yàn)室里運(yùn)行，或者在其他天體上找到，”彭說(shuō)。

亞當(dāng)說(shuō)，除了這項(xiàng)工作可能對(duì)尋找宇宙中的生命和理解生命的起源有意義之外，這項(xiàng)研究還可能有實(shí)際應(yīng)用，比如“優(yōu)化化學(xué)合成和有效利用資源和能源”?！傲硪环N是將化合物用于化學(xué)計(jì)算等有趣的任務(wù)?！?/p>

科學(xué)家們?cè)?月18日的《化學(xué)學(xué)會(huì)雜志》上詳細(xì)介紹了他們的發(fā)現(xiàn)。

BY:Charles Q. Choi

FY:jane

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