隼鳥2號發現地外氨基酸到底意味著什么

文/徐蒙

▲ 隼鳥號和小行星糸川藝術圖

在今年的月球與行星科學大會（LPSC）上，“隼鳥2號”團隊發表了一篇名為《小行星162173龍宮上的可溶性有機化合物》的摘要，宣布在探測器采回的小行星龍宮樣品里發現了多種氨基酸。這個發現迅速引發媒體的競相報道和公眾對地外生命的萬千遐想。氨基酸之于生命，有什么特殊之處？“隼鳥2號”本次發現了哪些氨基酸？氨基酸在地外星球上罕見嗎？發現地外氨基酸到底意味著什么？從氨基酸到地外生命還有多遠？

▲ 氨基酸——“生命積木”

氨基酸：碳基生命大廈的“磚石”

液態水和有機物是我們地球碳基生命得以誕生、繁榮所必需的物質。一顆星球上是否存在水和有機物，自然成為我們探尋這顆星球上是否有生命存在的重要參考依據。

但事實上，近幾十年的深空探測成果已經明白無誤地告訴我們：水，并不罕見。月球、火星和諸多小行星上都有著多種形式的水；外太陽系木星和土星的冰衛星冰層之下可能擁有液態水海洋和深海熱泉的供能系統，是接下來深空探測任務尋找地外生命的重點目標。有機物，也不罕見。彗星和以碳質小行星（C型小行星）為代表的小行星上根本不缺有機物；好奇號火星車更是明確在火星上通過鉆孔采樣，探測到了多種噻吩（C4H4S）、芳香族、脂肪族復雜有機物 。

那為什么我們迄今為止還沒有在其他星球上發現過任何一點生命的存在呢？是不是這些有機物還“不夠份量”？回顧我們自身，地球生命這種復雜系統的運行，需要一種“特殊”的有機物——氨基酸。

▲ 氨基酸的基本結構

氨基酸的基本結構并不復雜，包含碳（C）、氫（-H）、氨基（-NH2）、羧基（-COOH）和一個任意側鏈基團（-R）。顯然，連上不同的-R基團，就可以有種類豐富的氨基酸。多個氨基酸通過脫水，可以像璉珠一般串聯成肽鏈；長肽鏈進一步折疊、結合在一起，就可以組成各色各樣的蛋白質。

不過，對地球生命來說，雖然自然界的氨基酸百種千樣，但用于組成蛋白質的氨基酸通常只有20種，這就是所謂的“20種基本氨基酸”或者“蛋白氨基酸”。其他氨基酸也不是對生命毫無用處，它們有些可以以短肽鏈（小肽）的形式，參與“生命工廠”的運行。換言之，氨基酸是構成蛋白質的基本單位，是“碳基生命”這座大廈的“磚石”。

▲ 各種氨基酸串聯成肽鏈

“隼鳥2號”發現了哪些氨基酸？

日本宇宙航空研究開發機構隼鳥2號探測器發射于2014年12月，2018年6月抵達目標近地小行星——龍宮。

2018～2019年，“隼鳥2號”對“龍宮”開展了一系列伴飛遙感探測、投下了1枚著陸器和3枚巡視器，并通過兩次著陸采樣,分別采集到了小行星表面和地下深處物質。

2020年12月6日，“隼鳥2號”順利將裝載小行星樣品的返回艙送回地球，之后動身前往下一個探測目標——直徑約30米，快速自轉的小行星1998KY26（計劃2031年7月抵達）。

“隼鳥2號”原本計劃采回100毫克小行星龍宮樣品，但實際“開箱”稱重結果顯示共采回了5.4克，是計劃采樣量的50多倍。

本次新發現的氨基酸，均來自編號A0106的樣品顆粒，這是“隼鳥2號”第一次著陸時采集到的龍宮表面樣品中的一部分。

在A0106樣品的熱水水解提取物中，行星科學家們發現了超過10種氨基酸，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）。

