生命是如何產生的呢?現如今關於生命從何而來的觀點五花八門,美國加利福尼亞理工學院教授約瑟夫·卡什賓克卻認為:「太古的生命不是在地球上誕生的,而是從火星來的。」
40億年前的地球
加州理工學院的約瑟夫·卡什賓克在格陵蘭島上發現了一種38億年前的岩石,被稱為「黑色頁岩」。
卡什賓克說到:「當你看黑色頁岩時,你會看到一層美麗的薄層。這些岩石能夠避開水面上的洶湧波濤,這意味着它們是在海洋中更深的地方形成的。事實上,我們看到的幾乎所有40億年前的岩石都表明,地球是一個只有海洋的世界。」
40億年前,地球與今天的情況相差甚遠,是一個幾乎沒有陸地,只有海洋的星球。許多科學家認為,地球上巨大的「大陸」形成於大約27億年前,或者更晚,這得益於當時火山活動的增加。
卡什賓克接著說到:「為了形成生命,你需要用有機物製造大分子,而要做到這一點並不容易,因為40億年前,地球上沒有陸地,全部被海洋覆蓋。如果有太多的水,反應就無法進行。另一方面,火星有陸地以及海洋,所以如果你比較40億年前的兩顆行星就會發現,火星會更適合生命的存在。」
死亡谷的生命誕生過程
卡什賓克認為,了解40億年前火星環境的最佳地點在加利福尼亞州的死亡谷。
死亡谷每年的降水量僅為50毫米,這是一個乾燥的大地綿延的地區。卡什賓克來到了該地區的中心——巴德沃特。
死亡谷地區中心的巴德沃特,這裡的區域被白色的晶體包圍,一種奇怪的景象蔓延開來。卡什賓克拿起一撮大約2厘米厚的某種晶體,舔了舔,隨後說到:「鹹的。」這是天然鹽。
「這些是曾經存在的大湖泊蒸發後留下的鹽漬。死亡谷是北美大陸上海拔最低的地方,大量的水流入其中。在一段時間過後,這裡的水蒸發了,裏面的元素濃縮了,它們成為了這些晶體。在這裡你可以看到以前湖泊的痕迹。」
卡什賓克隨後指了指幾百米外的一個懸崖,懸崖上有一條微弱的黑線。那是以前的水面。海浪襲來,削去了岩石。
這裡曾經是一個湖。但是隨着乾燥,水中的成分濃縮了。卡什賓克認為,正是這種乾燥的陸地,才是生命誕生的理想選擇。死亡谷的形成就是生命誕生的過程。
為什麼水對有機生命來說是必要的?
所有生命都有由兩條鏈組成的「DNA」(脫氧核糖核酸)。DNA原本被認為是由一條鏈「RNA」(核糖核酸)產生的。
RNA是一條被稱為「核苷酸」的有機材料長鏈。 核苷酸也是由稱為「鹼基」、「脫氧核糖」和「磷酸」的連接部分組成。
從鹼基、脫氧核糖和磷酸到DNA的過程涉及幾個關口。
第一道關口是核苷酸的合成。為了連接這些部件,需要去除水分子。水太多的話是很難發生反應的。
解決這個問題的環境就在死亡谷。
卡什賓克說,到處滾動的小岩石表明了這一點。岩石乍一看沒有什麼變化,但仔細一看,就知道是一塊大岩石裂縫形成的。
「一下雨,鹽就會融化成水,然後進入岩石的縫隙。不久乾燥後,水蒸發後,鹽就會在岩石中形成結晶。形成這個結晶的時候,岩石就會因為膨脹的力量而裂開。」
裂縫的岩石的存在,說明了在死亡谷中水的流入和乾燥反覆發生了好幾次。
「要產生生命,必須從單純的有機物中形成複雜的DNA,最適合這個環境的一個是乾燥的地方。因為生命是通過去除水分子連接有機物而產生的,所以需要乾燥的環境。」
在合成核苷酸時,在陸地上,而且反覆水的流入和乾燥的環境才是理想的。而且從最新的探測中,我們知道了在太古的火星上存在着同樣的環境。
作為證據的岩石,在火星探測車奧布丘尼蒂(Opportunity)着陸的梅里迪亞尼平原(Meridiani)上被發現。在那塊岩石上,有好幾個細長的裂縫,可以認為是與在死亡谷看到的破碎的岩石相同的構造而產生的。
除此之外,探測車還發現了一種叫做黃鉀鐵礬(Jarosite)的礦物。在地球上,這是在水乾涸的地方可以看到的礦物。根據這些證據,卡什賓克認為,在太古的火星上,與死亡谷一樣,水的流入和乾燥是反覆的。
在40億年前,火星上有一個全是水的地球所沒有的環境。這種環境下,能夠誕生出生命的條件。
掌握生命誕生關鍵的物質
有海洋和陸地的火星可以說為生命締結DNA的第一步——核苷酸的合成具備了理想的環境。那麼下一步,RNA的合成又如何實現呢?
