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隼鸟2号：首次发现地外氨基酸？| 行星事务所

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2年前浏览2935

近日，隼鸟2号团队公布，在探测器采回的小行星龙宫样品里发现了多种氨基酸[1]。这个发现还没有整理成论文正式发表，就已迅速引发媒体的竞相报道和公众对地外生命的万千遐想。

氨基酸之于生命，有什么特殊之处？隼鸟2号本次发现了哪些氨基酸？氨基酸在地外星球上罕见吗？发现地外氨基酸到底意味着什么？从氨基酸到地外生命还有多远？

氨基酸：碳基生命大厦的“砖石”

液态水和有机物，是我们地球碳基生命得以诞生、繁荣所必需的物质。于是，一颗星球上是否存在水和有机物，自然成为我们探寻宇宙中其他星球上是否还有生命存在的重要参考依据。

但事实上，近几十年的深空探测成果已经明白无误地告诉我们：

水，并不罕见。

月球、火星和诸多小行星上都有着多种形式的水[2-4]；外太阳系木星和土星的冰卫星冰层之下，更是有着广阔的液态水海洋乃至疑似深海热泉的供能系统，是接下来深空探测任务寻找地外生命的重点目标。

有机物，也不罕见。

彗星和以碳质小行星（C型小行星）为代表的小行星上根本不缺有机物；好奇号火星车更是明确在火星上通过钻孔采样，探测到了多种噻吩（C₄H₄S）、芳香族、脂肪族复杂有机物 [5]。

那为什么我们迄今为止还没有在其他星球上发现过任何一点生命的存在呢？是不是这些有机物还“不够分量”？

回顾我们自身，地球生命这种复杂系统的运行，需要一种“特殊”的有机物——氨基酸。

氨基酸的基本结构并不复杂，包含碳（C）、氢（-H）、氨基（-NH2）、羧基（-COOH）和一个任意侧链基团（-R）。显然，连上不同的-R基团，就可以有种类丰富的氨基酸。

多个氨基酸通过脱水，可以像琏珠一般串联成肽链；长肽链进一步折叠、结合在一起，就可以组成各色各样的蛋白质。

不过，对地球生命来说，虽然自然界的氨基酸百种千样，但用于组成蛋白质的氨基酸通常只有20种，这就是所谓的“20种基本氨基酸”或者“蛋白氨基酸”（proteinogenic amino acids）。其他氨基酸也不是对生命毫无用处，它们有些可以以短肽链（小肽）的形式，参与“生命工厂”的运行。

换言之，氨基酸是构成蛋白质的基本单位，是“碳基生命”这座大厦的“砖石”。

隼鸟2号发现了哪些氨基酸？

给新读者简单介绍一下隼鸟2号：

JAXA隼鸟2号探测器发射于2014年12月，2018年6月抵达目标——近地小行星龙宫。

2018-19年，隼鸟2号对龙宫开展了一系列伴飞遥感探测、投下1枚着陆器3枚巡视器，并通过两次着陆采样分别采集到了小行星表面和地下深处物质。（详见：隼鸟2号的2019年：大展身手，满载而归）

2020年12月6日，隼鸟2号顺利将装载小行星样品的返回舱送回地球，之后动身前往下一个探测目标——直径约30米，快速自转的小行星1998KY26（计划2031年7月抵达）。

隼鸟2号原本计划采回100毫克小行星龙宫样品，但实际“开箱”称重结果显示共采回了5.4克，是计划采样量的50多倍。

本次新发现的氨基酸，均来自编号A0106的样品颗粒，这是隼鸟2号第一次着陆采集到的龙宫表面样品中的一部分。

正如开头说的，这个发现还没有整理成论文正式发表，只是在今年的月球与行星科学大会（LPSC）上发表的1篇名为《小行星162173龙宫上的可溶性有机化合物》[1]的摘要中做了简单介绍。该研究由九州大学奈良冈浩（姓奈良冈）教授领衔，隼鸟2号样本分析团队完成。