▲“好奇號”樣本分析儀（SAM）在火星的熱分解產物中發現多種復雜有機物

但這次發現的意義并不在于“首次發現氨基酸”。畢竟這早已不是“第一次”在地外星球上發現氨基酸了。

▲工作人員在澳大利亞伍默拉試驗場回收“隼鳥2號”樣品返回艙

地外星球上的氨基酸

從上個世紀70年代開始，人們就陸續發現過許多地外星球上可能存在氨基酸的證據，也不斷質疑和檢驗著這些證據。

早在阿波羅時代，科學家們就在阿波羅月球樣品里發現過一些氨基酸，包括甘氨酸、丙氨酸、谷氨酸、天冬氨酸、絲氨酸和蘇氨酸等等。但50多年前的樣品采集、存儲、分析過程都比現在粗糙多了。例如阿波羅15、16和17號的一些樣品，當年曾經和兩塊地球純橄欖巖樣品存放在同一間實驗室里——這氨基酸到底是不是月球來的，那可就說不清了。

不過，氨基酸還可以通過分子結構中的“手性”特征（chirality）來判斷來源地：除了甘氨酸（-R基團就是H）之外的氨基酸，都有L型（左手性）和D型（右手性）兩種異構體，它們分子式相同，結構上鏡像對稱，如同我們的左手和右手一般，看起來似乎完全一樣，但永遠無法通過旋轉達到重合。地球上自然界的氨基酸，主要是L型（左手性）氨基酸；地球生命中的蛋白質，除了甘氨酸之外更是全部都由L型氨基酸組成，沒有D型（不過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）。而來自地外、非生物產生的氨基酸，通常D型和L型比例相當，這一特征也稱為“外消旋”。

在2016年發表的一篇對阿波羅樣品中氨基酸的重新分析論文中，發現了更多種類的氨基酸，其中L型的蛋白氨基酸顯著多于對應的D型氨基酸，表明阿波羅月球樣品中的蛋白氨基酸很可能來自地球的污染。不過，樣品中的丙氨酸和β-氨基丁酸D型和L型比例相當，表明某些氨基酸依然可能來自地球之外。

隕石中發現的氨基酸就更多了，尤其是碳質球粒隕石中。這類隕石被認為是來自C型小行星的碎片（龍宮就是C型小行星），且沒有經歷劇烈的熱變質過程。也就是說，這類隕石非常古老，可能反映了母體小行星原本的物質成分。

其中最典型的例子可能當屬默奇森隕石。1969年，這顆質量超過100千克的碳質球粒隕石墜落在澳大利亞維多利亞州默奇森鎮，它是人類少有的目擊到降落過程并且迅速被尋找到的隕石，可以認為是幾乎沒有受到地球“污染”的。

1970年，科學家們在默奇森隕石中發現了5種蛋白氨基酸和2種非蛋白氨基酸，1971年又繼續發現了1種蛋白氨基酸和6種非蛋白質氨基酸。1971年，科學家們用相似的方法分析了另一顆墜落后幾乎未受地球污染的碳質球粒隕石——穆雷隕石，并從中發現了6種蛋白氨基酸（甘氨酸、丙氨酸、纈氨酸、脯氨酸、天冬氨酸和谷氨酸）和11種非蛋白氨基酸（異纈氨酸、α-氨基異丁酸、N-甲基丙氨酸、α-氨基丁酸、肌氨酸、N-乙基甘氨酸、正纈氨酸、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，默奇森和穆雷隕石樣品中的手性氨基酸D型和L型比例相當，表明這些氨基酸很可能來自地球之外的非生物來源；而且默奇森隕石中發現的所有氨基酸種類，在穆雷隕石中都有發現，這或許意味著某些氨基酸種類在碳質球粒隕石和它們的母體小行星上普遍存在。

▲ 羅塞塔號拍攝的彗星67P影像

▲ 阿波羅17號航天員采樣

▲ 羅塞塔號探測器的ROSINA-DFMS質譜儀探測到的甘氨酸（NH2-CH2-COOH）

但隕石畢竟經歷了與地球物質的接觸過程，相比之下，直接在地外星球探測到的，或者以更先進的采樣技術從外星采回的氨基酸，顯然更有說服力。

2016年，科學家們使用羅塞塔號探測器ROSINA質譜儀，在彗星67P/楚留莫夫上探測到揮發性的甘氨酸，這也側面印證了10多年前科學家們在“星塵號”采回的彗星樣品中發現的甘氨酸可能并不是地球污染，而是真的在彗星81P/維爾德上存在。

