科学家发现地球远古大气可能催生了生命

科罗拉多大学博尔德分校等机构的研究团队最新发表的一项研究指出，早期地球的大气本身就可能是生命原料的重要“工厂”，能够在没有任何生命参与的情况下合成含硫生物分子，为生命起源提供关键“先手条件”。

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