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科学家在一颗小行星上发现了色氨酸，这种氨基酸被称为“瞌睡素”

排行榜 2025年11月30日 21:31 1 cc
科学家在一颗小行星上发现了色氨酸，这种氨基酸被称为“瞌睡素”

一种在地球陨石中从未被观测到的复杂氨基酸,如今首次在小行星原始样本中现身。NASA戈达德太空飞行中心天体化学家何塞·阿蓬特和安吉尔·莫哈罗领导的研究团队在PNAS发表论文显示,从小行星贝努带回的121.6克样本中检测到色氨酸——这种人体必需氨基酸因错误地被认为是火鸡让人犯困的元凶而广为人知。

这一发现将贝努上已确认的蛋白质构成氨基酸数量提升至15种,占地球生物使用的20种氨基酸的四分之三。更重要的意义在于,色氨酸分子结构复杂且热不稳定,它在原始太空样本中的存在证明,大气层摩擦的高温会破坏许多脆弱有机分子,使陨石研究系统性地低估了太空中生命前体物质的丰富程度。伦敦自然历史博物馆行星科学教授萨拉·罗素指出,这正是样本返回任务不可替代的价值所在。

贝努小行星宽约半公里,每六年环绕地球一周,属于近地小行星中的潜在威胁天体。天文学家计算显示,它在2182年撞击地球的概率约为三千七百分之一。但对科学家而言,贝努更是一个时间胶囊——它的物质组成反映了45亿年前太阳系诞生初期的化学环境。

这颗小行星可能是20至7亿年前从火星和木星之间主小行星带的一颗更大天体分裂出的碎片。其表面覆盖的碳质物质经历过超新星爆发的极端高温,在太阳系形成早期的撞击事件,以及数十亿年的太阳辐射,但某些原始特征仍得以保存。

OSIRIS-REx任务的设计正是为了获取这些未经污染的原始样本。该探测器于2016年发射,2018年抵达贝努并进行了长达两年的近距离观测,绘制了详细的地形图和成分地图。2020年10月,探测器短暂接触小行星表面,释放高压氮气吹起表层物质并收集到容器中。

整个接触过程仅持续数秒,避免了长时间停留可能带来的热量积累。样本容器随后被密封,在返回地球的三年旅程中始终保持真空和低温状态。2023年9月,装载样本的返回舱在犹他州沙漠成功着陆,立即被运往NASA约翰逊航天中心的洁净室。

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原始样本揭示的化学多样性

实验室分析显示,贝努样本的有机物含量和化学多样性超出预期。亚利桑那大学行星科学教授、OSIRIS-REx首席研究员但丁·劳雷塔在论文中写道:"贝努的母体是一个地质丰富的世界,拥有多个液态系统,它们在不同地点、不同时间运作,各自驱动着不同的化学反应。

"样本中检测到磷酸盐、硫酸盐、碳酸盐等多种盐类矿物,它们是远古液态水存在的证据。更重要的是,不同颗粒的矿物组成和有机物含量存在显著差异,表明母体小行星内部曾存在温度和化学条件各异的多个微环境。

色氨酸的发现尤其令人振奋。这种氨基酸含有吲哚环结构,分子量达204道尔顿,是20种蛋白质氨基酸中最复杂的几种之一。

它在高温下容易分解,陨石穿越大气层时表面温度可达数千摄氏度,内部温度也会显著上升。虽然理论上陨石内核可以保持相对低温,但热传导和撞击产生的冲击波仍会对脆弱分子造成损害。此前对数千块陨石的分析从未检测到色氨酸,研究者一度认为这种氨基酸可能不存在于太空环境,或者其丰度极低。贝努样本推翻了这一判断——色氨酸不是不存在,而是无法在大气层穿越过程中幸存。

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Nature子刊上的另一项研究揭示了贝努样本的另一个特征:氮和氨的含量异常高。戈达德天体生物学分析实验室负责人丹尼尔·格拉文团队的分析显示,样本中氨的丰度超过大部分陨石,氮15同位素比值显示这些氮来自太阳系形成初期的低温环境。氨是合成氨基酸的关键前体物,其高丰度为复杂有机分子的形成提供了原料基础。研究者还在水溶性有机物中检测到数千种化合物,包括糖类、羧酸、胺类等,构成了一个完整的前生物化学库。

