在浩瀚的宇宙中,地球生命的起源一直是科學(xué)界探尋的謎題。傳統(tǒng)觀點認(rèn)為,閃電劃破原始大氣,通過電離或高溫生成了有機物,從而創(chuàng)造了生命。然而,最新研究提出了另一個假設(shè):也許,生命的起源并非閃電,而是浪花濺起微小水霧時產(chǎn)生的“微閃電”。
生命起源于水霧中的微閃電
(圖片來源:作者使用AI生成)
追溯經(jīng)典:從米勒-尤里實驗說起
1953年,年僅23歲的研究生斯坦利·米勒(Stanley Miller)在導(dǎo)師哈羅德·尤里(Harold Urey)的指導(dǎo)下,進行了一個實驗,目的是模擬地球早期的大氣條件,探索生命基本組成部分的可能起源。
他們設(shè)計了一個封閉系統(tǒng),其中包含水、甲烷、氨氣和氫氣——這些氣體在當(dāng)時被認(rèn)為是構(gòu)成原始地球的大氣。為了模擬自然環(huán)境中的閃電,他們對這些氣體施加電火花。實驗運行一周后,米勒發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中生成了多種有機化合物,包括甘氨酸和丙氨酸等氨基酸,而氨基酸正是蛋白質(zhì)的基本組成單位。這一發(fā)現(xiàn)為有機分子可以在無生命的條件下自發(fā)形成提供了實驗支持,極大地推動了關(guān)于生命起源的研究。
米勒所設(shè)計的封閉的實驗裝置
(圖片來源:參考文獻[7])
然而,隨著對地球早期環(huán)境理解的深入,科學(xué)家們開始質(zhì)疑米勒-尤里實驗的假設(shè)條件。后續(xù)的研究表明,原始地球的大氣成分可能并不像實驗中設(shè)定的那樣富含甲烷和氨,而是以二氧化碳和氮氣為主。在這樣的條件下,閃電誘導(dǎo)的有機分子合成效率可能遠低于米勒實驗的結(jié)果。
此外,閃電雖然能量強大,但在地球上的發(fā)生頻率相對較低,其直接作用于海洋并高效合成有機分子的可能性受到限制。因此,依賴閃電作為主要能量來源驅(qū)動生命前體分子的合成,可能并不現(xiàn)實。
這些質(zhì)疑促使科學(xué)家們探索其他可能的能量來源和環(huán)境條件,例如深海熱液噴口、紫外線輻射,以及近期提出的“微閃電”現(xiàn)象等,以解釋生命基本組成部分在地球早期環(huán)境中的合成途徑。
新“主角”登場:斯坦福團隊的“微閃電”實驗
在探索過程中,斯坦福大學(xué)的研究團隊提出了一種新的假設(shè):地球上的生命可能源于微水滴間的“微閃電”現(xiàn)象。
他們的實驗?zāi)M了早期地球的大氣環(huán)境,包括氮氣、甲烷、二氧化碳和氨氣等成分。在此環(huán)境中,研究人員將室溫水噴灑進入這些氣體混合物中,形成了帶電的水滴。由于水滴在噴灑過程中會產(chǎn)生電荷分離,較大的水滴通常帶正電荷,而較小的水滴帶負(fù)電荷。當(dāng)這些帶相反電荷的水滴相互靠近時,會產(chǎn)生微小的電火花,即“微閃電”現(xiàn)象。
這些微閃電具有足夠的能量,促使無機氣體分子發(fā)生化學(xué)反應(yīng),生成有機分子。實驗結(jié)果顯示,在這種條件下,成功合成了多種含碳-氮鍵的有機化合物,包括例如氫氰酸、甘氨酸和環(huán)狀分子尿嘧啶等。這些氨基酸分子和嘧啶分子分別是蛋白質(zhì)和核酸等生命關(guān)鍵組成部分的基礎(chǔ)。
水滴微閃電進行生命起源前的有機化合物的合成
(圖片來源:參考文獻[1])
這一發(fā)現(xiàn)為理解生命的起源提供了新的視角,表明在原始地球環(huán)境中,廣泛存在的水霧和氣體混合物可能通過微閃電現(xiàn)象,自發(fā)地生成生命所需的基本有機分子。
水為什么還能放電?
水作為日常生活中最常見的液體,我們一般只會聯(lián)想到它的導(dǎo)電屬性,但很難讓人將其與“放電”相關(guān)聯(lián)。那水霧為何會帶電呢?
早在1892年,德國物理學(xué)家菲利普·萊納德(Philipp Lenard)通過研究瀑布底部水滴的電荷,首次發(fā)現(xiàn)了這一現(xiàn)象。他觀察到,瀑布飛濺的水霧中,較小的水滴通常帶負(fù)電,而較大的水滴則帶正電。這一發(fā)現(xiàn)被稱為“萊納德效應(yīng)”(Lenard effect),并在后續(xù)的研究中得到證實。
瀑布的水霧中帶有電荷
(圖片來源:作者拍攝)
當(dāng)水通過噴霧或其他方式霧化時,液體在破裂成微滴的過程中會發(fā)生電荷分離。這是因為:在液滴形成時,水分子之間的相互作用導(dǎo)致電荷重新分布。較大的液滴由于表面積較大,可能失去部分電子,從而帶正電荷;而較小的液滴則可能獲得這些電子,因而帶負(fù)電荷。
為了在宏觀上驗證這一猜測,科學(xué)家們使用空氣作為霧化氣體,將水滴噴入空氣中,使液滴在兩塊帶有相反電荷的平行金屬板之間流動。同時,通過高速攝像機記錄液滴在均勻電場中的軌跡,為萊納德效應(yīng)提供了視覺證據(jù)。
高速相機記錄的微小水滴的運動軌跡
(視頻來源:參考文獻[4])
水霧帶電了之后,又是如何放電的呢?一項研究表明,當(dāng)帶相反電荷的水滴靠近時,電子會在它們之間躍遷,從而引起放電并伴有光子發(fā)射。
至于導(dǎo)致這種發(fā)光現(xiàn)象的機制,有人認(rèn)為可能是切倫科夫輻射,即當(dāng)帶電粒子的運動速度超過介質(zhì)中的光速時就會發(fā)生這種輻射。然而,光在空氣中的速度幾乎與在真空中的速度相同,而光在水中的速度約為真空中光速的75%。在氬氣包圍水微滴噴霧的實驗表明,存在的任何切倫科夫輻射都低于我們的檢測限。
科學(xué)家們則認(rèn)為,電子撞擊引發(fā)激發(fā)電子態(tài)的發(fā)射,因而產(chǎn)生發(fā)光現(xiàn)象。該過程表現(xiàn)出與空氣中的閃電相同的特性,例如,能夠激發(fā)、解離和電離分子。因此,這種現(xiàn)象被命名為“微閃電”。這種現(xiàn)象在自然界中也有所體現(xiàn),例如在瀑布附近的空氣中,水霧的電荷分離可能導(dǎo)致空氣中負(fù)離子的增加,使人感到空氣格外清新。
總結(jié)
從米勒-尤里的閃電模擬,到斯坦福團隊提出的“微閃電”假說,對于生命最初如何從無機走向有機、從混沌走向有序,我們正獲得越來越準(zhǔn)確、可信的解釋。我們期待著,在科學(xué)家們孜孜以求的探索下,終有找出生命起源之問終極答案的那一天。
參考文獻:
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出品:科普中國
作者:Denovo團隊
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