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生命的化學(xué)極限、環(huán)境極限是什么？能否在土衛(wèi)六上孕育出生命？

2020-05-07 10:02 作者:博科園 0人讀過(guò) | 我要投稿

天體生物學(xué)家專注于解決兩個(gè)中心問(wèn)題，以了解生命的環(huán)境和化學(xué)極限。通過(guò)了解生命的邊界，科學(xué)家們想識(shí)別系外行星大氣和太陽(yáng)系中可能的生物特征。例如，類脂雙層膜是我們地球所知的生命先決條件。

之前基于分子動(dòng)力學(xué)模擬的研究表明，由含氮小分子組成的極性反轉(zhuǎn)膜，即偶氮體，可能在低溫液體世界（如土星的衛(wèi)星土衛(wèi)六）上具有豐富的動(dòng)力學(xué)特征。

在一項(xiàng)發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》期刊上的研究中，瑞典查爾默斯理工大學(xué)化學(xué)和化學(xué)工程系的H.Sandstr?m和M.Rahm有了一個(gè)潛在的下一步，來(lái)研究固氮體形成的熱力學(xué)可行性。通過(guò)量子力學(xué)計(jì)算預(yù)測(cè)，與脂質(zhì)雙層不同，偶氮體不能在液態(tài)水中自組裝。

由于嚴(yán)格的無(wú)水和低溫條件，土衛(wèi)六上的假設(shè)天體生物學(xué)可能不需要細(xì)胞膜。這些在預(yù)測(cè)計(jì)算天體生物學(xué)方面的努力，將對(duì)蜻蜓號(hào)任務(wù)計(jì)劃于2034年在土衛(wèi)六泰坦登陸具有重要意義。

土星的衛(wèi)星土衛(wèi)六（泰坦）具有豐富的大氣化學(xué)成分和受季節(jié)性降雨（主要是甲烷和乙烷循環(huán)）驅(qū)動(dòng)的動(dòng)態(tài)表面形態(tài)?？茖W(xué)家們觀察了泰坦極地附近的碳?xì)浠衔锖春秃Ｑ?，以與地球相對(duì)于生命起源的水文循環(huán)進(jìn)行比較。

然而，土衛(wèi)六的表面條件是寒冷的90到94K，與地球不同的是，土衛(wèi)六最外層的表面沒(méi)有氧氣，并被其大氣光化學(xué)產(chǎn)物覆蓋。研究人員還懷疑在最外層的有機(jī)層下面，存在冰凍的水冰殼。

作為最嚴(yán)格的生命極限，土衛(wèi)六提供了一個(gè)獨(dú)特的環(huán)境，可以在接近太陽(yáng)系最冷的低溫下，在沒(méi)有液態(tài)水的情況下。探索大自然的化學(xué)復(fù)雜性及其進(jìn)程。缺乏熱能（90K時(shí)KT=0.75kJ/mol）是土衛(wèi)六上化學(xué)反應(yīng)的瓶頸，而太陽(yáng)光是化學(xué)反應(yīng)發(fā)生的能源(0.4W/m2)。

在這項(xiàng)研究中，科學(xué)家們研究了非生物細(xì)胞膜形成的可能性，這是土衛(wèi)六等星球生命起源的先決條件之一。研究人員還討論了將分區(qū)作為生命中心的想法，以暗示土衛(wèi)六上存在固氮體的迷人可能性。

固氮體是由帶有氮頭基團(tuán)和碳?xì)湮不》肿咏M成的膜，與水中正常的脂膜相比，疏水基團(tuán)仍然留在固氮體膜的外部(極性反轉(zhuǎn))，其中疏水基團(tuán)通常留在內(nèi)部。研究小組利用低溫甲烷中的分子動(dòng)力學(xué)溶液預(yù)測(cè)，如果這些結(jié)構(gòu)是由丙烯腈(C2H3CN)制成的，它們將具有與水溶液中正常脂質(zhì)雙層相似的彈性。

固氮體的可能性，進(jìn)一步點(diǎn)燃了關(guān)于生命極限的研究。在最初預(yù)測(cè)的兩年后，科學(xué)家們使用阿塔卡馬大毫米/亞毫米陣列(ALMA)令人印象深刻地在土衛(wèi)六上探測(cè)到了丙烯腈。

因?yàn)榉巧锖蜕锏恼Ｄず湍z束，是在有利熱力學(xué)驅(qū)動(dòng)下通過(guò)自的自組裝過(guò)程形成的?？茖W(xué)家們研究了所提出的固氮體膜，是否也保持了與熱力學(xué)相似的生命力。

為此，科學(xué)家使用量子化學(xué)計(jì)算對(duì)固氮體的動(dòng)力學(xué)持久性進(jìn)行了估計(jì)，然后在土衛(wèi)六嚴(yán)格的熱力學(xué)條件下，研究了它們與假想外部生物學(xué)之間的聯(lián)系。在“脂質(zhì)世界”或“細(xì)胞優(yōu)先”假說(shuō)中，膜的非生物形成促成了生命出現(xiàn)；在臨界濃度以上，水中的脂質(zhì)自發(fā)地自組裝形成膜和膠束等超分子結(jié)構(gòu)。

