30.2: 天体生物学
- Page ID
- 202123
学习目标
在本节结束时，您将能够：
- 描述生命所需的化学基石
- 描述推动生命起源和进化的分子系统和过程
- 描述宜居环境的特征
- 描述地球上的一些极端条件，并解释某些生物是如何适应这些条件的
如今，科学家采用多学科方法来研究宇宙中生命的起源、演变、分布和最终命运；这个研究领域被称为天体生物学。 有时你可能还会听到这个被称为外生物学或生物天文学的领域。 天体生物学汇集了天文学家、行星科学家、化学家、地质学家和生物学家（除其他外），从不同的角度研究相同的问题。
天体生物学家探索的问题包括地球上生命的产生条件以及我们星球上生命具有非凡适应性的原因。 他们还参与识别地球以外的宜居世界，并努力用实际的术语理解如何在这些世界中寻找生命。 让我们更详细地看一下其中的一些问题。
生命的基石
尽管在地球以外的任何地方都没有发现生命的明确证据，但已经在各种外星环境中发现了生命的化学基石。 陨石（你在《宇宙样本》和《太阳系起源》中学到的）已被发现含有两种物质，其化学结构将其标记为起源于外星——氨基酸和糖。 氨基酸是有机化合物，是蛋白质的分子组成部分。 蛋白质是关键的生物分子，提供人体组织和器官的结构和功能，从本质上执行细胞的 “工作”。 当我们研究彗星周围的气体和尘埃时，我们还发现了许多有机分子，这些化合物在地球上与生命的化学物质有关。
除了太阳系之外，现代射电天文学最有趣的结果之一就是在恒星之间的巨大气体和尘埃云中发现了有机分子。 在这些宇宙原材料储存库中已经发现了100多种不同的分子，包括甲醛、酒精和其他我们所知道的作为地球生命发展重要垫脚石的分子。 使用射电望远镜和无线电光谱仪，天文学家可以测量这些云中各种化学物质的丰度。 我们在星际尘埃最丰富的区域最容易发现有机分子，事实证明，这些区域正是最容易形成恒星（可能还有行星形成）的区域（图\(\PageIndex{1}\)）。
显然，早期的地球本身产生了一些生命的分子基石。 自20世纪50年代初以来，科学家们一直试图在实验室中复制通往我们星球生命的化学途径。 在芝加哥大学的斯坦利· 米勒和哈罗德·乌雷率先进行的一系列名为 Miller-Urey 实验的实验中，生物化学家们模拟了早期地球的状况，并能够产生一些生命的基本组成部分，包括那些形成的基石蛋白质和其他被称为核酸的大型生物分子（我们稍后将讨论）。
尽管这些实验产生了令人鼓舞的结果，但它们存在一些问题。 从生物学角度来看，最有趣的化学物质发生在富氢气或还原气体中，例如氨和甲烷。 但是，地球的早期大气层可能以二氧化碳为主（就像金星和火星的大气层至今一样），可能没有与米勒-尤里型实验中使用的气体相提并论的大量还原气体。 还有人提出，热液喷口是海水过热并在地壳或地幔岩中循环然后再进入海洋的海底系统，是早期地球有机化合物的潜在贡献者，这种来源不需要地球尽早减少大气层。
地球和外星来源都可能促成了地球早期的有机分子供应，尽管我们有更直接的证据证明后者。 甚至可以想象，生命本身起源于其他地方，并播种到我们的星球上，尽管这当然并不能解决生命最初是如何起源的问题。
热液喷口似乎更有可能成为地球上发现的有机化合物的早期贡献者。 阅读有关热液喷口的信息，观看有关这些和其他深海奇观的视频和幻灯片，并在伍兹霍尔海洋学研究所网站上尝试对热液环流进行交互式模拟。
生命的起源和早期演变
