日本科学家:可观测宇宙中,我们可能是唯一的生命
来源:环球科学
发布时间:2020-04-25
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基于“自然发生”学说以及其中的“RNA世界”假说,研究人员认为在可观测宇宙中,形成功能性RNA链(至少包含40~60个核糖核苷酸残基)的可能性极低。 

 

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图片来源:Pixabay

 

长期以来,人类一直渴望在宇宙中找到地外生命的痕迹,但一项于今年早些时候发表的研究,给持有此类想法的人泼了一盆冷水。基于“自然发生”学说以及其中的“RNA世界”假说,研究人员认为在可观测宇宙中,形成功能性RNA链(至少包含40~60个核糖核苷酸残基)的可能性极低,而这一长度是RNA具有基本的自我复制功能的必要条件。当然,在可观测范围之外正加速膨胀的整个宇宙中,生命可能出现在无数的行星上,只是我们或许永远找不到它们。

 

撰文 | Tim Childers

编译 | 石云雷

 

 

生命的自然发生

 

目前普遍被科学家接受的猜想是,地球上各个角落活动的复杂生命都起源于非生命物质。而这些非生命物质随机组合,形成了构建生命的基本结构,这一过程也被称为“自然发生”学说(abiogenesis)。不过一直以来,科学家还缺乏相关的研究依据,来支持这个观点。

 

最近,东京大学的天体物理学教授户谷友则(Tomonori Totani)进行了一项创新性研究,试图弄清楚生命由这些无机物自发形成的可能性。在这项研究中,户谷友则建立模型,检测了宇宙中是否有足够的恒星系统中,存在允许生命自然发生的宜居行星。这一研究于今年2月发表在《科学报告》期刊上,研究结果显示,在可观测的宇宙中,我们发现其他生命存在的可能性非常低。

 

“我希望能至少发现一条自然发生学说的现实路径,以便从科学的角度来解释这一学说,”户谷友则说,“一些人认为自然发生的可能性极低,因此生命的起源难以从科学的角度来理解。但我作为一名科学家,一直梦想能解释为什么我们会存在于地球上。”

 

 

“RNA世界”

 

户谷友则的研究主要关注自然发生学说中的基本假设:生命起源于一个RNA世界。1981年,诺贝尔化学奖得主沃特·吉尔伯特(Walter Gilbert)提出了“RNA世界”假说。这一假说认为,在蛋白质、双链的DNA分子(脱氧核糖核苷酸)出现之前,地球上主要存在着与DNA结构相似的RNA分子(核糖核苷酸)。构成核糖核苷酸中的核糖比脱氧核糖多一个氧原子,这也导致RNA分子较DNA分子更不稳定。

 

但在早期地球上,RNA是第一个能复制和储存信息的分子,还具有启动和催化化学反应的功能。这也是地球上的生命物质具有的两项基本特征。相比于现在以DNA和蛋白质为化学基础的生命,RNA世界是一个更原始的分子世界。而在细胞中具有催化功能的RNA酶,特别是RNA在核糖体中发挥的关键作用,也极大地支持了“RNA世界”假说。

 

尽管较为原始,但RNA是由许多单体化合物连接形成的一种多聚物。具体而言,RNA只能由一种被称为核苷酸的含氮碱基分子构成。一些研究人员表示,为了让RNA具有基本的自我复制功能,它至少需要含有40~60个核苷酸。

 

所以,这些由至少40~60个核苷酸组成的RNA分子,是如何自发形成的呢?虽然一些实验已经显示,在适当的条件下,经过足够长的时间,核苷酸能自发组合形成RNA分子。但是,随着RNA链的长度增加,其丰度会迅速降低。在这些实验中,长度超过10个核苷酸残基的RNA分子从未出现。

 

“实验证实,RNA聚合物可以依靠一个基本的随机过程形成,”户谷友则说,“一些实验声称,能形成含有超过50个核苷酸单体的RNA链,但这些实验并不能被重复出来。其中一个问题是,一些聚合物很容易被误认为是长链的RNA聚合物。”

 

户谷友则的模型利用了最保守的RNA聚合方法,即每个核苷酸单体随机地一个接一个连接,组成一条RNA长链。一些科学家认为,由核苷酸单体形成的聚合物之间也能相互连接,这能加速RNA长链的形成。但户谷友则表示这个过程“具有很大的投机性和假设性”。

 

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图片来源:Pixabay

 

 

可观测宇宙之外

 

科学家认为在地球形成5~10亿年后,生命开始在地球上出现。考虑到可观测宇宙中存在10^22颗恒星,生命似乎有很大的机率在宇宙中的其他星球上出现。但考虑到邻近的恒星系统中宜居行星的数量,户谷友则通过数据计算发现,随机形成包含超过40个核苷酸的RNA链的概率很低。在可观测宇宙中,在地球出现生命的时间范围内,有机会让生命“自然发生”的宜居行星数量实在是太少了。

 

“但整个宇宙远远大于我们目前能观测的范围,”户谷友则表示,“宇宙正处于加速膨胀时期,其通过膨胀占据的广阔区域远超过我们能直接监测到的范围。如果在模型中考虑这些更大范围的宇宙空间时(恒星周围存在的宜居行星),生命自然发生的机率将会大幅增加。”

 

大约在138亿年前,宇宙诞生于大爆炸。此后,宇宙一直在快速膨胀。如果将宇宙比作一只烤箱中的面包,我们能观测到的宇宙就像被困在面团中一个气泡。这个气泡的边缘到地球的距离,就是自大爆炸以来光传播的最远距离,也就是可观察宇宙的大小。而可观察宇宙的体积,可能不到通过膨胀形成的整个宇宙体积的10^78分之一。因此,并没有充分的理由支持能在如此小的宇宙区域内,会出现不止一次“自然发生”过程。

 

随着宇宙不断膨胀,我们可观测的宇宙范围会不断增大,而在此之外的宇宙区域也会更加远离我们。据估计,整个宇宙可能含有超过10^100颗恒星。当户谷友则考虑这些可观测范围之外的大量恒星时,他发现生命的出现不再是不可能的,而是非常有可能的。在我们所处的整个宇宙中,生命可能会出现在无数的行星上。这一发现也支持了“RNA世界”假说,尽管这也意味着我们几乎不可能在宇宙中找到新的生命。

 

如果生命首先从RNA分子开始演化,那么“地球上的生命则是由极为罕见的长链RNA聚合物产生的,”户谷友则说,“地球很可能是可观测宇宙中唯一拥有生命的行星。我预测未来对地外生命的观察或探索,将不会取得结果。” 

 

如果偶然在宇宙中相邻的行星上发现了生命,户谷友则相信这颗行星上的生命和地球上的生命拥有相同的起源方式。当然,生命物质有可能搭乘彗星和小行星,穿过行星际或星际空间达到宇宙的某个区域,进而导致了生命在那里的演化。

 

虽然户谷友则的研究工作还无法回答这个最基本的科学问题,但它可能指导对生命起源的后续研究。我们是否仍然是宇宙中唯一存在的生命还未可知。但是如果户谷友则的研究告诉了我们了什么结论的话,那就是:我们不应该相信在可观测宇宙中,会存在其他生命。

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