隼鸟2号发现地外氨基酸到底意味着什么

2022-10-13徐蒙

太空探索 2022年10期

文/徐蒙

▲ 隼鸟号和小行星糸川艺术图

在今年的月球与行星科学大会（LPSC）上，“隼鸟2号”团队发表了一篇名为《小行星162173龙宫上的可溶性有机化合物》的摘要，宣布在探测器采回的小行星龙宫样品里发现了多种氨基酸。这个发现迅速引发媒体的竞相报道和公众对地外生命的万千遐想。氨基酸之于生命，有什么特殊之处？“隼鸟2号”本次发现了哪些氨基酸？氨基酸在地外星球上罕见吗？发现地外氨基酸到底意味着什么？从氨基酸到地外生命还有多远？

▲ 氨基酸——“生命积木”

氨基酸：碳基生命大厦的“砖石”

液态水和有机物是我们地球碳基生命得以诞生、繁荣所必需的物质。一颗星球上是否存在水和有机物，自然成为我们探寻这颗星球上是否有生命存在的重要参考依据。

但事实上，近几十年的深空探测成果已经明白无误地告诉我们：水，并不罕见。月球、火星和诸多小行星上都有着多种形式的水；外太阳系木星和土星的冰卫星冰层之下可能拥有液态水海洋和深海热泉的供能系统，是接下来深空探测任务寻找地外生命的重点目标。有机物，也不罕见。彗星和以碳质小行星（C型小行星）为代表的小行星上根本不缺有机物；好奇号火星车更是明确在火星上通过钻孔采样，探测到了多种噻吩（C4H4S）、芳香族、脂肪族复杂有机物。

那为什么我们迄今为止还没有在其他星球上发现过任何一点生命的存在呢？是不是这些有机物还“不够份量”？回顾我们自身，地球生命这种复杂系统的运行，需要一种“特殊”的有机物——氨基酸。

▲ 氨基酸的基本结构

氨基酸的基本结构并不复杂，包含碳（C）、氢（-H）、氨基（-NH2）、羧基（-COOH）和一个任意侧链基团（-R）。显然，连上不同的-R基团，就可以有种类丰富的氨基酸。多个氨基酸通过脱水，可以像琏珠一般串联成肽链；长肽链进一步折叠、结合在一起，就可以组成各色各样的蛋白质。

不过，对地球生命来说，虽然自然界的氨基酸百种千样，但用于组成蛋白质的氨基酸通常只有20种，这就是所谓的“20种基本氨基酸”或者“蛋白氨基酸”。其他氨基酸也不是对生命毫无用处，它们有些可以以短肽链（小肽）的形式，参与“生命工厂”的运行。换言之，氨基酸是构成蛋白质的基本单位，是“碳基生命”这座大厦的“砖石”。

▲ 各种氨基酸串联成肽链

“隼鸟2号”发现了哪些氨基酸？

日本宇宙航空研究开发机构隼鸟2号探测器发射于2014年12月，2018年6月抵达目标近地小行星——龙宫。

2018～2019年，“隼鸟2号”对“龙宫”开展了一系列伴飞遥感探测、投下了1枚着陆器和3枚巡视器，并通过两次着陆采样,分别采集到了小行星表面和地下深处物质。

2020年12月6日，“隼鸟2号”顺利将装载小行星样品的返回舱送回地球，之后动身前往下一个探测目标——直径约30米，快速自转的小行星1998KY26（计划2031年7月抵达）。

“隼鸟2号”原本计划采回100毫克小行星龙宫样品，但实际“开箱”称重结果显示共采回了5.4克，是计划采样量的50多倍。

本次新发现的氨基酸，均来自编号A0106的样品颗粒，这是“隼鸟2号”第一次着陆时采集到的龙宫表面样品中的一部分。

在A0106样品的热水水解提取物中，行星科学家们发现了超过10种氨基酸，其中既有蛋白氨基酸（例如甘氨酸、α-丙氨酸），也有非蛋白氨基酸（例如β-丙氨酸、α-氨基丁酸）。

▲“好奇号”样本分析仪（SAM）在火星的热分解产物中发现多种复杂有机物

但这次发现的意义并不在于“首次发现氨基酸”。毕竟这早已不是“第一次”在地外星球上发现氨基酸了。

▲工作人员在澳大利亚伍默拉试验场回收“隼鸟2号”样品返回舱

地外星球上的氨基酸

从上个世纪70年代开始，人们就陆续发现过许多地外星球上可能存在氨基酸的证据，也不断质疑和检验着这些证据。

早在阿波罗时代，科学家们就在阿波罗月球样品里发现过一些氨基酸，包括甘氨酸、丙氨酸、谷氨酸、天冬氨酸、丝氨酸和苏氨酸等等。但50多年前的样品采集、存储、分析过程都比现在粗糙多了。例如阿波罗15、16和17号的一些样品，当年曾经和两块地球纯橄榄岩样品存放在同一间实验室里——这氨基酸到底是不是月球来的，那可就说不清了。

