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有臭的分子可能是外星生命的可靠标志

磷化氢是地球上最臭,最有毒的气体之一,在一些最肮脏的地方发现,包括企鹅粪堆,沼泽和沼泽的深处,甚至在一些badge和鱼的肠中。这种腐烂的“沼泽气体”也是高度易燃的,并且与我们大气中的颗粒具有反应性。

地球上的大多数生命,特别是所有有氧呼吸的生命,都不希望与磷化氢有关,既不产生磷化氢也不依赖磷化氢来维持生存。

现在,麻省理工学院的研究人员发现,磷化氢是由另一种不太丰富的生命形式产生的:厌氧生物,例如细菌和微生物,不需要氧气就可以繁衍。研究小组发现,除这些极端的厌氧生物外,无法以其他任何方式生产膦,从而使膦成为一种纯粹的生物特征-一种生命的迹象(至少是某种生命)。

在最近发表在《天体生物学》杂志上的一篇论文中,研究人员报告说,如果磷化氢的产生量与地球上的甲烷相似,则该气体将在行星大气中产生特征性的光图案。这种模式将非常清晰,足以用望远镜(例如计划中的詹姆斯·韦伯太空望远镜)探测到长达16光年。如果从岩石行星中检测到磷化氢,那将是地球外生命的明确标志。

麻省理工学院地球,大气与行星科学系的首席科学家克拉拉·索萨-席尔瓦(Clara Sousa-Silva)说:“在地球上,氧气确实是生命的令人印象深刻的标志。” “但是除了生命以外,其他事物也会产生氧气。重要的是要考虑可能不经常产生的陌生分子,但是如果确实在另一个星球上发现它们,那就只有一个解释。”

该论文的合著者包括MIT的1941年级地球,大气与行星科学教授Sukrit Ranjan,Janusz Petkowski,Zhanchang Zhan,William Bains和Sara Seager,以及Caltech的胡宇宇。

大肚子

Sousa-Silva和她的同事正在为可能是潜在生物特征的分子组装一个指纹数据库。该团队已经聚集了包括膦在内的16,000多名候选人。这些分子中的绝大多数还没有被完全表征,如果科学家要在系外行星的大气层中发现它们中的任何一个,他们仍然不会知道这些分子是生命的象征还是其他东西。

但是,通过Sousa-Silva的新论文,科学家们可以对至少一种分子的膦化有信心。该论文的主要结论是,如果在附近的岩石行星中检测到磷化氢,则该行星必须具有某种生命。

研究人员并没有轻易得出这个结论。在过去的十年中,苏萨-席尔瓦(Sousa-Silva)致力于通过对磷化氢的性质以及其与其他分子在化学上的区别进行系统的破译,来全面表征恶臭的有毒气体。

在1970年代,在木星和土星的大气中发现了磷化氢,这是非常热的天然气巨头。科学家们推测,该分子是在这些天然气巨头的肚子里自发地聚在一起的,而且正如苏萨-席尔瓦(Sousa-Silva)所描述的那样,“被巨大的,行星大小的对流风暴猛烈地疏通了”。

尽管如此,对膦的了解却不多,苏萨-席尔瓦(Sousa-Silva)将自己在伦敦大学学院的研究生工作专门用于固定膦的光谱指纹。在论文工作中,她确定了磷化氢应吸收的确切波长,如果存在这种气体,任何大气数据都将丢失该波长。

在攻读博士学位期间,她开始怀疑:磷化氢不仅可以在天然气巨头的极端环境中生产,而且可以在地球上的生命中生产吗?在麻省理工学院,Sousa-Silva和她的同事开始回答这个问题。

Sousa-Silva说:“因此,我们开始收集在地球上任何地方都检测到的磷化氢的所有提及,结果证明,在没有氧气的任何地方,都有磷化氢,例如沼泽,沼泽地和湖泊沉积物以及所有东西的放屁和肠子。” “突然之间,这一切都说得通:对于喜欢氧的任何事物来说,它都是一种真正有毒的分子。但是对于不喜欢氧气的生命,它似乎是一个非常有用的分子。”

“除了生活以外”

膦与无氧生活有关的认识是该分子可能是可行的生物特征的线索。但是可以肯定的是,该小组必须排除任何可能由生命以外的物质产生膦的可能性。为此,他们在过去的几年中,通过对化学途径进行详尽的理论分析,在越来越极端的情况下,运行了许多种类的磷(必不可少的磷化氢)基本组成部分,以查看磷是否可以在任何非生物中转化为膦(非-产生生命的方式。

膦是由一个磷和三个氢原子组成的分子,通常不希望它们结合在一起。例如,在木星和土星内部的极端环境下,需要大量的能量才能用足够的力粉碎原子以克服它们的自然厌恶。研究人员研究了地球上多种情况所涉及的化学途径和热力学,以查看它们是否能够产生足够的能量将磷转化为膦。

“在某个时候,我们正在研究越来越不合理的机制,例如,如果构造板块相互摩擦,会不会产生产生磷化氢的等离子火花?或者如果闪电击中了含磷或流星含磷的地方,它会产生影响的膦吗?我们经历了这个过程的数年时间,发现除了生命之外,没有什么能使膦产生可检测的量。”

他们发现,磷化氢没有明显的假阳性,这意味着对磷化氢的任何检测都是生命的肯定信号。然后,研究人员探索了在系外行星大气中是否可以检测到该分子。他们模拟了两种理想化的,贫氧的地球系外行星的大气:富氢和富二氧化碳的大气。他们将不同的磷化氢生成速率输入到模拟中,并推断出给定大气的光谱在给定的磷化氢生成速率下会是什么样子。

他们发现,如果磷化氢的产生量与今天地球上产生的甲烷相当,那么它会在大气中产生一个信号,这种信号足够清晰,可以由高级天文台(如即将推出的詹姆斯·韦伯太空望远镜)检测到,如果该行星位于距地球5秒差距以内或距地球约16 光年的范围内,那么该空间范围将覆盖众多恒星,很可能包含岩石行星。

Sousa-Silva表示,除了将磷化氢作为寻找外星生命的可行生物签名之外,该小组的研究结果还为研究人员确定其他16,000种生物签名候选者的特征提供了渠道或过程。

她说:“我认为社区需要投资,以将这些候选人筛选为某种优先事项。” “即使这些分子中的某些确实是昏暗的信标,如果我们能够确定只有生命才能发出这种信号,那我感觉那就像是一个金矿。”

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