与日本隼鸟2号从小行星龙宫带回的样本对比,提供了额外视角。龙宫样本中已发现23种氨基酸,包括8种地球生物使用的蛋白质氨基酸,但同样没有色氨酸。卡内基科学研究所的乔治·科迪参与了龙宫和贝努两种样本的分析,他在评论中指出,两颗小行星的化学环境存在微妙差异,贝努经历了更强烈的水岩相互作用,形成了更多粘土矿物,这可能为有机分子的合成和保存提供了更好的条件。龙宫母体的温度更低,有机物保存更完整但多样性略低。

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从太空食品配送到分子化石

宾夕法尼亚州立大学地球化学教授凯特·弗里曼用"太空食品配送员"比喻小行星的角色。她指出,地球形成早期经历了剧烈的撞击和火山活动,表面温度极高,本地合成的有机物很难保存。随着星球逐渐冷却,大量小行星和彗星撞击带来了水和有机物。如果这些天体携带的不仅仅是简单分子如氨和甲烷,而是包括复杂氨基酸和核苷酸在内的完整前生物化学工具箱,那么生命的起源将容易得多——化学演化不必从最基础的小分子开始,而是可以直接利用这些半成品。

这种外源输送假说被称为泛种论的弱版本,它不主张生命本身来自太空,而是认为生命的化学前体通过陨石和彗星大量输送到早期地球。计算显示,地球形成后的数亿年间,可能有数万亿吨富含有机物的碳质小行星物质落到表面。即使大部分在大气层中烧毁,仍有大量物质以陨石形式着陆。海洋、湖泊、冰川都能为这些有机物提供避风港,使其免受紫外辐射破坏并参与后续化学反应。

科学家在一颗小行星上发现了色氨酸，这种氨基酸被称为“瞌睡素”

这些图像由 OSIRIS-REx 航天器的 PolyCam 相机于 2018 年拍摄，显示了小行星 Bennu 的四个视图以及全球拼接图。美国国家航空航天局/戈达德太空飞行中心/亚利桑那大学

已故生物物理学家哈罗德·莫罗维茨提出过一个更激进的观点:构成现代生物体的核心代谢分子,如三羧酸循环中的中间产物,可能本身就是太阳系早期的"分子化石"。他认为,生命系统的化学网络不是随机演化出来的,而是继承和优化了非生物地球化学过程中已经存在的反应路径。贝努样本中检测到的有机酸、氨基酸、核苷酸,恰好覆盖了现代生物代谢的多个核心环节,为这一假说提供了支持。科迪在邮件评论中写道:"如果太阳系早期的自然化学反应产生的分子与目前生命所需的分子相同,那么它们之间必然存在某种联系。"

手性之谜与未来研究方向

贝努样本还揭示了一个未解之谜:氨基酸的手性分布。氨基酸分子除了甘氨酸外都存在左旋和右旋两种镜像形式,化学性质完全相同但空间结构互为镜像。实验室合成氨基酸总是得到等量的左旋和右旋混合物,但地球生物体几乎专用左旋氨基酸。这种手性选择的起源是生命起源研究的核心谜题之一。NASA的初步分析显示,贝努样本中某些氨基酸呈现轻微的左旋过量,但程度远低于地球生物。

这一发现既支持也挑战了现有理论。一方面,它证明非生物过程也能产生手性过量,可能通过圆偏振光照射或手性矿物表面催化实现;另一方面,如果早期地球接收的外源氨基酸是左右基本对等的混合物,那么生物体对左旋形式的专一选择必定发生在地球本地,这为寻找最早生命的化学痕迹提供了线索。日本研究者在龙宫样本中同样观察到微弱的左旋过量,并且发现不同氨基酸的过量程度相关,暗示存在共同的手性选择机制。

莫哈罗在采访中表示,贝努研究最终希望回答的是生命普遍性问题。"这项研究告诉我们,许多生命的基本组成单元都可以在小行星或彗星中自然产生,而色氨酸的发现则扩展了太空中产生的氨基酸种类。"如果宇宙中广泛存在富含有机物的小行星,那么任何拥有液态水和适宜温度的行星都可能经历类似的化学演化过程。阿蓬特补充道:"在太空中自然观察到色氨酸的形成表明,这些成分在早期太阳系就已经存在了。这使得生命的起源更加容易。"从这个角度看,地球生命或许并非宇宙中的孤例,而是化学必然性在合适环境中的自然展现。

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