當核苷酸存在於水中時,它們不會像現在這樣結合。這是因為它們會隨着時間的推移而分解。30年來,從實驗中不斷探索生命誕生過程的美國倫塞勒理工學院教授詹姆斯·費利斯(2016年去世)找到了解決這個問題的關鍵。
費利斯生前接受訪問時說道:「我們正在研究粘土礦物,發現了一種被稱為蒙脫石的粘土,這很重要,因為它有促進化學反應的力量,在進行RNA合成時使用蒙脫石,反應會一氣呵成。」
實際上,費利斯等人用蒙脫石做了相關的實驗。在試管中加入少量蒙脫石和活化的核苷酸溶液並攪拌。經過3天後,用測定器測定,核苷酸最長連接了15個。僅僅3天的時間就有15個核苷酸連接產生。
實際上,蒙脫石從微觀上看是帶電的層。通過電的力量,核苷酸被吸引到層之間。每個分子在特定方向上整齊地排列在粘土上。其結果是,結合效率很高。
費利斯興奮的說道:「這一發現非常重要,有了蒙脫石,你就可以排起一長串分子,我們過去連過50個,也就是說只要有蒙脫石,生命誕生的可能性就很高。」
可能掌握生命誕生關鍵的蒙脫石。這種神奇的粘土在火星上也有發現。2009年,探測器MRO在梅里迪亞尼平原的一部分發現了被認為是蒙脫石的粘土。
也就是說,火星上存在生命必備的DNA與RNA產生的兩個條件,即反覆水的流入和乾燥的環境,還有蒙脫石。
「我們的母星是火星!」
卡什賓克指出,40億年前的火星比只有大海的地球對生命的誕生更有利。
「生命是在哪裡誕生的?我想不是40億年前的滿是水的地球。那個時候的火星上有海,也有乾燥的陸地。隕石坑的凹陷變成了湖泊,在那裡水的流入和蒸發反覆。太古火星的環境,有可能與生命的誕生相連。我們的母親行星是火星,我認為我們是火星人。「
如果說生命誕生於火星,那麼又是怎麼來到地球的呢?
針對這個疑惑,卡什賓克說,從火星到地球的移動,有一艘非常合適的「宇宙飛船」。那就是隕石。
根據卡什賓克的構想,40億年前,生命的先祖誕生於火星之上,隨後又「乘坐」着一艘名為隕石的小宇宙飛船來到了地球。
那麼,隕石又是如何從火星飛到地球的呢?
卡什賓克思考的劇本是這樣的。40億年前,火星上產生的微生物也生活在岩石中。有一天,小行星撞擊墜落在火星上,無數的碎片飛出宇宙空間,經過漫長的太空旅行,其中一些微生物到達地球,生存下來的微生物成了我們的祖先。
微生物能忍受長時間的宇宙旅行嗎?
