卡拉漢等人從隕石樣本中分離出了許多種有機物，但更重要的是，他們發現了堿基和幾種堿基類似物
作者： 南方周末記者 黃永明
最近NASA的一個科學家小組以有力的證據揭示，隕石中的DNA結構單元是在太空中生成的。這表明地球生命起源時的一些關鍵原料可能是由隕石從小行星上帶來的。
1969年9月28日早晨，一道火光出現在澳大利亞維多利亞州默奇森(Murchison)的上空。目擊者看到一個火球在空中快速下降，分崩為三片，然後消失。半分鐘之後，人們聽到了震顫的聲音。這是一次火流星事件。人們後來在方圓13平方千米的範圍內搜集到了許多隕石碎塊，總重達到100千克。
這顆碩大的隕石被命名為默奇森，它隨後成為世界上被研究最多的隕石，不但因為它質量大、有目擊報告，還因為它含有豐富的有機化合物。
在一項最新完成的研究中，科學家發現默奇森隕石中所含有的某些地球生命的基本組成部分很可能是它從地球之外帶來的。美國宇航局戈達德太空飛行中心的邁克爾·卡拉漢(Michael Callahan)及其合作者從多個不同的角度驗證出，隕石中包含的某些堿基不大可能來自於地球，並非像之前人們懷疑的那樣來自於“污染”。
他們的證據是迄今為止相關研究中最為有力的，這項發現也具有深遠的意味。因為堿基是組成DNA和RNA的單元，它們的配對編碼為地球生命提供了遺傳信息。而隕石的母體主要是太陽系中的小行星，這表明地球生命起源時的一些關鍵原料是由隕石從小行星上帶來的。
半個世紀的懸案
早在1961年，美國紐約大學的喬治·克勞斯(George Claus)等人在檢測隕石的過程中發現了“微化石”，他們將文章發表在英國《自然》雜志上。次年，就有科學家開始在隕石中尋找氨基酸。
氨基酸是構成蛋白質的基本單位，而蛋白質又是地球生物體內重要的活性分子。不出所料，科學家們很快就在隕石中發現了氨基酸的存在。那麼，這些氨基酸有可能是隕石從天外帶來的嗎？人們在很長一段時間裡無法回答這個問題。原因很簡單：從隕石在落地點天然儲存到被人類發現後的人工儲存過程中，氨基酸完全有可能是從地球環境進入檢測樣本的，也就是所謂的“污染”。
著名的默奇森隕石在這個爭議問題上扮演了重要的角色。
1970年，來自美國宇航局、加利福尼亞大學等研究機構的研究人員發現，默奇森隕石中不僅含有組成蛋白質的氨基酸，還含有在蛋白質中不存在的氨基酸。這表明，這些氨基酸很有可能原本就存在於隕石內，並不是受到地面環境的污染而被動進入隕石中的。
不過，科學界的爭議並沒有隨著這項發現而停止。原因是，1982年，美國亞利桑那大學邁克爾·恩格爾(Michael Engel)等人在《自然》雜志上發表文章稱，默奇森隕石上發現的氨基酸存在L型氨基酸超量的現像。
自然界的氨基酸有兩種類型——L型和D型。就當時人們所掌握的知識而言，地球上的生物在制造氨基酸時，偏向於優先制造L型，而非生物化學反應產生的則是等量的L型和D型氨基酸。因此，當人們發現默奇森隕石上的L型氨基酸占有優勢時，不禁懷疑這些氨基酸是否也是來自周圍環境中的生物體。
到了1997年，美國亞利桑那州立大學的約翰·克羅寧(John Cronin)等人用氣相色譜-質譜分析法發現，非生物反應也傾向於產生L型氨基酸。這讓氨基酸的地外來源說再次獲得了生命。
盡管曲折，但研究隕石中的氨基酸還是相對容易的。相比之下，想要弄清楚隕石裡所附著的堿基的來源則更為困難。
1963年，加州大學伯克利分校的奧羅(J. Oro)從富碳隕石水浸出液中發現了含氮環形化合物。而堿基中的嘌呤和嘧啶也都正是含氮環形化合物。不過，奧羅的這項研究後來被證實實驗過程受到了污染。
1979年，荷蘭奈梅亨大學的彼得·斯托克斯(Peter Stoks)等人在隕石中發現了尿嘧啶(構成RNA的一種堿基)。之後，在1981年、1982年和2001年，科學家們陸陸續續又發現了其他的一些嘌呤和嘧啶，以及喹啉、益喹啉等含氮環狀化合物。以上這些物質在生物界都是普遍存在的，因此，人們依然懷疑它們有可能是實驗過程受到污染而產生的結果。
重新調查
研究隕石中的堿基的困難有很多，除了極易被污染之外，相對於其他有機物而言，堿基在量上處於非常低的水平；且隕石本身是不均勻物質，內部所含的物質分布也不均勻，不容易被捕捉到。
