异戊二烯是重要的有机化工原料(天文学家在外星世界的大气中发现了异戊二烯，很有可能存在生命)

Posted 2023-05-25

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异戊二烯是重要的有机化工原料(天文学家在外星世界的大气中发现了异戊二烯，很有可能存在生命)

可以毫不夸张地说，对太阳系外行星的研究在最近几十年里迅猛发展。到目前为止，4375颗系外行星已经在3247个星系中被确认，还有5856颗候选行星正在等待确认。近年来，对系外行星的研究已经开始从发现过程过渡到表征过程。一旦下一代望远镜投入使用，这一进程有望加速。

因此,天体生物学家正在努力创建全面的列表的潜在“生物特征,指化合物和过程与生命相关联(氧气、二氧化碳、水等),但根据最新的研究团队从麻省理工学院(MIT),另一个潜在的生命指标我们应该寻找烃叫做异戊二烯(C5H8)。

这项研究描述了他们的发现，“异戊二烯在缺氧大气的系外行星中可能作为生物标志气体的评估”，最近在网上发表，并被天体生物学杂志接受发表。为了他们的研究，麻省理工学院的研究小组研究了越来越多的可能的生物特征，这些生物特征是天文学家们在未来几年里需要关注的。

到目前为止，绝大多数的系外行星都是通过间接的方法被探测和确认的。在大多数情况下，天文学家依靠凌日法(凌日测光法)和径向速度法(多普勒光谱学)单独或联合使用。只有少数被直接成像探测到，这使得描述系外行星的大气和表面变得非常困难。

只有在极少数情况下，天文学家才能获得光谱，从而确定该行星大气的化学成分。这要么是光线穿过系外行星的大气层的结果，当它穿过它的恒星前，或者在少数情况下，直接成像和从系外行星的大气层反射的光可以被研究。

这在很大程度上与我们目前望远镜的局限性有关，目前的望远镜没有必要的分辨率来观测更小的岩石行星，这些行星的轨道离它们的恒星更近。天文学家和天体生物学家认为，正是这些行星最有可能具有潜在的宜居性，但从它们的表面和大气反射出来的任何光都被来自它们的恒星的光压倒了。

然而，随着下一代仪器如詹姆斯·韦伯太空望远镜(JWST)进入太空，这种情况很快就会改变。麻省理工学院1941届物理学和行星科学教授萨拉·西格尔(Sara Seager)领导了该研究小组。是这篇论文的合著者之一。她通过电子邮件告诉《今日宇宙》:

“随着即将到来的2021年10月詹姆斯韦伯太空望远镜的发射，我们将首次拥有寻找生物标志气体的能力——但这将非常困难，因为小型岩石行星的大气信号一开始就非常微弱。随着JWST的出现，在这一领域工作的人数急剧增长。像这样的研究提出了新的潜在的生物标志气体，而其他的工作甚至显示了潜在的假阳性气体，如氧气。”

一旦它部署和运行，JWST将能够在更长的波长(近红外和中红外范围内)观察我们的宇宙，并大大提高灵敏度。该望远镜还将依靠一系列摄谱仪来获取成分数据，以及日冕仪来遮挡母星的模糊光线。这项技术将使天文学家能够描绘出较小岩石行星的大气特征。

反过来，这些数据将使科学家能够对系外行星的宜居性施加更严格的限制，甚至可能导致发现已知(和/或潜在的)生物特征。如前所述，这些“生物特征”包括与生命和生物过程相关的化学迹象，更不用说有利于它的条件类型了。

其中包括氧气(O2)，它是地球上大多数生命形式所必需的，由光合作用的有机体(植物、树木、蓝藻细菌等)产生。这些生物体也在代谢二氧化碳(CO2)，而在氧代谢过程中，生命释放出的二氧化碳是废物。此外，地球上还有水(H2O)，这是我们所知道的所有生命所必需的物质;还有甲烷(CH4)，它是由有机物衰变释放出来的。

由于火山活动被认为对行星的宜居性起着重要作用，与火山活动有关的化学副产品——硫化氢(H2S)、二氧化硫(SO2)、一氧化碳(CO)、氢气(H2)等也被认为是生物特征。在这个清单上，Zhan, Seager和他们的同事希望添加另一个可能的生物特征——异戊二烯。詹其雄通过电子邮件向《今日宇宙》解释道:

“我们在麻省理工学院的研究小组专注于使用一种整体的方法来探索所有可能的气体作为潜在的生物标志气体。我们之前的工作导致了所有小分子数据库的建立。我们使用机器学习和数据驱动的方法对ASM数据库进行过滤，以识别最有可能的生物特征气体候选物质，其中之一是异戊二烯——Zhan Zhuchang博士。

和甲烷一样，异戊二烯是一种有机烃分子，是地球上各种物种的次生代谢物。除了落叶树木，异戊二烯还可以由各种进化距离遥远的生物体产生，如细菌、植物和动物。正如西格尔解释的那样，这使得它成为一种潜在的生物特征很有希望:

“异戊二烯和地球上的生命可以产生大量的异戊二烯——和甲烷一样多!”此外，各种各样的生命形式(从细菌到植物和动物)，那些彼此进化得很远的生命，都会产生异戊二烯，这表明异戊二烯可能是其他地方生命可能产生的某种关键的组成部分。”

虽然异戊二烯的含量和地球上的甲烷差不多，但异戊二烯会因与氧和含氧自由基的相互作用而被破坏。出于这个原因，Zhang, Seager和他们的团队选择把重点放在缺氧环境上。这些环境主要由氢气、二氧化碳和氮气(N2)组成，与地球原始大气的组成类似。

根据他们的发现，一颗原始行星(生命开始出现的地方)的大气中可能含有丰富的异戊二烯。在40亿至25亿年前的地球上，单细胞生物是唯一的生命，光合作用的蓝藻细菌正在缓慢地将地球的大气转变为富含氧气的大气。

25亿年前，这一过程在“大氧合事件”(GOE)中达到高潮，它被证明对许多生物(以及代谢产物如异戊二烯)有毒。也正是在这个时期，复杂的生命形式(真核生物和多细胞生物)开始出现。在这方面，异戊二烯可以用来描述行星的特征，这些行星正处于重大的进化转变中，并为未来的动物们奠定了基础。

但正如张所指出的，梳理出这种潜在的生物特征将是一个挑战，即使对JWST来说也是如此:

“异戊二烯作为生物标志物需要注意的是:1。检测需要地球异戊二烯生产速率的10倍-100倍;2. 近红外异戊二烯光谱特征的检测可能会受到甲烷或其他碳氢化合物存在的阻碍。由于许多碳氢分子在近红外波段具有相似的光谱特征，因此JWST对异戊二烯的独特检测将具有挑战性。但未来专注于中红外波段的望远镜将能够独特地探测到异戊二烯的光谱特征。”