认识土星最大的卫星:土卫六,为生命存在准备了大量东西

土星最大的卫星土卫六,从土星及其星环前经过。该照片由卡西尼号探测器以真实色彩拍摄。

供图:NASA

撰文:Nadia Drake

当冬季降临在土卫六的两极地区时,也会带去大量的有毒分子,而在适当条件下,这些分子可以结合成地球上细胞外层的那种生物膜。

这种分子名叫丙烯氰(C3H3N),形成于土卫六大气层上层。如今,科学家们发现,大量这种分子存在于土卫六橘色的大气层中,并可能会降落在土卫六冰冻的地表上。

根据近日发表在《Science Advances》上的论文,土卫六北半球第二大湖泊丽姬亚海中,可能存在100亿吨以上的丙烯氰。

这种化合物进入土卫六湖泊之后会产生什么?它是自己合成的吗?这些问题仍然悬而未决。不过,假定这种分子能形成细胞膜,那么,这次发现就提出了新的疑问:在土卫六的海洋中,生命所需的关键原料之一是否可以轻易获得?

这张是卡西尼号探测器合成的图像,可以让我们穿过土卫六的云层,看到地表。

供图:NASA

上图是用美国宇航局卡西尼号探测器拍摄的照片着色、拼接而成的。图上显示,土卫六的北半球分布着许多碳氢化合物湖泊和海洋。

供图:NASA, JPL-CALTECH, ASI, USGS

“土卫六上的化学环境独特而又奇异,我们目前掌握的所有证据都表明它上面已经为生命存在准备了大量东西。”美国约翰霍普金斯大学的Sarah H rst说道。

“我们从行星科学中学到的一切都告诉我们,其它星球比我们更有创意。”

外星海洋

几十年来,土卫六这颗土星上最大的卫星一直诱惑着天体生物学家们:除了化学环境之外,土卫六与地球或多或少都有些相似。它也是太阳系中除地球之外唯一一颗液体能在地表流动的星球;它吸附着一个氮气大气层,而且表面还覆盖着许多复杂的有机化合物。

但是,土卫六的温度能下降至-179℃,水会变得坚若磐石,而液态乙烷和甲烷则汇聚成了海洋。土卫六赤道附近的山丘并非砂石,而是由冰冻的有机物形成的。土卫六上的“雨”也与地球植物合成的一些化合物相同。

换言之,如果土卫六上进化出了生命,其分子机制处理碳氢化合物比处理水更加高效。

卡西尼号拍摄到冬季的土卫六,冰冻化合物形成的大团云层飘在土卫六的南极上方。

供图:NASA/JPL-CALTECH/SPACE SCIENCE INSTITUTE

从卡西尼号的这个视角望去,高悬在土星环上方的土卫六好似一颗明珠。

供图:NASA, JPL-CALTECH, SPACE SCIENCE INSTITUTE

长久以来,土卫六浓厚的大气层都阻隔了我们观察其地表的视线。

供图:NASA

“整个太阳系中,再也没有一个地方拥有这么多液态碳氢化合物湖泊。”该论文的合著者、美国宇航局戈达德太空飞行中心的Conor Nixon说道,“因此,需要一个全新的生物学体系来支撑它。”

2004年至今,卡西尼号探测器一直在土星附近忙碌着,帮助科学家们研究土卫六这个巨大而又奇异的卫星。十多年前,卡西尼号探测到一个分子中含有丙烯氰原子成分的证据(3个碳,3个氢,1个氮)。但是,卡西尼的数据并未告诉科学家这些原子是否按照丙烯氰的分子结构进行排列。

最近,该研究的负责人、也在美国宇航局工作的Maureen Palmer及其同事们研究了智利阿塔卡玛毫米/亚毫米波阵列望远镜(ALMA)收集到的数据。研究宇宙的科学家过去一直将望远镜对准土卫六,利用它来校准观测。

结果,2014年2月至5月间收集的校准数据显示,土卫六上确确实实存在丙烯氰,那些物质不仅在原子层面上与丙烯氰相同,而且整个分子结构也完全相同。

科学家们利用这些偶得的数据,确定土卫六大气层中漂浮着数百万千克的丙烯氰。该研究团队探测发现,丙烯氰主要分布在约193千米的高空,这一点也说得通。因为,据Nixon介绍,当太阳光和其它带电粒子轰击土卫六的氮气大气层时,会使现有的甲烷和氮气分解成“乐高积木块”。

然后,这些原子会重组成各种复杂的结构,其中就包括丙烯氰。丙烯氰缓慢地聚集,并在大气层中下沉,最终以雨滴的形式降落到土卫六地表。由于土卫六上的季节变化与大气循环,最高浓度的丙烯氰会在冬季降落在两极地区,不过,整个星球的其它地方也都会以某种程度雨露均沾。

Nixon说:“丙烯氰可能遍布土卫六,然后静静躺在地表,成为有机残留物,也可能发生反应,形成长链聚合物。或者,它也可能落进湖泊中,而一旦它落入湖中,便开始自我组织。”

乌贼星球?

丙烯氰可能形成与类似地球生物细胞膜的想法,来自于美国康奈尔大学的一个研究团队。该团队研究了土卫六大气层中的许多分子,然后用电脑模型来确定哪些分子能够自我组装成细胞膜一样的结构,即“氮基膜”(译者注:azotosome,该名词为此研究团队2015年首创,尚无确切译法)。

卡西尼号透过薄雾,看到了土卫六上碳氢化合物湖泊与冰丘的位置。

供图:NASA, JPL-CALTECH, SPACE SCIENCE INSTITUTE

从卡西尼号望去,土星的另一颗小卫星土卫三溜到了土卫六背后。

供图:NASA, JPL, SPACE SCIENCE INSTITUTE

从9.6千米处看到的土卫六地表。这张照片是用惠更斯号探测器拍摄的影像合成的。

供图:ESA, NASA, JPL, UNIVERSITY OF ARIZONA

该团队由当时的研究生James Stevenson领衔,发现了在土卫六极寒的液氮海洋中,丙烯氰最有可能形成某种天体生物学材料。

与地球上的细胞膜类似,这种模拟出来的材料既结实又有韧性,或许能形成一个空心球体,将其它生命必需的材料与外界隔离开来,而它在甲烷中聚合、隔离的属性也恰恰如此。

康奈尔大学的Paulette Clancy幽默地打了个比方:“这些分子不能亲近得毫无间隙,但是又必须亲近到能够形成链条的程度。然后,如果链条的两端碰面后,它们还要相互说‘太棒了!让我们连在一起吧!’”如此一来,就能形成封闭的膜。

截至目前,尚无真正的实验能证明丙烯氰能够形成膜。因为,用低温液态甲烷和有毒的氰化物做实验非常困难。不过,身在地球的我们,也只能用这种方式 来模拟土卫六上可能发生的化学反应。

“你可以找一位最好的有机化学家,问问他是否愿意接受这个挑战。”Clancy说道。

不过,由于丙烯氰在土卫六上的含量极为丰富,丙烯氰理论上能形成膜状球。这个理论也变得更加撩人心弦。毕竟,仅计算质量的话,土卫六丽姬亚海里的丙烯氰就能形成至少360亿条大王乌贼。这项发现或许也将促使再发射一个探测器前往那颗橘色星球上一探究竟。

H rst说:“我们还处于弄清土卫六湖泊的初期试验阶段。但是,只有我们到达那里,才能确切知道究竟发生了什么。”

(译者:mikegao)

来源:国家地理中文网(官V)