科学家发现地球远古大气可能催生了生命

这项研究发表于美国《国家科学院院刊》（PNAS），作者通过实验模拟数十亿年前的地球大气，发现当时富含甲烷、二氧化碳、硫化氢和氮气的混合气体在光照作用下，可以自然生成多种含硫生物分子，包括氨基酸半胱氨酸和牛磺酸，以及与代谢密切相关的辅酶M等复杂有机物。 这一结果挑战了长期以来的主流观点——即此类有机硫化合物只有在生命系统出现之后、在生物过程推动下才会形成。

硫元素与碳一样，是生命体系中不可或缺的基本元素，广泛存在于从细菌到人类的各种生物体内，并构成部分氨基酸和蛋白质结构。 先前的实验模拟表明，在类似早期地球的大气条件下，含硫生物分子要么难以形成，要么只能在极为特殊、罕见的环境中以极低产率产生，这也强化了“生命先出现、再造出复杂硫分子”的传统假设。

新研究的第一作者、现为博尔德分校化学系和环境科学研究联合机构（CIRES）博士后研究员的Nate Reed表示，团队此前已经证明，一种被视为潜在“生命迹象”的硫化物——二甲基硫（DMS）——可以在实验室中利用光和简单气体合成，无需任何生命参与。 这一工作曾引发对系外行星生命信号的再思考，因为詹姆斯·韦布太空望远镜曾在系外行星K2‑18b的大气中报告疑似DMS特征，引发“是否意味着存在生命”的讨论。

在最新实验中，研究人员进一步精细模拟了无生命时期的地球大气，将甲烷、二氧化碳、硫化氢和氮气按设定比例混合，并在可模拟早期太阳辐射的光源下长时间照射。 由于硫在大气中的含量极低且极易黏附在实验设备表面，团队使用了超高灵敏度的质谱分析系统，以追踪和测量这些微量反应产物。

结果显示，这一“原始大气反应器”能够自发生成一个“簇群式”的含硫生物分子家族，其中不仅包括半胱氨酸和牛磺酸等氨基酸，还包含辅酶M等与代谢和能量转化密切相关的关键分子。 这意味着，在生命尚未出现之前，地球大气本身就具备制造相当复杂有机硫分子的能力，而不仅限于简单无机硫或极基础的有机物。

研究团队随后基于实验数据，对整层古大气的潜在产量进行了估算。 模型显示，早期天空在相当长的地质时期内，可能累计生成足以供给约10^27个细胞所需的半胱氨酸；相比之下，现代地球上各类生物细胞的总数级约为10^30个。 虽然这一数量低于现今生命总量的需求，但对于一个刚刚启动、处在“萌芽阶段”的全球性生命体系而言，或已构成相当可观的原料库。

研究人员推测，这些在高空形成的含硫分子可以通过降水等方式被带到地表，输送至陆地水体或海洋环境中，将大气中的“空中产物”源源不断地投放到可能孕育生命的环境中。 在这种情形下，远离火山口、深海热泉等传统“高能极端环境”的普通地区，也有可能在雨水携带的复杂硫分子加持下，获得生命化学所需的部分关键成分。

长期以来，主流生命起源模型往往强调局部极端环境的重要性，例如火山活动区、海底热液喷口或富含矿物界面的微环境，认为只有这些高度特殊、化学反应异常活跃的场所，才可能合成生命需要的复杂有机分子。 资深作者、化学系教授兼CIRES研究员Ellie Browne指出，新结果表明，即使不依赖此类高度专门化的地球化学“反应器”，早期大气也可以广泛、持续地为整个星球提供一批复杂含硫分子，从而在一定程度上“降低”了生命起步的门槛。

在系外行星研究领域，这项工作同样具有重要启示意义。 一些此前被视为潜在“生物标志物”的含硫气体，如DMS，在特定行星条件下，可能也存在类似的非生物生成路径，这要求科学界在解读光谱信号时更加谨慎，将行星大气化学背景和物理条件纳入系统分析。 研究团队认为，厘清这类分子的非生命来源，有助于未来在系外行星上更可靠地区分“生命信号”和“化学噪音”。

该研究以“富含硫生物分子的太古代大气”（An Archean atmosphere rich in sulfur biomolecules）为题发表，进一步扩展了人类对早期地球和生命起源条件的认识。 研究人员表示，下一步将继续探索不同气体配比、光照条件及行星环境参数下，大气体系能否生成更多类型的生命相关分子，以搭建更完整的“从大气到生命原料”的化学图景。

编译自/ScitechDaily