摘要中指出：

A0106样品中的碳（3.76wt%）、氢（1.14wt%）、氮（0.16wt%）含量高于所有已知的碳质球粒陨石；在A0106样品的热水水解提取物中，发现了超过10种氨基酸，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）。（PS：实际观测数据和描述以将来正式发表的论文为准）

在小行星上发现氨基酸，确实意味着相比于发现其他“普通”有机物，我们离生命又近了那么一点。

但这次发现的意义，并不在于“首次发现氨基酸”。毕竟…这早已不是“第一次”在地外星球上发现氨基酸了。

地外星球上的氨基酸

从上个世纪70年代开始，人们就陆续发现过许多地外星球上可能存在氨基酸的证据，也不断质疑和检验着这些证据。

早在阿波罗时代，科学家们就在阿波罗月球样品里发现过一些氨基酸，包括甘氨酸、丙氨酸、谷氨酸、天冬氨酸、丝氨酸和苏氨酸等等，含量最高的有70 ppb（1 ppb = 10亿分之1）[7]。

但50多年前的样品采集、存储、分析过程都比现在糙多了。例如阿波罗15、16和17号的一些样品，当年曾经和两块地球纯橄榄岩样品存放在同一间实验室里[8]——这氨基酸到底是不是月球来的，那可就说不清了。

不过，氨基酸还可以通过分子结构中的“手性”特征（chirality）来判断来源地：除了甘氨酸（-R基团就是H）之外的氨基酸，都有L型（左手性）和D型（右手性）两种异构体，它们分子式相同，结构上镜像对称，如同我们的左手和右手一般，看起来似乎完全一样，但永远无法通过旋转达到重合。

地球上自然界的氨基酸，主要是L型（左手性）氨基酸；地球生命中的蛋白质，除了甘氨酸之外更是全部都由L型氨基酸组成，没有D型 （不过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）。而来自地外、非生物产生的氨基酸，通常D型和L型比例相当，这一特征也称为“外消旋”。

在2016年发表的一篇对阿波罗样品中氨基酸的重新分析中[8]，发现了更多种类的氨基酸（例如甘氨酸、DL-丙氨酸、DL-天冬氨酸、DL-谷氨酸、DL-丝氨酸、L-苏氨酸和L-缬氨酸，还有一些之前在月球样品中没有发现的氨基酸，如α-氨基异丁酸、DL-β-氨基正丁酸、DL-α-氨基正丁酸、γ-氨基正丁酸、β-丙氨酸和ε-氨基正己酸等等），其中L型的蛋白氨基酸显著多于对应的D型氨基酸，表明阿波罗月球样品中的蛋白氨基酸很可能来自地球的污染。不过，样品中的丙氨酸和β-氨基正丁酸D型和L型比例相当，表明某些氨基酸依然可能来自地球之外。

陨石中发现的氨基酸就更多了，尤其是碳质球粒陨石中。这类陨石被认为来自C型小行星的碎片（龙宫就是C型小行星），且没有经历什么热变质过程，也就是说，这类陨石非常古老，可能反映了母体小行星原本的物质成分。

其中最典型的例子可能当属默奇森陨石（Murchison meteorite）。1969年，这颗质量超过100公斤的碳质球粒陨石坠落在澳大利亚维多利亚州默奇森镇，这是人类少有的目击到降落过程并且迅速被寻找到的陨石，可以认为是几乎没有受到地球“污染”的。

1970年，科学家们在默奇森陨石中发现了5种蛋白氨基酸（甘氨酸、丙氨酸、缬氨酸、脯氨酸和谷氨酸）和2种非蛋白氨基酸（N-甲基甘氨酸和α-氨基丁酸）[9]，1971年又继续发现了1种蛋白氨基酸（天冬氨酸）和6种非蛋白质氨基酸（β-丙氨酸、α-氨基正丁酸、β-氨基正丁酸、γ-氨基正丁酸、异戊酸和哌克立酸）[10]。（PS：在2010年发表的1篇对默奇森陨石的重分析中，发现了70多种氨基酸，此为后话了[11]。）