在土衛(wèi)六上的固氮體自組裝過(guò)程中，設(shè)想的結(jié)構(gòu)需要具有動(dòng)力學(xué)持久性和比相應(yīng)分子晶體(分子冰)更低的熱力學(xué)能量，研究小組使用晶體分子冰作為丙烯腈自組裝的競(jìng)爭(zhēng)者。

科學(xué)家們應(yīng)用色散修正密度泛函理論(DFT)形式的量子力學(xué)計(jì)算了丙烯腈冰四相能量，與實(shí)驗(yàn)衍射數(shù)據(jù)相對(duì)應(yīng)。密度泛函理論計(jì)算證實(shí)了結(jié)構(gòu)中不存在虛聲子模，以確保結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性，并用90K下液態(tài)甲烷中基于密度泛函理論量子分子動(dòng)力學(xué)模擬進(jìn)一步證實(shí)了這一點(diǎn)。

計(jì)算考慮了與周圍甲烷環(huán)境的色散相互作用，同時(shí)考慮了泰坦表面相關(guān)條件下的熱事件和熵事件。生命起源的熱力學(xué)問(wèn)題并不是土衛(wèi)六所獨(dú)有；在表面生命可能是地球生命進(jìn)化第一步的表面上，形成大分子所需的吉布斯能量減少了。

科學(xué)家們將計(jì)算局限于僅評(píng)估基于丙烯腈的偶氮體及其在土衛(wèi)六上相關(guān)條件下的自組裝，并表明在90K下長(zhǎng)期存在足夠的動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性，假設(shè)由較大分子組成膜結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性要低得多。

研究結(jié)果并沒(méi)有決定性地勾勒出低溫可操作膜自組裝的可能路線。不排除其他極性反轉(zhuǎn)膜的存在和相關(guān)性，這些膜是在較溫暖的碳?xì)浠衔锃h(huán)境中，由更強(qiáng)的相互作用組分構(gòu)建而成。

在沒(méi)有固氮體或其他細(xì)胞膜情況下，在低溫條件下不太可能發(fā)生控制生命的過(guò)程，盡管像土衛(wèi)六這樣寒冷碳?xì)浠衔锸澜缟系纳膊灰欢ㄐ枰?xì)胞膜?？茖W(xué)家們進(jìn)一步指出，土衛(wèi)六上任何假想有生命大分子或生命形式的關(guān)鍵機(jī)械都將只存在于固態(tài)（氮）中，永遠(yuǎn)不會(huì)有被溶解破壞的風(fēng)險(xiǎn)。

問(wèn)題仍然存在，這些生物分子是否會(huì)從細(xì)胞膜中受益。由于土衛(wèi)六上的低溫條件，生物大分子可能依靠氫、乙炔或氰化氫等含能小分子的擴(kuò)散來(lái)生長(zhǎng)和復(fù)制。一層膜可能會(huì)阻礙擴(kuò)散的這種好處。同樣，膜可以阻礙包括甲烷和氮在內(nèi)的新陳代謝廢物去除。

相反，假想的膜也有可能保護(hù)土衛(wèi)六上的生命大分子免受有害化學(xué)物質(zhì)侵害。然而，為土衛(wèi)六熱驅(qū)動(dòng)反應(yīng)路徑計(jì)算的較窄能量范圍表明，與地球相比，只有更少的可能會(huì)破壞土衛(wèi)六上的大分子。

以這種方式，固氮小體被提議能在液態(tài)甲烷中形成低溫可操作的膜，這對(duì)生物學(xué)主要理解提出了一個(gè)耐人尋味的挑戰(zhàn)。該分子強(qiáng)調(diào)了在計(jì)算天體生物學(xué)中跟蹤預(yù)測(cè)分子性質(zhì)的重要性，以便在可能的情況下確定合理的形成路線。

要得出化學(xué)的具體預(yù)測(cè)來(lái)支持在像土衛(wèi)六上熱力學(xué)環(huán)境約束下發(fā)生的生物過(guò)程，仍然是極其困難的。隨著感興趣的分子變得越來(lái)越復(fù)雜，對(duì)性質(zhì)和形成路線（動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)）進(jìn)行可靠建模的挑戰(zhàn)可能變得極其困難。

科學(xué)家們計(jì)算出，固氮體膜可能在動(dòng)力學(xué)上是持久的，盡管這種結(jié)構(gòu)在熱力學(xué)上可能是不可行的，因?yàn)樽柚沽怂鼈兊淖越M裝（與液態(tài)水中的脂質(zhì)雙層不同）。土衛(wèi)六的無(wú)水和低溫環(huán)境不太可能形成細(xì)胞膜。

雖然有可能在實(shí)驗(yàn)上檢驗(yàn)關(guān)于固氮體膜存在或不存在的計(jì)算預(yù)測(cè)，但對(duì)益生菌化學(xué)和生物學(xué)的實(shí)際環(huán)境極限推測(cè)仍然是推測(cè)。研究小組建議對(duì)擬議的益生菌和生物結(jié)構(gòu)和過(guò)程進(jìn)行仔細(xì)的計(jì)算探索，以及它們的可信性，以指導(dǎo)未來(lái)對(duì)土衛(wèi)六表面化學(xué)進(jìn)行采樣。