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康奈尔大学科学模拟显示土卫六或有“非水生命”形式
康奈尔大学科学模拟显示土卫六或有“非水生命”形式
2015/3/2 23:15:05 | 浏览:1239 | 评论:0

康奈尔大学科学模拟显示土卫六或有“非水生命”形式

一个9纳米“氮质体”的示意图,其大小与一个病毒相当,有一部分外膜移去,显示出其空心结构。

近日,康奈尔大学的化学工程师和天文学家模拟出了一种新的生命形式。这种生命以甲烷为基础,不需要氧气,其代谢和繁殖都与地球生命相似。

通过一种兼具想象力与严格科学性的方式,科学家提出了一个存在于严酷、寒冷环境下的生命样板,尤其适用于土卫六(又称泰坦,土星最大的卫星)。在这颗卫星上,巨大的海洋不是由水组成,而是代之以液态的甲烷。土卫六上或许存在着基于甲烷、无需氧气的生命。

理论上,这种生命具有的细胞膜由小的有机氮化合物组成,能在液态甲烷所处的温度——零下180摄氏度——下保持活性。这项工作由化学分子动力学专家波莱特·克兰西(Paulette Clancy)和第一作者、化学工程研究生詹姆斯·斯蒂文森(James Stevenson)主持完成,相关的研究结果发表在2月27日的《科学进展》(Science Advances)上。论文的共同作者乔纳森·卢尼内(Jonathan Lunine)是康奈尔大学辐射物理学和太空研究中心的主任。

乔纳森·卢尼内是土星卫星的专家,同时也是卡西尼-惠更斯任务——发现了土卫六的甲烷-乙烷海洋——的跨学科科学家之一。受到土卫六可能存在甲烷生命的启发,同时借助邓普顿基金会关于“非水生命”(non-aqueous life)的资助,他于一年之前向康奈尔大学寻求有关化学模拟方面的学术帮助。此前从未见过卢尼内的波莱特·克兰西伸出了援手。

“我们不是生物学家,也不是天文学家,但我们拥有正确的工具,”克兰西说,“或许这会有所帮助,因为我们没有预设什么东西应该在细胞膜里,什么东西不应该。我们只是对那里已知的化合物进行了分析,然后问,‘如果这是你的调色板,你能创作出什么来?’”

在地球上,生命基于磷脂双分子层膜,这是一种强韧、可渗透的水基小囊结构,将多种有机物质包容在一起,并能进行有选择性的物质运输。由这种膜组成的小囊称为脂质体。许多天文学家在寻找地外生命时,将目光集中在了适居带中,这是一个环绕太阳一定距离的区域,在该区域内的行星上可以存在液态水。但是,如果细胞并不是基于水,而是基于甲烷形成呢?液态甲烷的温度显然低得多。

根据脂质体(liposome)一词,化学工程师将他们理论中的细胞膜称为“氮质体”(azotosome),其中“azote”是法语中“氮”的意思。氮质体由存在于土卫六低温海洋中的氮、碳和氢分子组成,但具有与地球生命脂质体同样的稳定性和柔韧性。这一结果令克兰西和斯蒂文森这样的化学家感到惊喜,因为他们之前从未想到过细胞稳定性的机制。他们研究的对象通常是半导体,而非细胞。

他们采用了一种分子动力学方法对候选的甲烷化合物进行了筛选,找出能够自组装形成膜结构的化合物。最有可能性的是一种丙烯腈氮质体,它显示出了很好的稳定性,不易解体,同时具有与地球生命的脂质体类似的柔韧性。丙烯腈是一种无色有毒的液态有机化合物,可用于生产丙烯酸树脂、聚丙烯腈和热塑性塑料,它也存在于土卫六的大气层中。

波莱特·克兰西对已经取得的结果感到兴奋,接下来,他将尝试模拟出这些细胞在甲烷环境中的行为变化,即这些基于甲烷的细胞在无氧条件下如何进行代谢和增殖。

乔纳森·卢尼内展望未来能够在土卫六上检验这些结果。他说:“有朝一日将探测器送上土卫六,漂浮在这颗卫星的海洋表面,直接采集有机物的样本。”詹姆斯·斯蒂文森说,他部分受到了阿西莫夫科幻小说的启发。在1962年的一篇短文中,阿西莫夫提到了非水基生命的概念。(任天)

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