构成生命化学基础的碳化合物在宇宙中可能很常见，但从这些基石到活细胞仍然迈出了一大步。 即使是最简单的基因分子（在细胞中携带遗传或遗传物质的基本功能单元）也包含数百万个分子单元，每个单位按精确的顺序排列。 此外，即使是最原始的生命也需要两种特殊能力：一种是从环境中提取能量的手段，另一种是编码和复制信息以便忠实地复制自身的手段。 如今，生物学家可以看到这两种能力中的任何一种可能是在自然环境中形成的，但是我们距离了解这两种能力在最初的生命形式中是如何融合在一起的，还有很长的路要走。
除了现代生活生物化学中可能保留的早期历史外，我们没有确凿的证据证明通往我们星球生命起源的道路。 事实上，我们几乎没有直接证据证明地球本身在其最早的历史时期是什么样子——我们的星球在通过板块构造重新浮出水面方面非常有效（参见关于地球作为行星的章节），以至于从这个早期时期开始，剩下的岩石很少。 在前面关于《火山口世界》的章节中，你了解到地球在大约 38 亿至 41 亿年前遭受了猛烈的轰炸，这是一个发生大规模撞击事件的时期。 大规模撞击的能量本来足以对地球表层进行热消毒，因此，即使生命在此时已经开始，也很可能已经被消灭了。
当大规模撞击停止时，为地球上一个更加和平的环境做好了准备。 如果地球海洋中含有从上述任何来源积累的有机物质，则这些成分可用于制造活生物体。 我们并不详细了解导致从分子到生物学的一系列事件，但是有化石证据表明有35亿年前的岩石中有微生物的生命，还有可能的（有争议的）证据表明生命可以追溯到38亿年前。
我们所知道的生命使用两个主要的分子系统：被称为蛋白质的功能分子，它执行细胞的化学作用；以及含有信息的 DNA 分子（脱氧核糖核酸），后者存储有关如何产生细胞及其化学物质的信息结构组件。 生命的起源有时被视为 “鸡与蛋的问题”，因为在现代生物学中，这两个系统没有另一个系统都不起作用。 正是我们的蛋白质按照存储信息所需的精确顺序组装 DNA 链，但这些蛋白质是根据存储在 DNA 中的信息创建的。 哪个是先来的？ 一些生命起源研究人员认为，益生元化学是基于既可以存储信息又能起到细胞化学作用的分子。 有人认为，帮助遗传信息从D NA 流向蛋白质的分子 RNA（核糖核酸）可能起到了这样的作用。 早期 “RNA世界” 的概念已被越来越多的人接受，但是关于生命的起源，还有很多需要了解的地方。
也许除了生命本身的起源之外，生物学史上最重要的创新是发现了光合作用过程，光合作用是一种复杂的化学反应序列，一些生物可以通过它利用阳光来制造储存能量的产品（例如碳水化合物），释放氧气作为副产物。 以前，生命必须利用地球上可用或从太空输送的化学能源。 但是，阳光中可用的丰富能量可以支持更大、更具生产力的生物圈，以及生命以前不可能发生的一些生化反应。 其中之一是从二氧化碳中产生氧气（作为废物），而大约24亿年前大气中氧气含量的增加意味着产生氧气的光合作用到这个时候肯定已经出现并具有全球重要性。 实际上，产生氧气的光合作用可能要早得多。
古代岩石中包含的某些形式的化学证据，例如被称为叠层石的固体分层岩层，被认为是岩石中产生氧气的光合细菌的化石，这些细菌已有将近35亿年的历史（图\(\PageIndex{2}\)）。 人们普遍认为，一种不产生氧气（至今仍被某些细菌使用）的更简单光合作用形式可能先于产生氧气的光合作用，而且有强有力的化石证据表明，一种或另一种类型的光合作用至少早在地球上就起作用34 亿年前。
大约24亿年前，光合作用产生的游离氧开始在我们的大气中积累。 阳光与氧气的相互作用可以产生臭氧（每个分子有三个氧原子，而我们呼吸的氧气中每个分子有两个原子），臭氧积聚在地球大气层高处的一层中。 就像今天在地球上一样，这种臭氧可以保护人们免受太阳的有害紫外线辐射。 这使生命能够在我们星球的陆地上殖民，而不是只停留在海洋中。
