科学探索|“毒温泉”孕育早期生命，这是地外生命探索重要依据
据国外媒体报道，地球生命起源一直是困惑科学家数十年的未解谜团，目前，最新研究表明，地球早期生命可能是从“毒温泉”开始的，同时，深入了解地球上复杂分子的形成过程，将有助于指引我们在太阳系其他星球上寻找生命形式 。
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图片来自于 WiKiMedia
在美国加州拉森火山国家公园的“邦帕斯地狱（Bumpass Hell）”，地面处于沸腾状态，空气中弥漫着臭鸡蛋气味，气泡从泥坑中喷涌，释放出黏稠液体的爆裂声，灼热的蒸汽从地球火山口喷出 。这处可怕的地形是以牛仔肯德尔·邦帕斯（Kendall Bumpass）的名字命名，1865年，当邦帕斯走近这里，踩到薄薄的地壳，沸腾的酸水严重烧伤了他的腿部，导致他不得不进行截肢 。
图中是美国加州拉森火山国家公园的“邦帕斯地狱（Bumpass Hell）”，地热池边缘的湿润和干燥循环被认为促进了生物分子的聚集 。
一些科学家主张称，地球上的生命是在看似不适宜居住的条件下逐渐形成的，生物在地球上游荡之前，像邦帕斯地狱这样的高温温泉可能促进化学反应，使简单分子连接在一起，从而向复杂生命迈出第一步 。然而，其他科学家将地球生命的起点聚焦于海底深处的热液喷口，在海底热液喷口处，富含矿物质的热水从海底裂缝中翻滚而出 。
当研究人员研究和辩论地球生命最初在哪里诞生以及如何爆发式生长时，这项最新研究提供了重要的理论支持 。美国加州大学圣克鲁兹分校天体物理学家娜塔莉·巴塔哈（Natalie Batalha）称，了解这颗行星上生命的起源可能为何处寻找地外生命提供重要线索 。
美国宇航局艾姆斯研究中心化学家威诺娜·维康特雷（Wenonah Vercoutere）对此表示赞同，她说：“这项最新研究对于太空探索的未来具有重要意义，整个宇宙的物理规则都是相同的，那么为什么生物学规律无法延续下来？为什么整个宇宙不存在生物活跃性呢？”
陆地温泉
从生物化学核心来看，生命的组成仅依赖于几种元素：化学元素、水或者其他可以发生化学反应的介质，以及为这些反应提供动力的能量来源 。在地球上，所有这些成分都存在于陆地温泉中，这里是一些顽强生物的家园 。例如：2016年发表在《自然通讯杂志》的一篇文章指出，美国内华达州的“大沸泉（Great Boiling Spring）”，温泉温度高达77摄氏度，但是微生物还是设法在温泉粘土滩附近水域生存下来 。
加州劳伦斯·利弗莫尔国家实验室微生物生态学家詹尼弗·佩特里奇（Jennifer Pett-Ridge）说：“像这样的生存环境可能非常接近地球早期环境，所以这些生命形式最有可能与一些地球早期生命有关 。”
【科学探索|“毒温泉”孕育早期生命，这是地外生命探索重要依据】温泉中的微生物可以形成称为“微生物垫（microbial mats）”的生物群落，由微生物垫是由多层微生物构成，它们遍布世界各地的地热区域，其中包括：美国黄石国家公园、俄罗斯南部的加尔加温泉，以及美国加州拉森火山国家公园——“邦帕斯地狱”所在地 。
随着时间的推移，微生物垫可以形成叠层岩，微生物和矿物质累积叠层的结构，叠层岩的分层结构映射了随时间流逝的地质变化，就像树木的年轮一样 。
研究人员在西澳大利亚内陆地区35亿年前岩石中发现叠层岩证据，同时还发现温泉矿床的相关证据，相关内容发表在2017年出版的《自然通讯杂志》上 。这项最新发现以及之前的微生物相关迹象，使得研究小组认为，地球上部分最早生命是在这样温泉环境中繁衍发展的 。
加州大学圣克鲁兹分校生物物理学家大卫·德默（David Deamer）用45年的时间探索地球上的生命是如何起源进化的，他开始研究脂质，即构成细胞周围膜的油性分子 。
德默是温泉-生命起源论的大力支持者，他曾证实地球温泉可以产生类似气泡的囊泡，该囊泡外层是脂质构成 。像这样的结构可能是现代细胞的祖先前体 。