直到2008年，倫敦帝國理工學院的紫塔·馬丁斯(Zita Martins)等人發表了一項新的研究，他們相信這是理解早期生命演化的重要一步。在他們的研究中，馬丁斯等人檢測了默奇森隕石裡的堿基的碳同位素、默奇森當地土壤樣本的碳同位素以及普通礦物的碳同位素。他們所檢測的是碳-13，這種碳同位素多形成於地球之外。結果正如他們所料，堿基中的碳-13比其他樣本中的比例要更大。
然而，在其他一些研究人員看來，馬丁斯等人的發現並不像他們說的那樣意義重大。這些研究人員認為，由於默奇森隕石中的堿基含量實際是非常低的，不大可能在地球生命的起源上扮演角色。
“生化反應與濃度是緊密相關的。”美國宇航局的卡拉漢也這樣說，“如果你在界限以下，你就有很多麻煩了；如果你在界限以上，那就沒問題了。”
而卡拉漢2011年早些時候發表的一篇文章則說明，即便在同一顆隕石上，有機化合物的濃度也會在不同部位存在很大差異。在這項由加拿大阿爾伯塔大學克裡斯多夫·赫德(Christopher Herd)領導的研究中，研究者們檢測了2000年墜落在加拿大的一塊“塔吉什湖”隕石。這顆隕石由於墜落時恰巧落在了凍結的湖面上，並且被許多人目擊，因而迅速得到保存，很大程度上避免了來自地球環境的污染。
赫德等人檢測了塔吉什湖隕石碎片中的氨基酸，不但發現它們很可能來自地外，而且在不同的碎片上濃度差別很大。有些碎片上某種氨基酸的量是其他的10倍乃至100倍。“塔吉什湖隕石的多樣性說明，僅僅收集一塊碎片是得不到完整故事的。”卡拉漢說。
在卡拉漢及其合作者的最新研究中，他們將調查的對像擴展到了12顆隕石。不但包括來自默奇森隕石的碎片，也包括了一顆十分罕見的橄輝無球粒隕石。這些隕石中有9顆來自南極洲。他們先利用甲酸將這些隕石采樣，然後用液相色譜儀分離不同的化合物，最後用質譜儀來確定每種化合物是什麼成分。
三條線索
卡拉漢等人從隕石樣本中分離出了許多種有機物，包括羧酸類物質，這是與有氧呼吸中重要的三羧酸循環過程有關的物質，以及糖類、芳香烴、胺類等。但他們重點顯然是在堿基上。
他們發現了腺嘌呤、鳥嘌呤、次黃嘌呤和黃嘌呤。前面兩種嘌呤是DNA中的物質，後面兩者雖然沒有在DNA中發現，但也在某些生物過程中具有功用。
為了搞清楚這些嘌呤是由隕石從太空中帶來還是來自於污染，研究人員分析了8千克來自南極洲的冰的樣本。使用與分析隕石相同的方法，研究人員取得了冰樣本中四種嘌呤的濃度，結果顯示其濃度遠遠低於隕石中的。
此外，研究人員在隕石樣本中還發現了三種堿基類似物。這些堿基類似物在冰樣本中沒有發現。不但如此，除了僅僅曾在某種病毒上發現過其中一種類似物外，這些堿基類似物是不參與地球上的生物過程的。
以上證據都讓研究人員傾向於認為，這些嘌呤幾乎必定來自於地球之外。在他們的另一項相關研究中，所有這些堿基和堿基類似物都可以在實驗室中完全由非生物化學反應而產生。“這為它們在小行星上的形成提供了一個似乎合情合理的機制，也支持了它們來自於地外的看法。”卡拉漢說。
要探尋生命起源的過程，科學家就需要了解生命誕生之前的化學環境。只有這樣，我們才能知道接下來是哪些步驟導致了最初的生命的誕生。可惜的是，在億萬年的時間裡，地球上的環境已經發生了翻天覆地的變化，與當初的化學環境已經十分不同。
不過，太陽系中小行星們卻像“時間膠囊”一般，將遠古信息封存起來了。這些小行星沒有被卷入大行星的建造過程，它們在太陽系誕生後不久，就被冰封了。
有的時候，在木星等大質量行星的引力作用下，小行星之間發生碰撞，撞擊產生的碎片進入地球軌道，進而被地球吸引，並落在地面上，形成隕石。地球生命誕生於距今40億年左右的時期，也正是地球頻繁受到隕石撞擊的時期。
在眾多隕石當中，富碳隕石是公認的最古老的隕石。而它們所富含的碳，正是構成有機物的重要成分。這些隕石時常會落到地球上來，就像1969年發生在澳大利亞的那次墜落。
“歷史上第一次，我們以三條不同的線索揭示了(隕石中的)DNA結構單元是在太空中生成的。”卡拉漢表示，“這告訴我們，隕石可能像是工具箱，為地球上的生命提供了必須的‘積木’。”
(中科院研究生院王寅對本文亦有貢獻)