氧气含量的上升对某些微生物是致命的，因为作为一种高活性化学物质，它可以不可逆转地破坏生命早期在没有氧气的情况下形成的某些生物分子。 对于其他微生物来说，这是一个福音：将氧气与有机物或其他还原化学物质结合会产生大量能量——例如，当原木燃烧时你可以看到这一点，而且许多生命形式都采用了这种生活方式。 这种新能源使生物的大量增殖成为可能，这些生物继续在富氧环境中进化。
这种进化的细节理所当然是生物学课程的主题，但是自然选择的进化过程（适者生存）为地球上各种各样的生命形式的发展提供了明确的解释。 但是，它并不能直接解开生命最早开始的奥秘。 我们假设只要条件适当，生命就会出现，但这个假设只是哥白尼原理的另一种形式。 我们现在有可能通过观察来解决这个假设。 如果在我们的太阳系或附近的恒星中发现第二个生命的例子，那就意味着生命出现得足够普遍，以至于宇宙中可能充满了生物学。 但是，要进行这样的观察，我们必须首先决定将搜索重点放在哪里。
生命最初是怎么产生的？ 另一种化学物质会发生这种情况吗？ 观看 15 分钟的视频《让物质活起来》，其中一位化学专家探讨了来自 2011 年 TED 演讲的这些问题的一些答案。
适宜居住的环境
在太阳系、银河系和宇宙中数量惊人的天体中，有些可能具有适合生命的条件，而另一些则没有。 了解哪些条件和特征构成了可居住的环境（一个能够容纳生命的环境），对于了解宇宙中可居住环境的广泛程度以及集中精力寻找地球以外的生命都很重要。 在这里，我们从我们所知道的生活的角度讨论可居住性。 我们将探讨生命的基本要求，并在接下来的章节中考虑地球上存在生命的所有环境条件。 尽管我们不能完全排除其他生命形式可能具有基于碳和液态水替代品的生物化学的可能性，但这种 “我们不知道” 的生命仍然完全是推测性的。 在我们这里的讨论中，我们关注的是化学上与地球上相似的生命的可居住性。
生命需要一种溶剂（一种化学物质可以在其中溶解的液体），这种溶剂能够构建生物分子以及它们之间的相互作用。 就我们所知道的生命而言，溶剂就是水，它具有多种特性，这些特性对我们的生物化学运作方式至关重要。 水在宇宙中很丰富，但是生命需要水是液态的（而不是冰或气体），才能正确地发挥其在生物化学中的作用。 只有在一定的温度和压力范围内才会出现这种情况，无论哪个变量都太高或太低，水以固体或气体的形式出现。 因此，确定在适当的温度和压力范围内存在水的环境是确定适宜居住环境的重要第一步。 事实上，“跟水” 战略一直是并将继续是探索太阳系内外行星的关键驱动力。
我们的生物化学基于由碳、氢、氮、氧、磷和硫构成的分子。 碳是有机化学的核心。 它能够与自身以及与生命的其他元素形成四个键，从而形成大量潜在的分子，作为生物化学的基础。 剩余的元素为我们的生物分子贡献了结构和化学反应性，并构成了它们之间许多相互作用的基础。 这些 “生物元素” 有时被称为CHNOPS（碳、氢、氮、氧、磷和硫），是组装生命的原材料，可获得的供应是宜居性的第二个要求。
正如我们在前面关于核聚变和恒星生活故事的章节中所学到的那样，碳、氮、氧、磷和硫都是由恒星内部的聚变形成的，然后在这些恒星死亡时分布到它们的星系中。 但是，它们如何分布在新恒星系统中形成的行星中，以何种形式，以及这些行星上的化学、物理和地质过程如何将元素循环成生物学可以进入的结构，都可能对生命的分布产生重大影响。 例如，在地球的海洋中，地表水中浮游植物（作为海洋食物链基础的简单生物）的丰度可能相差千倍，因为氮的供应因地而异（图\(\PageIndex{3}\)）。 因此，了解哪些过程控制着各种规模的元素的可及性，是识别宜居环境的关键部分。