科学家认为，冰岛的布拉佛温泉是早期地球上可能形成生命的环境之一 。
加州大学圣克鲁兹分校天体生物学家布鲁斯·戴默（Bruce Damer）运用计算机科学方法解决生命起源问题，他与德默合作测试温泉的条件能否促使凝聚反应，即两个分子结合成一个更大的合成物 。
当水从温泉中溅出并蒸发时，液体中的分子会发生凝结反应并连接起来，随后的飞溅会增加更多的分子，这些分子可以在液体再次蒸发时进行额外的冷凝反应，反复的润湿和蒸发可以产生分子链 。
2018年，戴默在新西兰一处活跃的地热区域进行了实验，该实验被命名为“地狱之门”，为了验证这一假设，他准备了装有组装RNA链所需成分的小瓶，RNA是一种核酸，在蛋白质合成过程中起到信使作用，可能催化了与早期地球生命起源有关的化学反应，这种混合物包括四种RNA构建成分中的两种，这些核苷酸连接在一起形成RNA链 。
戴默将打开的小瓶放在一个金属盒中，该金属盒有两个CD盒大小，然后将该装置放在一个接近沸腾的热液池中 。为了模拟原始地球时而湿润、时而干燥的环境，他向小瓶中注入酸性温泉水，使小瓶逐渐蒸发干燥，然后再重复几次湿-干循环 。当他将小瓶拿回实验室时，发现其中含有100-200个核苷酸长度的类RNA链 。
这项研究结果发表在2019年12月出版的《天体生物学杂志》上，该研究表明温泉中可以形成复杂的分子，从而支持了地球生命可能在这样的环境中生存发展的假设 。2020年，达默和德默以及同事再次返回“地狱之门”实验地点，来确认达默的研究结果，并进行了更多的湿-干循环研究 。
美国亚特兰大市乔治理工学院化学家尼古拉斯·胡德（Nicholas Hud）从一个略微不同的角度研究生命起源：他探索了DNA和RNA核苷酸是如何起源的，他同意这些分子在陆地上比海洋中更有可能通过凝结反应连接在一起，在那里可以发生干湿循环 。这些反应将产生水，当生活环境周围存在很多水的时候，这样的化学键的形成在能量上是不利的 。胡德说：“形成这种结构的最佳地点是炎热干燥的地方，潮湿、炎热的环境最不容易形成它们 。”
水下环境
然而，有证据表明，潮湿、高温环境正是生命起源的地方，在黑暗深海底的热液喷口，加热的水喷涌进入海水之中，其温度仅高于冰点几摄氏度 。
2017年，研究人员在加拿大魁北克省发现37.7亿年前的化石证据，其源自远古海底，显示出热液活动的多种迹象 。研究人员称，这些独特化石结构类似于微生物，从而表明深海环境中可能存在地球早期生命的相关证据 。
在大西洋“遗失之城”发现的石灰岩烟囱等喷口的化学成分支持着微生物的生存 。
这些海底环境可能非常极端：一些喷涌黑色水柱的热浪喷口温度高达400摄氏度，然而，如果热液喷口在孕育早期生命方面发挥重要作用，那么它很可能是温度适宜的热液喷口 。例如：“遗失之城”是大西洋中部的一个热液区，从火山口流出的流体温度在40-90摄氏度之间，这里因其引人注目的石灰岩烟囱而闻名，一些海底石灰岩烟囱高度大约60米 。
这些石灰岩烟囱是微生物的家园，它们以一种叫做蛇纹岩化的化学反应产物为食，加州美国宇航局喷气推进实验室天体物理学家劳里·巴格（Laurie Barge）说：“热液喷口是非常有趣的环境，因为它们位于水和岩石的交界面 。”
像遗失之城这样的区域，水和岩石之间的化学反应使得从喷口流出的水比海洋中的水碱性更高，而海水中含有更高浓度的正电荷氢离子 。从碱性水向酸性水的梯度变化就像电池正极和负极之间的差异，它可作为化学活性的能量来源 。
为了研究水下热液喷口的状况，巴格在实验里了建立了模拟环境，她说：“我们可以模拟自然界所看到的事物 。”为了描绘早期地球的海洋环境，她在一个倒置玻璃瓶中装满了含铁但不含氧的酸性混合物，塑料管一端穿过玻璃瓶狭窄底部，连接着稳定的碱性溶液，其作用就像一个排气口 。
