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地球上的生命使用水作为溶剂

导读 宇宙中存在着大量潜在的宜居世界,这意味着宇宙中可能存在着超出我们想象的多样性生命。以硅而不是碳为基础的生物,或者呼吸氢气而不是氧气...

宇宙中存在着大量潜在的宜居世界,这意味着宇宙中可能存在着超出我们想象的多样性生命。以硅而不是碳为基础的生物,或者呼吸氢气而不是氧气的生物体。但无论外星生命多么奇怪和奇妙,它仍然受到与地球生命相同的化学物质的控制,这意味着它需要化学溶剂。

在地球上,溶剂是水(H2O)。水将一些分子溶解到溶液中,使生物体能够接触到一系列材料。由于水是液体,因此复杂分子很容易混合在一起并相互作用。如果没有水的溶剂和流体特性,地球生命就不可能存在,而且由于水是宇宙中常见的分子,它对生命的核心作用并不令人惊讶。但是还有其他常见的分子可以作为生命的溶剂吗?外星生命是否会在不需要水的情况下在遥远的世界出现?这是最近发布在arXiv预印本服务器上的一篇文章研究的问题。

作者从生命友好型溶剂的四个一般条件开始:它们必须溶解一些分子,但不是全部;它们必须能够在生物的新陈代谢中发挥作用;各种复杂的有机分子必须能够在溶剂中生存;它通常必须在某些岩石世界上存在数十亿年。

在所有已知的常见溶剂中,只有水明确满足所有四个条件。氨(NH4)满足前三个条件,但不太可能满足第四个条件,因为它在暴露于紫外线时很容易分解,并且只要氨可能存在,水也可能存在。因此,虽然氨可以在其他世界的生命中发挥作用,但它不太可能成为主要溶剂。然而,有两种分子非常接近水。

第一种是浓硫酸(H2SO4)。尽管硫酸对地球上的生命极其危险,但它满足三个主要条件。目前尚不清楚的是其中是否可以存在多种有机分子。像水一样,它可以提供用于电荷交换的离子,并且可以参与某些化合物(例如芳香族分子)的相互作用。但有一种分子的用途和丰富性更接近于水:二氧化碳(CO2)。

二氧化碳很常见。火星和金星的大气层主要由CO2组成,并且大多数岩石系外行星可能都富含二氧化碳。它在气态下不是溶剂,因此地球等温暖行星上的生命依赖于它。但更遥远的系外行星,比如寒冷的金星,可能会出现这种情况。液态CO2地质稳定,可耐受多种有机分子。

目前尚不清楚其溶剂特性是否适合复杂的代谢。CO2是一种非常良性的溶剂,因此它可能不足以搅拌化学锅以使生命在其中产生。但由于它与多种类型的分子配合良好,因此它可能与其他分子合作,成为生命的基础。作者得出结论,这是一个值得进一步研究的话题。

在某种程度上,这项工作证实了我们已知的事实,即水是生命中最丰富、最有用的溶剂。但它也提出了有趣的问题。其他常见的分子很接近,它们可能共同形成外星生命的家园。

例如,土卫六的海洋富含碳氢化合物和其他复杂的有机分子。与土卫六类似的冷系外行星卫星可能拥有CO2、NH4和H2O海洋,每种海洋都能够起到地球上水的部分作用。关于冷系外行星上的低温化学,我们还有很多不了解的地方。因此,虽然宇宙中可能存在生命之水,但某些星球上的生命之海可能更加奇特。

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