有了前两个要求，我们就有了生命的元素原料和一种溶剂，可以将它们组装成驱动我们生物化学的复杂分子。 但是，进行这种组装和维护生命中复杂的生化机制需要能量。 每次吃食物或呼吸时，你都会满足自己的能量需求，如果你不定期吃食物或呼吸，你就不会活很长时间。 地球上的生命主要利用两种类型的能量：对你来说，它们是你呼吸的空气中的氧气和食物中的有机分子。 但是，总体而言，生命可以使用更多的化学物质，尽管所有动物都需要氧气，但许多细菌不需要。 已知最早的生命过程之一，仍在一些现代微生物中起作用，它结合氢气和二氧化碳产生甲烷，并在此过程中释放能量。 有些微生物 “呼吸” 对我们有毒的金属，甚至有些微生物会吸入硫磺并呼出硫酸。 植物和光合微生物也进化出直接使用光中能量的机制。
液相中的水、生物元素和能量是宜居性的基本要求。 但是还有其他环境限制吗？ 我们将在下一节中考虑这一点。
极端条件下的生活
在化学层面上，生命由许多类型的分子组成，这些分子相互作用以执行生命过程。 除了水、元素原料和能量外，生命还需要一个环境，使这些复杂的分子保持稳定（在它们发挥作用之前不要分解）并且它们之间的相互作用是可能的。 你自己的生物化学只能在非常狭窄的体温约10°C和血液pH值的十分之二单位（pH值是酸度或游离氢离子的数量的数值测量）的范围内才能正常工作。 超出这些限制，你将处于严重危险之中。
总体生活还必须对正常运转的条件有限制，但是，正如我们将看到的，它们比人类的极限要广泛得多。 为生命提供燃料的资源分布在非常广泛的条件下。 例如，本质上是沸腾酸的温泉中有丰富的化学能（图\(\PageIndex{4}\)）。 这为进化提供了充足的动力，让他们在生物化学上尽可能多地填补生命范围。 在我们周围大多数生命都认为不利的条件下（例如非常高或低的温度或酸度）能够耐受甚至茁壮成长的生物（通常是微生物）被称为极端爱好者（后缀-phil e 的意思是 “爱好者”）。 让我们来看看一些可能挑战生命的条件，以及那些设法在极其可能的情况下开拓利基市场的生物。
高温和低温都可能给生活带来问题。 作为一个大型生物，无论你周围的环境是冷还是热，你都能保持几乎恒定的体温。 但这在微生物体积很小的情况下是不可能的；无论外界的温度如何，微生物的温度也是微生物的温度，其生物化学必须能够在那个温度下发挥作用。 高温是复杂性的敌人——热能的增加往往会将大分子分解成越来越小的碎片，生命需要用更强的键和特殊的蛋白质来稳定分子。 但是这种方法有其局限性。
尽管如此，如前所述，温泉和热液喷口等高温环境通常提供丰富的化学能来源，因此推动能够耐受高温的生物的进化（图\(\PageIndex{5}\)）；这种生物被称为嗜热者。 目前，高温记录保持者是一种产生甲烷的微生物，可以在122°C的温度下生长，那里的压力也很高，以至于水仍然无法沸腾。 当你想一想，真是太神奇了。 我们烹饪食物——也就是说，我们通过在100°C的温度下煮沸来改变其生物分子的化学成分和结构。事实上，食物开始在比这个温度低得多的温度下烹饪。 但是，有些生物的生物化学成分仍然完好无损，在高出20度的温度下还能正常运作。
感冒也可能是个问题，部分原因是它会将新陈代谢减慢到非常低的水平，但也因为它会导致生物分子的物理变化。 细胞膜——围绕细胞并允许它们与外部世界交换化学物质的分子包膜——基本上是由脂肪状分子组成的。 就像脂肪在冷却时凝结一样，膜会结晶，改变它们在物质交换进出细胞中的功能。 为了应对这个问题，一些适应寒冷的细胞（称为嗜冷细胞）已经改变了其膜的化学成分；但同样存在局限性。 到目前为止，任何微生物都被证明可以繁殖的最低温度约为—25°C。