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研究人员模拟了一个酸性海洋中的碱性热液喷口，以探索古代海洋的化学成分，这样的条件能产生烟囱结构 。JPL-Caltech/NASA
当巴格和同事将含有RNA核苷酸的碱性喷口溶液注射到一个海洋模拟瓶时，单个的RNA核苷酸将连接成短链 。这些短链仅有3-4个核苷酸长度，但研究人员在2015年发表在《太空生物学》杂志的研究报告中称，深海热液喷口的条件状况可能支持地球生命孕育的相关反应 。
潜在的问题
对德默而言，在水下热液喷口附近组装生命元素存在着巨大障碍：浩瀚海洋会稀释分子，所以它们不会浓缩到足以引发化学反应的状态 。此外，水下环境没有“干-湿循环” 。这需要反复蒸发处理，才能将足够多的分子聚集在一起，使其相互碰撞发生反应，从而形成更长的链 。此外，德默表示，与温泉中的淡水不同，咸海水会抑制薄膜的形成，并抑制分子连接在一起的反应 。
然而，学术界对德默的热温泉理论也提出了批判，美国宇航局艾姆斯研究中心天体生物学家大卫·德斯马拉斯（David Des Marais）说：“DNA和RNA链是由磷酸盐和糖分子交替组成的，但是糖在温泉环境中非常不稳定 。”
现在排除水下“干-湿循环”可能还为时过早，美国盐湖城犹他大学海洋微生物学家比尔·布雷泽尔顿（Bill Brazelton）说：“可能会有一些水保存在喷口处，之后由于火山口消耗水进行蛇纹岩化反应，从而制造出其他分子，你可以在海底岩石中进行这些脱水循环 。”
当前科学家可能无法确定地球生命如何孕育诞生：地球最早期大多数地质记录都已消失，除地球上的温泉和深海喷口之外，还有许多生命起源的推测理论 。例如：最新研究表明，小行星碰撞可能会将过热的海水输送至地壳中，产生类似温泉的水热系统 。
德斯马拉斯说：“我认为我们必须承认一点，为了促进生命孕育繁衍，早期生命可能历经了许多坎坷之路 。”
地外生命
研究人员正在使用自己所学到的知识，分析生命在地球上何时何地起源发展，这些知识或将指引人类在地球之外寻找生物特征 。目前太阳系存在几颗颇有希望的星球，很可能在这些星球上发生神秘的生命形式 。
加州大学圣克鲁兹分校科学家巴塔哈说：“美国宇航局真正感兴趣的是在木卫二和土卫二等冰封卫星表面之下的海洋中是否存在生命 。”科学家有证据表明，这两颗卫星表面冰壳之下有含盐液态海洋 。
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图中是美国宇航局“卡西尼号”飞船拍摄的土卫二冰冻表面喷涌的水蒸气，其中含有：碳、氮和氧的化合物 。羽流中的氢是冰下海洋热液活动的证据，类似于地球上的深海喷口 。
这些卫星有趣之处在于除了存在液态水之外，它们的表面喷射水柱，从而表明存在着热液活动 。美国宇航局“卡西尼号”太空探测器甚至在土卫二喷射羽流中发现含有碳、氮和氧的化合物，以及构成蛋白质的氨基酸等一些成分 。木卫二和土卫二之所以吸引天文学家，是因为它们的海底活动可能类似于我们地球海洋的热液喷口，这样的环境将潜在地为生命提供化学条件 。
表面冰冻卫星也可能促进凝结反应，巴格说：“即使你处于一颗冰冷的卫星，你也会经历冰的冻结和融化过程，所以，我认为有必要说，如果干湿循环很重要，那么我们应该在太阳系中寻找任何可能促进脱水振荡的环境条件 。”
但是要寻找远古生命迹象，德默和戴默认为火星是更有可能存在生命的星球 。矿床样本分析表明，地球远古时期曾存在温泉和热液活动，维持了湿润和干燥循环，这对于凝结反应孕育生命是至关重要的 。
目前，多个国家提出了火星探索计划，美国宇航局“毅力号”火星车将在2021年2月登陆火星耶泽洛陨坑，寻找远古生命的迹象，例如：采集岩石样本中的矿物质 。尽管火星和“邦帕斯地狱”相隔5460万公里，但它们两者环境的差别并不大 。
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