陨石中首次发现生命起源线索

▲核糖的分子结构模型和默奇森陨石的图像。（NASA/图）

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地外有机物在地球生命起源的过程中发挥了关键作用，这一有关生命起源的假说首次获得了相关证据的支持。

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文 | 南方周末特约撰稿 鞠强

责任编辑 | 朱力远

生命如何起源是当代科学最大的谜团之一，这个问题的答案关系到人类对自己以及地球生命在宇宙中的位置的认识。长期以来，科学家对这个问题进行了深入研究。此前有科学家主张伴随陨石来到地球的地外有机物在地球生命起源的过程中发挥了关键作用，但这个理论尚缺少一些关键证据的支撑。

一项最新研究为这个理论提供了重要的证据。2019年11月18日，来自日本东北大学和美国国家航空航天局戈达德太空飞行中心等机构的研究人员在《美国国家科学院院报》（PNAS）上发表论文，宣布他们在陨石中检测到核糖和其他生命必需的糖类。这是科学家首次在陨石中检测出这些物质，有望成为揭示生命起源之谜的重要线索。

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陨石带来的“礼物”

这个研究小组对三块富含碳元素的陨石进行了研究，并在其中两块陨石中发现了生命必需的糖类。陨石根据组成物质和来源的不同分为多种类型，这两块陨石分别是属于CR2型的编号为NWA 801的陨石和属于CM2型的默奇森陨石（Murchison meteorite）。NWA 801号陨石于2001年在摩洛哥被发现，重量为5千克；默奇森陨石于1969年在澳大利亚默奇森附近被发现，质量超过100千克。默奇森陨石是被研究得最充分的陨石之一，科学家对这块陨石感兴趣的主要原因除了它质量大以外，还因为这块陨石富含有机物，而且坠落过程被目击到。
研究人员使用一种被称作气相色谱法—质谱法联用的技术对陨石的粉末状样品进行分析。这种技术可以通过分子的质量和电荷来对分子进行鉴别，在天体化学和天体生物学中有广泛的应用。除了用于实验室分析外，在对火星、金星、土卫六和丘留莫夫－格拉西缅科彗星的探测中，探测器上都装备了使用这种技术的分析设备。依靠这种技术，研究人员在两块陨石上发现了核糖、阿拉伯糖和木糖，并且测定了这些糖分的含量。他们发现在NWA 801中糖的含量为十亿分之2.3~11，而在默奇森陨石中糖的含量为十亿分之6.7~180。
在此之前，科学家已经在陨石中检测出一系列地外有机物。比如，2001年，美国国家航空航天局艾姆斯研究中心的乔治·库珀（George Cooper）领导的研究小组曾在《自然》（Nature）上发表论文，宣布他们在碳质陨石上发现了多元醇，并推测陨石可能是早期地球有机物的来源。他们当时也分析过默奇森陨石。
这项最新研究的领导者、日本东北大学的古河佳广（Yoshihiro Furukawa）表示，此前发现的生命的组成成分包括构成蛋白质的氨基酸以及作为脱氧核糖核酸（DNA）和核糖核酸（RNA）成分的核碱基，但糖类却一直是拼图中缺失的一块。对陨石中的糖类进行鉴别和分析是一项非常困难的工作，研究人员在过去很长一段时间里一直在探索分析陨石样品中糖类的技术，直到这个研究小组建立了这种方法。
这项研究首次提供了太空中存在核糖并且被送到地球上的直接证据。这个发现支持了此前的一个猜想，即在陨石的母体——小行星上发生的化学反应可能制造出生命的一些组成成分。在地球早期阶段，陨石对地球的撞击会带来这些有机物，从而推动了地球上生命的起源。
戈达德太空飞行中心的杰森·德沃金（Jason Dworkin）是这篇论文的共同作者之一，他认为能够在陨石中检测到像核糖这样脆弱的分子是非常令人振奋的，这些结果可以指导我们去分析取自小行星的原始样品。
目前，日本和美国正在各自实施从小行星取样的计划。2014年12月3日，日本的隼鸟2号（Hayabusa2）探测器发射升空。2015年，隼鸟2号任务的目标小行星被命名为“龙宫”（Ryugu）。2018年9月22日，隼鸟2号释放的两台机器人探测器在龙宫表面成功着陆，探测器在龙宫表面移动并传回影像，实现了探测器首次成功在小行星表面着陆。2019年11月12日，隼鸟2号携带龙宫的样品开始返回地球的旅程，预计在2020年返回地球。
美国国家航空航天局于2016年9月8日发射了欧西里斯号（OSIRIS-REx）小行星探测器，它的目的地是小行星贝努（Bennu）。欧西里斯号目前已经到达贝努，预计在2021年离开贝努。2023年，欧西里斯号会返回地球并带回贝努的样品。这是隼鸟2号后第二个带回小行星样品的计划。
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启动生命的钥匙

