閃電是如何給地球和其它地方帶來生命的?

在其它星球上搜尋生命的過程就如同烹飪,所有的素材都具備了 —— 水、温暖的氣候、濃厚的大氣層、適當的養分、有機物以及能量源。然而,如果沒有一個可以促進這些素材相互反應的過程或環境,那麼你只能得到一些毫無用處的原材料。

所以説,有時候生命需要靈感的火花 —— 也許需要幾萬億個。一項發表於《自然?通訊》雜誌的新研究表明,在地球上生命首次出現的大約 35 億年前,閃電作為關鍵媒介合成了構成有機物的磷。磷是構成 DNA、RNA、ATP(所有已知生命體的能量來源),以及像細胞膜這樣的生物結構的重要物質。

閃電是如何給地球和其它地方帶來生命的?

(來源:MIT Technology Review)

耶魯大學的研究人員本傑明?赫斯是這篇新論文的第一作者,赫斯表示,“這項研究事實上是一次幸運的發現。它為我們在其它類地行星上找到生命存在的證據提供了新的可能性。”

閃電在地球生命誕生的過程中扮演了重要角色的觀點早已有之,實驗室實驗已經證明,由閃電合成的有機物包括諸如氨基酸(蛋白質的構成物質)這樣的原始化合物。

不過,這項新研究從另一方面討論了閃電的作用,科學家們一直在思考一個有關地球上的早期生命如何獲取磷的大問題。在數十億年前,儘管有着大量的水以及二氧化碳,但磷元素還是存在於無法溶解且不能產生化學反應的岩石中,換句話説,磷元素基本上是被封存起來的。

那麼有機物是如何得到這種重要元素的?主流的觀點是磷鐵鎳隕石將磷帶到了地球,這種礦物質能夠溶於水,因此磷元素就能被生命體所用。該理論存在着一個重大問題,那就是在 35 億年到 45 億年前地球上生命開始出現的時候,隕石撞擊事件的發生率呈指數級下降,而地球需要大量含磷的磷鐵鎳隕石才能形成生命。

同時隕石撞擊具有相當程度的破壞性,它可以過早地殺死新生生命體(比如説恐龍)或者蒸發掉大部分磷鐵鎳隕石所帶來的磷元素。

赫斯和同事們認為,他們找到了答案。磷鐵鎳礦還存在於閃電熔岩這樣的玻璃物質中,閃電擊中地面時就形成了這種物質,它會從岩石中吸收磷元素。閃電熔岩同樣溶於水。

2016 年,相關論文的作者們在伊利諾伊州收集到了在閃電擊中地面過程中形成的閃電熔岩,不過當初只是通過這些樣本來研究極高的閃電温度的影響,他們發現閃電熔岩中含有 0.4% 的磷鐵鎳礦成分。

通過閃電熔岩,科學家們只需去測量一下數十億年前的磷鐵鎳成分產生量,當時正是地球上生命首次出現的時候。大量的文獻估計,遠古地球時期的大氣二氧化碳含量是引發閃電的重要因素。在瞭解了二氧化碳濃度與閃電的關係之後,研究團隊使用該數據來確定當時閃電出現的頻率。

赫斯和同事們得出結論,每年數萬億次的閃電會產生 110 到 1.1 萬千克的磷鐵鎳成分。隨着時間的推移,閃電活動足以產生大量的磷元素,以促進有機物的生長與繁殖,由閃電活動產生的磷元素遠遠多於隕石所帶來的磷元素。

通過這一發現來了解地球的歷史是一件十分有趣的事情,但它也為我們思考地外生命的發展拓展了新的視野。赫斯表示,“對於那些隕石撞擊活動發生概率越來越小的行星來説,這種方式可能會促使生命的誕生。”

這種 “閃電帶來生命” 的模型僅僅侷限於淺水環境,因為閃電必須將閃電熔岩生成在可以適量溶解以釋放磷元素的地方。然而在大型水體中,這一情況卻不容易發生。

這種侷限性並不是一件壞事,在天文生物學仍將注意力集中在海洋上時,該研究已經將重點轉向了沒有地表水覆蓋的火星等行星。

需要明確的一點是,這項研究並沒有否認隕石撞擊在生成磷元素方面的作用。赫斯強調,熱液噴口等其它形式也可能會代替隕石撞擊或閃電。

最終來看,在 35 億年前,地球看起來與今天並不相同,我們並不完全清楚是否有足夠多的暴露在空氣中的岩石(它們需要被閃電擊中來產生磷鐵鎳成分)來生成磷元素。

赫斯打算讓其他科學家來解決這些問題,因為其中涉及到的領域已經超出了他的日常工作,其表示,“但我依然希望人們能夠重視閃電熔岩,並且在以後對這種方法的可行性進行實驗。我希望我們的研究會對在淺水環境中搜尋生命提供幫助,這也正是我們目前在火星上進行的工作。”

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