卡什賓克的劇本看上去非常合理, 但是,這個劇本要成立有三個條件。
第一個是隕石到達地球的「旅行時間」問題。
第二個是在太空中飛行的「輻射」問題。
第三個問題是隕石進入地球大氣層時的「熱量」問題。
首先,讓我們考慮「旅行時間」。如果時間太長,甚至微生物也會在途中死亡。英屬哥倫比亞大學的教授布雷特-格拉德曼計算了旅行時間。
「你可能會驚訝,一塊石頭首先會從火星來到地球。因為在廣闊的宇宙中,地球只是一個小小的存在。」
格拉德曼先生用計算機計算了多長時間在太空中旅行,才能到達地球。當小行星撞擊火星時,碎片會向各個方向飛出,但根據飛出的方向和地球的位置關係,到地球的移動時間會發生變化。
計算結果顯示,如果一塊碎片以每秒3.3公里的速度射入太空,大約1%的碎片會在一百萬年內到達地球,0.1%的碎片會在10萬年內到達地球,0.00001%的碎片會在10年內到達地球。
「一次大的撞擊有時可以噴射出數以億計的碎片,所以即使在10年的條件下,也會有十幾個碎片到達地球。你可能對旅行時間之短感到驚訝,但這是射出的碎片數量之多的自然結果。」
隕石到達地球所需的旅行時間似乎並不那麼難以實現。
會有不受輻射影響的生物嗎?
那麼,第二種情況,即空間輻射呢?
對於生活在岩石中的微生物來說,宇宙輻射也是一個主要的威脅,因為它的能量含量高,而且能夠滲透到岩石內部。微生物能在輻射下生存嗎?
日本原子能機構(JAEA)高崎高級輻射研究所的鳴海一成利用細菌測試了這個問題。
放射性球菌被稱為對輻射有強烈抵抗力的細菌。鳴海一成將1000萬個脫氧核糖核酸和大腸桿菌分別放在培養皿中,並將它們暴露在高能輻射下,即所謂的重粒子輻射。
結果便是,大腸桿菌被殺死了,但脫氧核糖核酸菌卻存活下來並繁殖了。從這個實驗來看,人們認為脫氧核糖核酸可以在宇宙輻射中生存10年。
為什麼脫氧核糖核酸能夠在高能輻射下生存呢? 這是因為該細菌有一種蛋白質,可以加速DNA修復。這意味着,即使DNA的雙螺旋被輻射完全切斷,它仍然可以被修復並存活。
這樣看來,在宇宙中隨處可見的輻射問題似乎也能夠解決。
從火星飛來的隕石上殘留的證據
但是最後留下了一個很大的問題,這便是岩石進入地球大氣層時暴露的「熱量」問題。
從大氣層落下時隕石的表面溫度達到數千攝氏度。微生物能突破這個極限狀況嗎?
卡什賓克先生決定用實際來自火星的隕石來驗證這個問題。為此使用的是在南極發現的被稱為ALH84001的隕石。
這顆隕石40億年前在火星的岩漿堆中結晶,飛到了地球。卡什賓克利用可以測量岩石微小磁場的「磁顯微鏡」,從隕石的磁場中,調查了隕石是否在高溫下被加熱。
從磁場中可以知道過去的熱量的數據,岩石冷卻凝固時,數據記錄著隕石的磁場方向。另外,由於地殼的變動等形狀歪斜,在隕石中也留下了記錄。
卡什賓克調查了一些較大的火星隕石,發現靠近隕石表面的部分磁場方向不齊,參差不齊。磁場被複位,是經歷了高熱的部分。
另一方面,隕石的內側,磁場的方向保持均勻。這表明磁場沒有複位。
「隕石經過地球大氣層時,被強烈加熱,消除了外側約3毫米的磁場。也就是說,熱量只到達了那裡。3毫米以上的內側,沒有加熱到很高的溫度。」
進一步調查了發生磁場複位的溫度,結果為40℃。也就是說,原來的磁場殘留的隕石的內側被保持在40℃以下。
「如果在40℃以內,細菌就不用說了,動物的卵也能存活下來。我們的祖先就是這樣的宇宙飛船,來到地球的吧。」
微生物能夠在太空中旅行
看來,微生物可以在進入大氣層的高溫下生存。火星上的生命通過隕石來到地球,成為我們的祖先。卡什賓克的理論正變得越來越合理。
今天,火星是一個極其寒冷的沙漠。 但是40億年前,人們發現火星是一個比地球更適合生命的星球,有海洋和陸地。
火星真的是所有生命的家園嗎?科學家們探索生命根源的挑戰將繼續下去。