核糖是组成RNA的关键成分。在现代生命中，RNA起到的是信使的作用，将DNA中的基因指令传递给细胞中的核糖体。核糖体又被称作分子工厂，可以读取RNA的信息，并制造生命过程所必需的特定蛋白质。
在生命起源的谜团中，一个令科学家感到困惑的问题是生命如何从非生物的化学过程中产生。DNA是生命的模板，携带着生命体的遗传指令。而RNA和DNA一样，也可以携带信息。很多研究人员认为RNA最早开始演化并在随后被DNA所替代，原因在于RNA分子具备DNA分子缺少的一些能力。RNA可以不依靠其他分子而自我复制，还可以作为催化剂启动或者化学反应。
科学家关于地球早期生命产生的研究由来已久。早在20世纪50年代，斯坦利·米勒（Stanley Miller）和哈罗德·尤里（Harold Urey）领导的米勒—尤里实验就试图对早期地球环境进行模拟，从而研究从无机物合成有机化合物的可能性。1986年，诺贝尔化学奖得主沃尔特·吉尔伯特（Walter Gilbert）提出了“RNA世界学说”，指出RNA是最早的生物大分子。但是，RNA是否是启动地球生命的开关，却仍然存在争议。这项新的研究提供了证据来支持这种可能性，来自地外的糖类可能有助于RNA出现在还没有生命的地球上，并先于DNA参与到地球的生命机制中。
这篇论文的共同作者之一、戈达德太空飞行中心的丹尼·格拉文（Danny Glavin）表示，在这项研究分析的所有陨石中都没有检测到DNA中的糖，这说明在地球早期阶段，到达地球的地外核糖中可能只有构成RNA的核糖，这与RNA首先在地球上出现的假设相符。
这个研究小组经过非常谨慎的研究才得出这个结论。他们要考虑这样一种可能性，就是陨石中的糖分只是来自于地球生命造成的污染。不过，多方面的证据都显示污染的可能性可以被排除。比如，研究人员使用了同位素分析的方法。在同一种元素的所有同位素中，原子核内质子数相同而中子数不同，这就造成同位素原子的质量存在一定的差异。碳（C）是地球上生命不可或缺的元素，而在碳的两种同位素中，地球生命更多使用较轻的碳（12C）而不是较重的碳（13C）。但是在对陨石上发现的糖类的测量中，研究人员发现13C的含量显著地多于12C，这是地球生命不具有的特征，因此排除了陨石的糖分是被地球生命污染的可能。
美国国家航空航天局约翰逊太空中心向这个研究小组提供了更多的陨石样品。这个小组计划对这些陨石进行分析，从而更好地了解来自地外的糖类的性质。同时，他们还计划研究地外糖类的手性。有些分子的两种形态彼此呈镜像，像我们的双手一样，这两种形态分别被称为左手性和右手性。在地球上，生命倾向于使用左手性的氨基酸和右手性的糖。但是，这二者的镜像——右手性的氨基酸和左手性的糖也可能起到相同的作用，因此科学家希望了解地球生命的这种偏好是如何产生的。如果小行星上的化学反应的产物也是一种形态多于另一种，那么在地球的早期，陨石撞击地球带来这些产物，也会使得地球上一种形态多于另一种。结果就是地球生命在演化的过程中，倾向于选择数量更多的一种。
在未来的研究中，科学家希望通过分析更多陨石找到地外有机物的蛛丝马迹；同时，隼鸟2号和欧西里斯号带回地球的样品将会为科学家提供宝贵的第一手材料，帮助他们深入了解小行星上的化学反应过程及产物。
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