紧接着还是在1971年，科学家们又用相似的方法分析了另一颗坠落后几乎未受地球污染的碳质球粒陨石——穆雷陨石（Murray meteorite），并从中发现了6种蛋白氨基酸（甘氨酸、丙氨酸、缬氨酸、脯氨酸、天冬氨酸和谷氨酸）和11种非蛋白氨基酸（异戊酸、α-氨基丁酸、N-甲基丙氨酸、α-氨基正丁酸、N-甲基甘氨酸、N-乙基甘氨酸、去甲缬氨酸、β-氨基正丁酸、哌酮酸、β-丙氨酸和γ-氨基正丁酸）[12]。

更重要的是，默奇森和穆雷陨石样品中的手性氨基酸D型和L型比例相当，表明这些氨基酸很可能来自地球之外的非生物来源；而且默奇森陨石中发现的所有氨基酸种类，在穆雷陨石中都有发现，这或许意味着某些氨基酸种类在碳质球粒陨石和它们的母体小行星上普遍存在。

当然，再迅速被找到的陨石，也无法绝对排除被地球有机物污染的可能性。相比之下，直接在地外星球探测到的，或者以更先进的采样技术从外星采回的氨基酸，显然更有说服力。

2016年，科学家们使用罗塞塔号探测器ROSINA质谱仪，在彗星67P/楚留莫夫上探测到挥发性的甘氨酸[13]。

这是探测器通过遥感手段在外太空直接获取的彗星成分，理论上来说不存在受到地球物质污染的可能性，这也侧面印证了十多年前科学家们在星尘号采回的彗星样品中发现的甘氨酸[14]可能并不是地球污染，而是真的在彗星81P/维尔德上存在。

不过，甘氨酸毕竟是最简单的氨基酸，地外星球上还有更复杂的氨基酸吗？

隼鸟号样品的分析结果又更进了一步。由于隼鸟初号机的探测和采样之旅历经坎坷，它从近地小行星糸川带回的样品也受到了微量的地球污染，但科学家们还是从中探测到了一些地球上不常见的非蛋白氨基酸，例如β-丙氨酸和微量的β-氨基丁酸、β-氨基正丁酸，且β-氨基丁酸和β-氨基正丁酸都是外消旋混合物，符合地外非生物来源特征 [15]。

但糸川是S型（硅质）小行星，本来就不是富有机物的小行星类型，而且也没有发现靠谱的地外蛋白氨基酸。相比之下，本次隼鸟2号从C型小行星龙宫带回的样品可靠性更高，从中发现的氨基酸种类也更多，而且明确发现了来自地外的蛋白氨基酸。

这也是人类首次在地外采回的样品中确认发现蛋白氨基酸。（你看，只要定语足够多，这个“第一”总能拿到）

隼鸟2号本次发现的氨基酸会不会是地球污染？可能性非常低。

一方面，隼鸟2号的采样非常成功，样品封装完好，全程没有发生样品污染事件；样品回收后一直处于严格与地球物质隔绝的状态，也从来不曾暴露在地球空气中过[6]。

另一方面，本次样品分析的所有提取过程都是在ISO6（1000级）洁净室内的ISO5（100级）洁净台上进行的，研究中使用的所有玻璃器皿在接触样品前都在500℃的空气中烘烤过3个小时，避免容器中可能的有机物污染样品[1]。

再加上本次隼鸟2号探测到的氨基酸中，样品中具有手性的氨基酸都是外消旋混合的（L型和对应的D型氨基酸比例约为1:1）[1]，确实可以算得上是地外氨基酸实锤plus了。

