北京
生命是如何起源的？地球之外是否还有生命存在？这些疑问一直困扰着人类。为了探寻答案，科学家们将目光投向了月球有机质以及地球以外的其他有机质。目前，在陨石（尤其是碳质球粒陨石）中已经发现了多种多样的有机质，其中包括氨基酸、核糖、核碱基等构成地球生命的基本有机分子。这不禁让我们猜测，地球生命是否可能起源于这些“天外来客”播下的种子？
近期，中国科学院广州地球化学研究所的科研团队，首次对我国“嫦娥五号”任务返回的月壤样品中可能存在的有机质进行了探查，发现“嫦娥五号”月壤样品中存在稠环芳香有机质。
研究团队分析的月壤粉末样品（向中国国家航天局申请获得）
（图片来源：作者拍摄）
月球上的有机质是什么？
探查月球有机质面临诸多挑战。以往从“阿波罗”月球样品中检测出的有机质，大多被认定为来自地球的污染，很难确定月球自身有机质的存在。2020年12月17 日，中国成功实现了月球无人采样返回，“嫦娥五号”带回了1731克珍贵的月壤样品。近期，我们团队在“嫦娥五号”带回的月壤样品中发现了稠环芳香有机质，这一发现引起了科学界的广泛关注。
稠环芳香有机质分子结构示例
（图片来源：作者提供）
鉴于以往研究所用的技术方法极少能探测到月球有机质，我们团队创新性地采用了苯多羧酸分子探针方法，专门针对月壤中的稠环芳香有机质进行探查。稠环芳香有机质以苯环为基本结构单元，在整个宇宙中广泛存在。它是由其他有机质在高温条件下演化而成的，并且广泛分布于地球的空气、泥土和天然水体中，比如柴草燃烧、燃煤和机动车尾气排放的颗粒物、木炭以及由生命体埋藏形成的煤和石油中都富含这种有机质。不仅如此，在太阳系的碳质小行星以及浩瀚的星际空间中，也发现了稠环芳香有机质。在陨石（尤其是碳质球粒陨石）中，它是主要的有机成分之一。
通过研究，我们发现“嫦娥五号”月壤样品中确实存在稠环芳香有机质，而且定量结果显示，它是目前月壤中已知含量最高的复杂有机质
图片来源：veer图库
月球有机质从何而来？
与地球上的类似物（如木炭、煤、机动车尾气颗粒等）相比，月壤中的稠环芳香有机质展现出独特的芳环结构。这些稠环芳香有机质含有高度稠合的苯环，其芳环稠合程度与 4 纳米的石墨烯相似。芳环的稠合程度与形成温度密切相关，这表明月壤样品中的稠环芳香有机质可能是在超过600℃的高温条件下形成的，因为其芳环稠合程度高于相同温度下形成的地球类似物。
直径约为4纳米的石墨烯结构，研究团队发现“嫦娥五号”月壤中稠环芳香有机质的芳环稠合程度与之相似
（图片来源：作者提供）
进一步的分析表明，月壤中的稠环芳香有机质并非源自地球污染。这是因为它们的稳定碳同位素“指纹”（C-13/C-12比值）与地球环境中的稠环芳香有机质存在明显差异。陨石撞击是月壤有机质最有可能的来源。但是，奇怪的是，月壤稠环芳香有机质的C-13丰度明显高于陨石中的同类物质，这意味着它并非直接来源自陨石。研究人员推断，这是由于在陨石撞击月球的过程中，高温使得C-13丰度较高的非芳香有机质转化为了稠环芳香有机质。这种由撞击过程形成的高度稠合的（类石墨烯）稠环芳香有机质，在月表强烈宇宙辐射的环境中更易稳定保存，从而有利于月壤中有机碳的积累。
然而，这一过程也可能抹去了陨石中其他有机质（包括氨基酸等生命分子）的痕迹，导致月壤有机质的探查工作难以取得更多成果。除了苯多羧酸分子探针方法外，我们团队还综合运用了多种技术手段，但在月壤样品中尚未发现其他月球有机质。
研究团队对月壤进行预处理：为避免有机污染，实验在全不锈钢和玻璃材质的超净棚进行，接触月壤样品的实验耗材均为无机材质（铝、不锈钢、玻璃、陶瓷、石英等）
（图片来源：作者拍摄）
科研人员在实验过程中会拍摄视频，详细记录实验步骤，双人检查，避免操作失误
（图片来源：作者拍摄）
下一疑问，火星是否存在有机质？
陨石撞击月球的速度通常可达每秒十几公里，撞击产生的温度一般高于1000℃。可见，陨石撞击既有可能播撒生命的种子，也有可能带来毁灭性的后果。相比之下，得益于地球大气层的缓冲作用，在地球上常常能发现富含有机质的陨石。在太阳系陨石撞击最为密集的时期（“晚期大轰炸”，约41-38亿年前），地球收获了大量的陨石有机质，这些有机质或许参与了地球生命的形成过程。
同时，在 37 亿年前，火星可能存在宜居环境和生命。然而，在那之后，火星大气加速逃逸，导致当代火星大气压仅为地球的 0.75%。我国的天问三号任务即将实施，预计2030 年会带回火星样品。探寻火星生命有机质同样是科学研究的重要目标，在过去 37 亿年里，陨石撞击对火壤有机质的影响，在火星有机质探查工作中将是一个值得重点关注的科学问题。
嫦娥五号带回的月壤样品中稠环芳香有机质的发现，揭秘了陨石撞击月球过程中有机质的命运。尽管目前的研究表明，在陨石撞击月球的高温过程中，包括氨基酸在内的生命有机分子会发生热转化生成稳定态稠环芳香结构，导致其难以有效检测，但这一发现仍让我们对宇宙中有机质的分布与演化有了更深刻的认识。
未来，随着天问三号等重大探测任务的逐步实施，人类对火星及其他遥远天体的探索步伐将更为坚实与深入。也许在不久的将来，我们希望成功能够揭开更多关于地外有机质和生命起源的神秘面纱，甚至有望找到地外生命存在的关键证据。科学探索之路永无止境，每一项重大发现都是人类向着浩瀚未知宇宙迈进的关键一步。让我们共同期待，目睹更多的宇宙奥秘被一一揭开！
出品：科普中国
作者：钟广财 张干（中国科学院广州地球化学研究所）
监制：中国科普博览
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