撰文 | Tim Childers 編譯 | 石云雷
生命的自然發(fā)生
目前普遍被科學家接受的猜想是，地球上各個角落活動的復雜生命都起源于非生命物質(zhì)。而這些非生命物質(zhì)隨機組合，形成了構(gòu)建生命的基本結(jié)構(gòu)，這一過程也被稱為“自然發(fā)生”學說（abiogenesis）。不過一直以來，科學家還缺乏相關(guān)的研究依據(jù)，來支持這個觀點。
最近，東京大學的天體物理學教授戶谷友則（Tomonori Totani）進行了一項創(chuàng)新性研究，試圖弄清楚生命由這些無機物自發(fā)形成的可能性。在這項研究中，戶谷友則建立模型，檢測了宇宙中是否有足夠的恒星系統(tǒng)中，存在允許生命自然發(fā)生的宜居行星。這一研究于今年2月發(fā)表在《科學報告》期刊上，研究結(jié)果顯示，在可觀測的宇宙中，我們發(fā)現(xiàn)其他生命存在的可能性非常低。
“我希望能至少發(fā)現(xiàn)一條自然發(fā)生學說的現(xiàn)實路徑，以便從科學的角度來解釋這一學說，”戶谷友則說，“一些人認為自然發(fā)生的可能性極低，因此生命的起源難以從科學的角度來理解。但我作為一名科學家，一直夢想能解釋為什么我們會存在于地球上?！?/span>
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“RNA世界”
戶谷友則的研究主要關(guān)注自然發(fā)生學說中的基本假設(shè)：生命起源于一個RNA世界。1981年，諾貝爾化學獎得主沃特·吉爾伯特（Walter Gilbert）提出了“RNA世界”假說。這一假說認為，在蛋白質(zhì)、雙鏈的DNA分子（脫氧核糖核苷酸）出現(xiàn)之前，地球上主要存在著與DNA結(jié)構(gòu)相似的RNA分子（核糖核苷酸）。構(gòu)成核糖核苷酸中的核糖比脫氧核糖多一個氧原子，這也導致RNA分子較DNA分子更不穩(wěn)定。
但在早期地球上，RNA是第一個能復制和儲存信息的分子，還具有啟動和催化化學反應的功能。這也是地球上的生命物質(zhì)具有的兩項基本特征。相比于現(xiàn)在以DNA和蛋白質(zhì)為化學基礎(chǔ)的生命，RNA世界是一個更原始的分子世界。而在細胞中具有催化功能的RNA酶，特別是RNA在核糖體中發(fā)揮的關(guān)鍵作用，也極大地支持了“RNA世界”假說。
盡管較為原始，但RNA是由許多單體化合物連接形成的一種多聚物。具體而言，RNA只能由一種被稱為核苷酸的含氮堿基分子構(gòu)成。一些研究人員表示，為了讓RNA具有基本的自我復制功能，它至少需要含有40~60個核苷酸。
所以，這些由至少40~60個核苷酸組成的RNA分子，是如何自發(fā)形成的呢？雖然一些實驗已經(jīng)顯示，在適當?shù)臈l件下，經(jīng)過足夠長的時間，核苷酸能自發(fā)組合形成RNA分子。但是，隨著RNA鏈的長度增加，其豐度會迅速降低。在這些實驗中，長度超過10個核苷酸殘基的RNA分子從未出現(xiàn)。
“實驗證實，RNA聚合物可以依靠一個基本的隨機過程形成，”戶谷友則說，“一些實驗聲稱，能形成含有超過50個核苷酸單體的RNA鏈，但這些實驗并不能被重復出來。其中一個問題是，一些聚合物很容易被誤認為是長鏈的RNA聚合物。”
戶谷友則的模型利用了最保守的RNA聚合方法，即每個核苷酸單體隨機地一個接一個連接，組成一條RNA長鏈。一些科學家認為，由核苷酸單體形成的聚合物之間也能相互連接，這能加速RNA長鏈的形成。但戶谷友則表示這個過程“具有很大的投機性和假設(shè)性”。
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可觀測宇宙之外
科學家認為在地球形成5~10億年后，生命開始在地球上出現(xiàn)。考慮到可觀測宇宙中存在10^22顆恒星，生命似乎有很大的機率在宇宙中的其他星球上出現(xiàn)。但考慮到鄰近的恒星系統(tǒng)中宜居行星的數(shù)量，戶谷友則通過數(shù)據(jù)計算發(fā)現(xiàn)，隨機形成包含超過40個核苷酸的RNA鏈的概率很低。在可觀測宇宙中，在地球出現(xiàn)生命的時間范圍內(nèi)，有機會讓生命“自然發(fā)生”的宜居行星數(shù)量實在是太少了。
“但整個宇宙遠遠大于我們目前能觀測的范圍，”戶谷友則表示，“宇宙正處于加速膨脹時期，其通過膨脹占據(jù)的廣闊區(qū)域遠超過我們能直接監(jiān)測到的范圍。如果在模型中考慮這些更大范圍的宇宙空間時（恒星周圍存在的宜居行星），生命自然發(fā)生的機率將會大幅增加?！?br>
大約在138億年前，宇宙誕生于大爆炸。此后，宇宙一直在快速膨脹。如果將宇宙比作一只烤箱中的面包，我們能觀測到的宇宙就像被困在面團中一個氣泡。這個氣泡的邊緣到地球的距離，就是自大爆炸以來光傳播的最遠距離，也就是可觀察宇宙的大小。而可觀察宇宙的體積，可能不到通過膨脹形成的整個宇宙體積的10^78分之一。因此，并沒有充分的理由支持能在如此小的宇宙區(qū)域內(nèi)，會出現(xiàn)不止一次“自然發(fā)生”過程。
隨著宇宙不斷膨脹，我們可觀測的宇宙范圍會不斷增大，而在此之外的宇宙區(qū)域也會更加遠離我們。據(jù)估計，整個宇宙可能含有超過10^100顆恒星。當戶谷友則考慮這些可觀測范圍之外的大量恒星時，他發(fā)現(xiàn)生命的出現(xiàn)不再是不可能的，而是非常有可能的。在我們所處的整個宇宙中，生命可能會出現(xiàn)在無數(shù)的行星上。這一發(fā)現(xiàn)也支持了“RNA世界”假說，盡管這也意味著我們幾乎不可能在宇宙中找到新的生命。
如果生命首先從RNA分子開始演化，那么“地球上的生命則是由極為罕見的長鏈RNA聚合物產(chǎn)生的，”戶谷友則說，“地球很可能是可觀測宇宙中唯一擁有生命的行星。我預測未來對地外生命的觀察或探索，將不會取得結(jié)果。”
如果偶然在宇宙中相鄰的行星上發(fā)現(xiàn)了生命，戶谷友則相信這顆行星上的生命和地球上的生命擁有相同的起源方式。當然，生命物質(zhì)有可能搭乘彗星和小行星，穿過行星際或星際空間達到宇宙的某個區(qū)域，進而導致了生命在那里的演化。
雖然戶谷友則的研究工作還無法回答這個最基本的科學問題，但它可能指導對生命起源的后續(xù)研究。我們是否仍然是宇宙中唯一存在的生命還未可知。但是如果戶谷友則的研究告訴了我們了什么結(jié)論的話，那就是：我們不應該相信在可觀測宇宙中，會存在其他生命。
原文鏈接：https://www.livescience.com/orig ... universe-model.html
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41598-020-58060-0