然而，相比于需要寻找多少个定语才能获得这个“首次”，隼鸟2号本次发现地外氨基酸更重要的意义在于告诉我们——

不要再否认了，与水和其他有机物一样，氨基酸在地外星球上也并不罕见。

如果我们认同，地球之外的生命形式依然是碳基生命，氨基酸也同样是构成外星“生命大厦”的“关键性积木”的话，那我们也不得不承认：

拥有“生命积木”很可能确实不是一件门槛很高的事——正如70年前的米勒-尤里实验所展示的那样。

1952 年，在芝加哥大学化学大楼的地下室，斯坦利·米勒在导师哈罗德·尤里的指导下做了一个实验 [16]：

他们在球形玻璃容器中注入一些水来模拟海洋，通过给玻璃容器加热来模拟太阳，用水、甲烷、氨气和氢气的混合气体组成“大气”(这是当时的人们认为的地球早期大气最可能的组成成分)，并用电火花来模拟闪电。

一周后，容器中的水变成了红褐色，溶液中检测出了至少5种氨基酸：甘氨酸、α-丙氨酸、β-丙氨酸、天冬氨酸和α-氨基丁酸，以及其他复杂有机物。

之后的70年里，众多科学家们或重现、或改进过这个实验，但结果无一例外都证实了：简单无机物和有机物，不需要多么苛刻的实验条件，甚至不需要太长反应时间，就完全有可能产生包括氨基酸在内的各种复杂有机物。

那么我们又回到了这个关键性的问题：如果宇宙中有大把星球手握着“生命积木”，那为什么我们至今还没有发现任何地外生命的痕迹呢？

费米悖论：它们都在哪里呢？

1950年的一天，在一群物理学家关于地外生命的闲聊中，恩里科·费米想到：既然宇宙中有这么多星球，这些星球又有如此长的时间来演化出生命甚至文明，那从概率上来说，地外文明早该遍布宇宙了。

然后提出了一个问题：它们都在哪里呢？

为什么我们至今没有探测到任何地外文明，也从来没有地外文明来寻找我们呢？

这个悖论随着之后几十年的天文发现，变得愈发发人思考。

一方面，米勒-尤里实验和不断在地外星球上发现的复杂有机分子都告诉我们，一颗星球上产生氨基酸甚至更复杂的有机物并不困难和少见；

另一方面，随着开普勒号、苔丝号这样的系外行星探测器投入使用，人们已经发现了超过5000颗各色各样的系外行星系统，而且这个数字还在飞速增长。

如果地球生命这样诞生演化之路并非特例，那我们或许确实应该相信，宇宙中这么多星球上，总有概率产生地外生命甚至地外文明。

如果没有其他星球诞生过生命，那我们的地球为何如此特殊？生命诞生的关键到底是什么？

诚然，拥有“砖石”不代表能造出“房子”，那么真正的生命起源问题，或许不在于如何产生组成生命的砖石，而是如何将这些砖石组装成生命大厦。

我们在地外星球上寻觅的下一个关键性的证据会是什么？是承载有效遗传信息的DNA和RNA吗？是微生物这样简单生命的残骸或者代谢产物吗？直到现在，我们还没有答案。（拓展阅读：我们离火星生命还有多远？）

但可以确定的是，如今我们的还怀抱着希望，还在不断派出探测器，去火星和木星、土星冰卫星这样的“宜居卫星”上寻找生命存在（过）的证据。

无论是否真的能找到生命，在下一个十年里，我们对太阳系中的生命和宜居环境，一定会有更深刻的认知。

致谢

本文感谢Lotte Huang、小铖老师的审稿，感谢知友潘潘、大风、梁昊对本文提升所做的帮助~

参考文献

[1] Naraoka, H., Takano, Y., & Dworkin, J. P. (2022). Soluble Organic Compounds in Asteroid 162173 Ryugu. LPI Contributions, 2678, 1781.