不過，甘氨酸畢竟是最簡單的氨基酸，地外星球上還有更復雜的氨基酸嗎？“隼鳥號”樣品的分析結果又更進了一步。它從近地小行星糸川帶回的樣品也受到了微量的地球污染，但科學家們還是從中探測到了一些地球上不常見的非蛋白氨基酸，符合地外非生物來源特征。

▲ 美國國家自然歷史博物館展出的一部分默奇森隕石

▲ 穆雷隕石的一小塊

但糸川是S型（硅質）小行星，本來就不是富有機物的小行星類型，而且也沒有發現靠譜的地外蛋白氨基酸。相比之下，“隼鳥2號”從C型小行星龍宮帶回的樣品可靠性更高，從中發現的氨基酸種類也更多，而且明確發現了來自地外的蛋白氨基酸。這也是人類首次在地外采回的樣品中確認發現蛋白氨基酸。

“隼鳥2號”本次發現的氨基酸會不會是地球污染？可能性非常低。

一方面，“隼鳥2號”的采樣非常成功，樣品封裝完好，樣品回收后一直處于嚴格與地球物質隔絕的狀態，也從來不曾暴露在地球空氣中?！蚌励B2號”采樣過程中用于彈射收集樣品的子彈為鉭質金屬材質，是小行星上沒有的物質，因此即使混入樣品中也不會干擾氨基酸的識別。另一方面，本次樣品分析的所有提取過程都是在ISO6（1000級）潔凈室內的ISO5（100級）潔凈臺上進行的，研究中使用的所有玻璃器皿在接觸樣品前都在500℃的空氣中烘烤過3個小時，避免容器中可能的有機物污染樣品。再加上本次“隼鳥2號”探測到的氨基酸中，樣品中具有手性的氨基酸都是外消旋混合的（L型和對應的D型氨基酸比例約為1:1），確實可以算得上是地外氨基酸實錘plus了。

▲ 一對手性異構的氨基酸

▲ 這些間歇泉般噴出的羽流中含有冰粒和水蒸汽，表明冰層之下蘊藏著液態水海洋

在我們已經發現了諸多外星氨基酸證據的情況下，“隼鳥2號”本次發現地外氨基酸更重要的意義在于告訴我們——不要再否認了，與水和其他有機物一樣，氨基酸在地外星球上也并不罕見。

如果我們認同，地球之外的生命形式依然是碳基生命，氨基酸也同樣是構成外星“生命大廈”的“關鍵基石”的話，那我們也不得不承認：擁有“生命基石”很可能確實不是一件門檻很高的事。

那么我們又回到了這個關鍵性的問題：如果宇宙中有大把星球手握著“生命基石”，那為什么我們至今還沒有發現任何地外生命的痕跡呢？

費米悖論：它們都在哪里呢？

1950年的一天，在一群物理學家關于地外生命的閑聊中，恩里科·費米想到：既然宇宙中有這么多星球，這些星球又有如此長的時間來演化出生命甚至文明，那從概率上來說，地外文明早該遍布宇宙了。然后提出了一個問題：它們都在哪里呢？為什么我們至今沒有探測到任何地外文明，也從來沒有地外文明來尋找我們呢？

這個悖論隨著之后幾十年的天文發現，變得愈發發人深思。

誠然，擁有“磚石”不代表能造出“房子”，那么真正的生命起源問題，或許不在于如何產生組成生命的磚石，而是如何將這些磚石組裝成生命大廈。

我們在地外星球上尋覓的下一個關鍵性的證據會是什么？是承載有效遺傳信息的DNA和RNA嗎？是微生物這樣簡單生命的殘骸或者代謝產物嗎？直到現在，我們還沒有答案，但可以確定的是，如今我們的還懷抱著希望，還在不斷派出探測器，去火星乃至木星土星冰衛星這樣的“宜居衛星”上尋找生命存在（過）的證據。

無論是否真的能找到生命，在下一個十年里，我們對太陽系中的生命和宜居環境，一定會有更深刻的認知。