不过，氨基酸还可以通过分子结构中的“手性”特征（chirality）来判断来源地：除了甘氨酸（-R基团就是H）之外的氨基酸，都有L型（左手性）和D型（右手性）两种异构体，它们分子式相同，结构上镜像对称，如同我们的左手和右手一般，看起来似乎完全一样，但永远无法通过旋转达到重合。地球上自然界的氨基酸，主要是L型（左手性）氨基酸；地球生命中的蛋白质，除了甘氨酸之外更是全部都由L型氨基酸组成，没有D型（不过一些小肽中是可能即含有L型氨基酸也含有D型氨基酸的）。而来自地外、非生物产生的氨基酸，通常D型和L型比例相当，这一特征也称为“外消旋”。

在2016年发表的一篇对阿波罗样品中氨基酸的重新分析论文中，发现了更多种类的氨基酸，其中L型的蛋白氨基酸显著多于对应的D型氨基酸，表明阿波罗月球样品中的蛋白氨基酸很可能来自地球的污染。不过，样品中的丙氨酸和β-氨基丁酸D型和L型比例相当，表明某些氨基酸依然可能来自地球之外。

陨石中发现的氨基酸就更多了，尤其是碳质球粒陨石中。这类陨石被认为是来自C型小行星的碎片（龙宫就是C型小行星），且没有经历剧烈的热变质过程。也就是说，这类陨石非常古老，可能反映了母体小行星原本的物质成分。

其中最典型的例子可能当属默奇森陨石。1969年，这颗质量超过100千克的碳质球粒陨石坠落在澳大利亚维多利亚州默奇森镇，它是人类少有的目击到降落过程并且迅速被寻找到的陨石，可以认为是几乎没有受到地球“污染”的。

1970年，科学家们在默奇森陨石中发现了5种蛋白氨基酸和2种非蛋白氨基酸，1971年又继续发现了1种蛋白氨基酸和6种非蛋白质氨基酸。1971年，科学家们用相似的方法分析了另一颗坠落后几乎未受地球污染的碳质球粒陨石——穆雷陨石，并从中发现了6种蛋白氨基酸（甘氨酸、丙氨酸、缬氨酸、脯氨酸、天冬氨酸和谷氨酸）和11种非蛋白氨基酸（异缬氨酸、α-氨基异丁酸、N-甲基丙氨酸、α-氨基丁酸、肌氨酸、N-乙基甘氨酸、正缬氨酸、β-氨基丁酸、2-哌啶甲酸、β-丙氨酸和γ-氨基丁酸）。

更重要的是，默奇森和穆雷陨石样品中的手性氨基酸D型和L型比例相当，表明这些氨基酸很可能来自地球之外的非生物来源；而且默奇森陨石中发现的所有氨基酸种类，在穆雷陨石中都有发现，这或许意味着某些氨基酸种类在碳质球粒陨石和它们的母体小行星上普遍存在。

▲ 罗塞塔号拍摄的彗星67P影像

▲ 阿波罗17号航天员采样

▲ 罗塞塔号探测器的ROSINA-DFMS质谱仪探测到的甘氨酸（NH2-CH2-COOH）

但陨石毕竟经历了与地球物质的接触过程，相比之下，直接在地外星球探测到的，或者以更先进的采样技术从外星采回的氨基酸，显然更有说服力。

2016年，科学家们使用罗塞塔号探测器ROSINA质谱仪，在彗星67P/楚留莫夫上探测到挥发性的甘氨酸，这也侧面印证了10多年前科学家们在“星尘号”采回的彗星样品中发现的甘氨酸可能并不是地球污染，而是真的在彗星81P/维尔德上存在。

不过，甘氨酸毕竟是最简单的氨基酸，地外星球上还有更复杂的氨基酸吗？“隼鸟号”样品的分析结果又更进了一步。它从近地小行星糸川带回的样品也受到了微量的地球污染，但科学家们还是从中探测到了一些地球上不常见的非蛋白氨基酸，符合地外非生物来源特征。

▲ 美国国家自然历史博物馆展出的一部分默奇森陨石

▲ 穆雷陨石的一小块

但糸川是S型（硅质）小行星，本来就不是富有机物的小行星类型，而且也没有发现靠谱的地外蛋白氨基酸。相比之下，“隼鸟2号”从C型小行星龙宫带回的样品可靠性更高，从中发现的氨基酸种类也更多，而且明确发现了来自地外的蛋白氨基酸。这也是人类首次在地外采回的样品中确认发现蛋白氨基酸。

“隼鸟2号”本次发现的氨基酸会不会是地球污染？可能性非常低。

一方面，“隼鸟2号”的采样非常成功，样品封装完好，样品回收后一直处于严格与地球物质隔绝的状态，也从来不曾暴露在地球空气中。“隼鸟2号”采样过程中用于弹射收集样品的子弹为钽质金属材质，是小行星上没有的物质，因此即使混入样品中也不会干扰氨基酸的识别。另一方面，本次样品分析的所有提取过程都是在ISO6（1000级）洁净室内的ISO5（100级）洁净台上进行的，研究中使用的所有玻璃器皿在接触样品前都在500℃的空气中烘烤过3个小时，避免容器中可能的有机物污染样品。再加上本次“隼鸟2号”探测到的氨基酸中，样品中具有手性的氨基酸都是外消旋混合的（L型和对应的D型氨基酸比例约为1:1），确实可以算得上是地外氨基酸实锤plus了。