[2] Li, S., Lucey, P. G., Milliken, R. E., Hayne, P. O., Fisher, E., Williams, J. P., ... & Elphic, R. C. (2018). Direct evidence of surface exposed water ice in the lunar polar regions. Proceedings of the National Academy of Sciences, 115(36), 8907-8912.

[3] Dundas, C. M., Bramson, A. M., Ojha, L., Wray, J. J., Mellon, M. T., Byrne, S., ... & Holt, J. W. (2018). Exposed subsurface ice sheets in the Martian mid-latitudes. Science, 359(6372), 199-201.

[4] Orosei, R., Lauro, S. E., Pettinelli, E., Cicchetti, A. N. D. R. E. A., Coradini, M., Cosciotti, B., ... & Seu, R. (2018). Radar evidence of subglacial liquid water on Mars. Science, 361(6401), 490-493.

[5] Eigenbrode, J. L., Summons, R. E., Steele, A, (2018). Organic matter preserved in 3-billion-year-old mudstones at Gale crater, Mars. Science, 360, 1096-1101.

[6] Yada, T., Abe, M., Okada, T., Nakato, A., Yogata, K., Miyazaki, A., ... & Tsuda, Y. (2022). Preliminary analysis of the Hayabusa2 samples returned from C-type asteroid Ryugu. Nature Astronomy, 6(2), 214-220.

[7] Fox, S. W., Harada, K., & Hare, P. E. (1973). Accumulated analyses of amino acid precursors in returned lunar samples. In Lunar and Planetary Science Conference Proceedings (Vol. 4, p. 2241).

[8] Elsila, J. E., Callahan, M. P., Dworkin, J. P., Glavin, D. P., McLain, H. L., Noble, S. K., & Gibson Jr, E. K. (2016). The origin of amino acids in lunar regolith samples. Geochimica et Cosmochimica Acta, 172, 357-369.

[9] Kvenvolden, K., Lawless, J., Pering, K., Peterson, E., Flores, J., Ponnamperuma, C., ... & Moore, C. (1970). Evidence for extraterrestrial amino-acids and hydrocarbons in the Murchison meteorite. Nature, 228(5275), 923-926.

[10] Kvenvolden, K. A., Lawless, J. G., & Ponnamperuma, C. (1971). Nonprotein amino acids in the Murchison meteorite. Proceedings of the National Academy of Sciences, 68(2), 486-490.

[11] Schmitt-Kopplin, P., Gabelica, Z., Gougeon, R. D., Fekete, A., Kanawati, B., Harir, M., ... & Hertkorn, N. (2010). High molecular diversity of extraterrestrial organic matter in Murchison meteorite revealed 40 years after its fall. Proceedings of the National Academy of Sciences , 107(7), 2763-2768.

[12] Lawless, J. G., Kvenvolden, K. A., Peterson, E., Ponnamperuma, C., & Moore, C. (1971). Amino acids indigenous to the Murray meteorite. Science, 173(3997), 626-627.

[13] Altwegg, K., Balsiger, H., Bar-Nun, A., Berthelier, J. J., Bieler, A., Bochsler, P., ... & Wurz, P. (2016). Prebiotic chemicals—amino acid and phosphorus—in the coma of comet 67P/Churyumov-Gerasimenko. Science advances, 2(5), e1600285.

[14] Elsila, J. E., Glavin, D. P., & Dworkin, J. P. (2009). Cometary glycine detected in samples returned by Stardust. Meteoritics & Planetary Science, 44(9), 1323-1330.

[15] Parker, E. T., Chan, Q. H., Glavin, D. P., & Dworkin, J. P. (2022). Non‐protein amino acids identified in carbon‐rich Hayabusa particles. Meteoritics & Planetary Science, 57(4), 776-793.

[16] Miller, S. L. (1953). A production of amino acids under possible primitive earth conditions. Science, 117(3046), 528-529.

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首次发布时间：2022-07-12