非常酸性或碱性的条件也可能给生命带来问题，因为我们的许多重要分子，例如蛋白质和DNA，都是在这种条件下分解的。 例如，家用排水管清洁剂是一种碱性很强的溶液，它通过分解毛发堵塞之类的化学结构来发挥作用。 耐酸性最高的生物（嗜酸生物）能够在接近零的 pH 值下生活，酸性比血液高大约一千万倍（图\(\PageIndex{6}\)）。 在另一个极端，一些亲碱生物可以在pH值约为13的条件下生长，这与家用漂白剂的pH值相当，碱性比血液高近一百万倍。
环境中盐含量高也会给生命带来问题，因为盐会阻断某些细胞功能。 人类在几个世纪前就意识到了这一点，并开始对食物进行盐固化以防止其变质——也就是说，要防止它被微生物定植。 然而，一些微生物已经进化为在饱和氯化钠（食盐）的水中生长，其咸度约为海水的十倍（图\(\PageIndex{7}\)）。
非常高的压力实际上会挤压生命中的生物分子，导致它们采用更紧凑的形式，效果不佳。 但是我们仍然可以在海沟的底部找到生命——不仅是微生物，甚至是动物的生命，那里的压力是大气压力的1000倍以上。 对环境 “极端” 的许多其他适应措施也是众所周知的。 甚至还有一种叫做 Deinococcus radiodurans 的生物能够承受比你所能承受的强度高出一千倍的电离辐射（例如放射性元素释放的辐射）。 它还非常擅长在极端干燥（干燥）和各种可能对人类有毒的金属中幸存下来。
从许多这样的例子中，我们可以得出结论，生命能够承受各种环境极端情况——如此之多，以至于我们必须努力找出生命不可能存在的地方。 一些这样的地方是众所周知的——例如，超过300°C的热液喷口的水似乎太热，无法维持任何生命——找到这些地方有助于定义在其他地方生活的可能性。 在过去的几十年中，对极端生物的研究扩大了我们对生命可以生存的条件范围的认识，从而使许多科学家对生命可能存在于地球以外的可能性更加乐观。
关键概念和摘要
对宇宙生命包括其在地球上的起源的研究被称为天体生物学。 我们所知道的生命需要水、某些元素原料（碳、氢、氮、氧、磷和硫）、能量以及生命中复杂化学物质的稳定环境。 碳基（或有机）分子在太空中很丰富，也可能是由地球上的过程产生的。 在猛烈轰炸结束后的4亿年内，如果不是更快的话，生命似乎已经传播到我们的星球上。 生命的真正起源——从化学到生物学的过程——尚未完全理解。 生命一旦扎根，它就会进化为使用多种能源，首先包括一系列不同的化学物质，然后是光，并在人类认为 “极端” 的一系列环境条件下实现了多样化。 在我们的星球变得适合居住之后不久，生命就扩散到如此众多的环境利基市场，这使许多科学家对生命可能存在于其他地方的可能性持乐观态度。
词汇表
- 氨基酸
- 作为蛋白质分子组成部分的有机化合物
- 天体生物学
- 对宇宙生命的多学科研究：其起源、演化、分布和命运；类似的术语是外生物学和生物天文学
- DNA（脱氧核糖核酸）
- 一种存储有关如何复制细胞及其化学和结构成分信息的分子
- 极度爱好者
- 一种能够耐受甚至在我们周围大多数生命认为不利的条件下茁壮成长的生物（通常是微生物），例如非常高或低的温度或酸度
- 基因
- 携带细胞中所含遗传（遗传）物质的基本功能单元
- 适宜居住的环境
- 一个能够容纳生活的环境
- 有机化合物
- 含有碳的化合物，尤其是复杂的碳化合物；不一定由生命产生
- 光合作用
- 一系列复杂的化学反应，通过这些反应，一些生物可以利用阳光制造储存能量的产品（例如碳水化合物），将氧气作为副产品释放
- 蛋白质
- 一种关键的生物分子，提供人体组织和器官的结构和功能，本质上执行细胞的化学作用
- RNA（核糖核酸）
- 一种帮助遗传信息从 DNA 流向蛋白质的分子
- 叠层石
- 坚固的分层岩层被认为是已有 35 亿年历史的岩石中产生氧气的光合细菌的化石
- 嗜热者
- 能够承受高温的生物