从星雨撞击到生命起源：地球微孔环境中的化学反应

二、星雨大撞击与地球生命起源

一般认为地球的年龄约46亿年了，这是根据铀原子两个同位素（U²³⁸和U²³⁵）的蜕变速率推算出来的。地球的早期，由于它的不断运动，一方面内部物质的集聚收缩而产生了大量的热。另一方面内部的放射性元素衰变不断放出热，使地球一度液化而成为熔融状态。因重力的作用，产生物质分离，重物质下沉，轻物质上浮，在不断的分离过程中，形成了今日地球的三个组成部分，即地核、地幔和地壳。

地球形成之初，以氢和氦为主的原生大气进行了第一次化学反应；通过氢与氧、碳、氮等结合，生成水、甲烷、氨、一氧化碳、二氧化碳、氰化氢等次级大气，多余的氢大部分向外太空逃逸。氦是惰性气体，不参与化学反应，直接逃向太空，其余气体分子量较大部分被地球留住了。这就是一般所描绘的原始大气成分。然而，原始大气的组成仍是一个有争论的问题。著名的尤里—米勒的原始大气合成实验即假设为以上气体成分而进行的。按多数专家的看法，碳可能不是和氢化合成甲烷而是和氧化合成CO₂形式存在。氮很可能是分子氮（N₂）或者一种或几种与氧化合的形式存在，而不是以氨存在。氢气最多有痕量存在。如果这些估计正确的话，那么地球生命前体的有机化合物的合成更增加了难度。如果米勒的实验条件不成立，则意想不到的支持已从外层空间获得，而米勒的研究价值仍然存在。

探索宇宙的最强有力技术之一是光谱学。光谱探测揭示宇宙空间弥散着极为稀薄的微观颗粒云，即星际尘埃（lnterstellar dust），其中包含着相当数量的潜在生命分子，主要是碳、氢、氮、氧、硫、硅以及高反应性组成，料想彗星的形成就是这样发生的。长期以来被看成拖着闪烁的尾巴风驰电掣般掠过天空的火球似的彗星，大多带有附着各种有机物尘埃和冰块，这已从光谱分析得知。陨石给我们带来更为确实的证据，例如，从1969年落在澳大利亚麦启逊镇的麦启逊陨石找到了一定数量的氨基酸，其属性和相对数量都与米勒在他的实验里获得的极为相似。

有如此充足的证据表明大量的生命分子可以在原始地球条件下，在星际空间，以及在彗星和陨石中自发形成，很有可能提供了最初生命种子。有多少是地球制造，多少是来自外层空间，已不重要了。因为在地球形成之后到生命形成的10亿年间，受到地球引力作用，经历了一段漫长的天体星雨大撞击（heavy bombardment），起到有机物质的传递作用，而冰水也被彗星带来。所以，英国天文学家C.Chyba（1992）在他的《地球生命的宇宙起源》一文中提出了地球早期生命发生的基本物质，可能通过星云（asteroids）、陨石（meteorites）、彗星（comets）和星际间尘粒（IDP），带有足够的有机化合物从外部空间到达的观点与证据。

岁月的流逝，因地壳的运动以及生物活动与风沙冲刷，地球上的许多陨石坑早已变形或消失。然而在渺无人迹的南极，科学家用探测仪探索地貌，已发现在冰层下有着无数个巨大的陨石坑，有的直径达300km，并捡回10000多块小陨石。据知，现在地球每年还遭遇500万个陨石撞击，绝大多数陨石重量不超过1g，在进入大气层不久就烧毁了；能够落到地壳的陨石仅约20个，所以很难找到。(www.xing528.com)

然而，月球上的大陨石坑至今大多还保存着，最大直径达1200km，但行星科学家不能完全准确计算所有大小陨石坑，因为许多坑大小不好辨别，有些大坑则被熔岩所填。2007年12月初，我国嫦娥1号卫星传回的月球表面图像很清楚，其撞击坑很多，密度较大，最大的直径为94km。根据美国阿波罗12号检测资料表明，强烈撞击坑主要发生在35亿年前而后撞击率迅速下降。现在通过对火星（Mars）和水星（Mercury）古老地表陨石坑的探测和计算在行星大撞击时留下的痕迹，其撞击坑大小、密度和规律都与月球相似。早期金星与地球一样活跃而陨石坑都已消失。如果推断这些离太阳较近行星区所遭受的星雨大撞击大体一样，也不觉为奇了。

同样认为，在地球形成之后几亿年间，在高温环境、闪电、太阳紫外、宇宙线以及星雨撞击下，还原性次级大气中发生了第二次化学反应，生成了蛋白质构件氨基酸，核酸的构件嘌呤、嘧啶、核糖，叶绿素的构件吡咯等。米勒等人通过模拟原始地球大气条件，这些有机物已经全部在实验室中合成。放眼宇宙，这些物质早在宇宙星际间形成，不能只视地球为生命唯一的发生地。

所以，美国哥伦比亚大学天文学家S.A.Colgate等（2003）提出了地球生命起源和其他岩石星球一样，有着一种普遍的天体物理学的理论基础。宇宙的星云形成都有其共同的物质与能量基础，而太阳系的行星形成和生命发生都有相同的机遇。生命只是一种信息系统。那里的信息系统容量因为选择而增加，但它必须从最小可能的热力学平衡开始，也需要热力学自由能最易接近利用它的信息容量。它所处的环境是温和的，在长期富含自由能保持中最小熵变。因为生命需要信息，它必需产生局部熵的还原作用。这需要能量，生命必需利用自由能。信息容量局部增加或熵的减少是迈向生命发生的决定一步。

以上需求发生在什么地方？Colgate等认为在星际能量大撞击时期，这样的唯一条件是处在地球表面以下10公里无以计数的微孔环境。基于这种观点，推动自发催化早期生命形成的反应能源是化学潜能（redox potential）与碳化氢和氧之间的差。烃类合化合物在星云（nebula）冷却时形成，并在各种紧密结合的硅酸盐（（Mg·Fe）₂SiO₄）催化剂颗粒上通过FiSher-Tropsch反应固定形成长链（—16饱和烃）。原始氧来自微束服性的铁的氧化物和硫化物，它们作为颗粒在行星形成过程中增加。坚硬的硅酸盐颗粒支撑着微孔对万有引力的压缩。这些包裹着烃类焦油（hydrocarbon tar）的硅酸盐以及各自分离的氧化铁和硫化物颗粒在各类岩石的微孔中提供了生命形成的自由能。