天文學(xué)家好像同時(shí)解決了生命起源的兩個(gè)關(guān)鍵謎題
2016-06-04 來(lái)源: 《科學(xué)美國(guó)人》中文版《環(huán)球科學(xué)》
在當(dāng)代，如果強(qiáng)烈的太陽(yáng)風(fēng)暴襲擊地球，它可能會(huì)完全摧毀現(xiàn)代科技并把我們打回到黑暗時(shí)代。幸運(yùn)的是，這種事現(xiàn)在相當(dāng)少見(jiàn)。不過(guò)40億年前，這種極端的空間天氣可能是家常便飯。而在那個(gè)時(shí)候，這非但不會(huì)帶來(lái)世界末日，反而可能是開(kāi)啟生命的原動(dòng)力。
這個(gè)驚人的結(jié)果發(fā)表于《自然·地球科學(xué)》（Nature Geoscience），源于美國(guó)航空航天局（NASA）的“開(kāi)普勒”望遠(yuǎn)鏡此前發(fā)現(xiàn)的一顆年輕類太陽(yáng)恒星。研究發(fā)現(xiàn)，太陽(yáng)這樣的恒星剛形成時(shí)十分活躍，會(huì)在“超級(jí)耀斑”出現(xiàn)時(shí)釋放巨大的能量，與那時(shí)候比起來(lái)，現(xiàn)在最狂暴的空間天氣也不過(guò)是“蒙蒙細(xì)雨”而已。
現(xiàn)在，NASA的Vladimir Airapetian表示，如果我們的太陽(yáng)40億年前也如此活躍，可能會(huì)使地球的環(huán)境更加適宜居住。根據(jù)Airapetian的模型，當(dāng)太陽(yáng)超級(jí)耀斑產(chǎn)生的能量沖擊地球大氣時(shí)會(huì)引發(fā)化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生溫室氣體和其他生命存在所必須的成分。
Airapetian告訴Gizmodo，根據(jù)Carl Sagan和George Mullen在1972年首次提出的“黯淡太陽(yáng)悖論”，“四十億年前，地球應(yīng)該被凍得結(jié)結(jié)實(shí)實(shí)?！盨agan和Mullen在提出這個(gè)悖論時(shí)已經(jīng)意識(shí)到地球上液態(tài)水存在的痕跡要早于40億年前，而那時(shí)太陽(yáng)的亮度只有現(xiàn)在的70%?！皽厥倚?yīng)是唯一的解釋。”Airapetian說(shuō)。
在早期地球環(huán)境下，第一批生物分子——DNA、RNA和蛋白質(zhì)是如何能得到足夠的氮元素而形成的也是一個(gè)迷。和現(xiàn)今類似，原始地球的大氣成分主要由惰性的氮?dú)饨M成。現(xiàn)在固氮菌可以將氮?dú)馄滢D(zhuǎn)化成氨，但那時(shí)的生物沒(méi)有這個(gè)能力。
一項(xiàng)關(guān)于空間天氣的新研究非常巧妙地解決了這兩個(gè)問(wèn)題。幾年前，Airapetian開(kāi)始通過(guò)NASA的“開(kāi)普勒”望遠(yuǎn)鏡數(shù)據(jù)研究恒星磁場(chǎng)活動(dòng)。他發(fā)現(xiàn)，像我們太陽(yáng)一樣的G型恒星在年輕的時(shí)候，就像炸彈一樣頻繁的釋放相當(dāng)于100萬(wàn)億顆原*爆炸時(shí)能量脈沖。人類迄今為止經(jīng)歷過(guò)最強(qiáng)勁的太陽(yáng)風(fēng)暴是1859年造成全球性大停電的卡林頓事件，而這與前者相比根本不值一提。
“這是一股瘋狂的能量，我自己幾乎不能理解到底有多可怕?！笨的螤柎髮W(xué)的天體生物學(xué)家Ramses Ramirez告訴Gizmodo，他雖然沒(méi)有參與本次研究，但是在與Airapetian合作。
Airapetian很快意識(shí)到這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)可以讓我們了解到太陽(yáng)系的早期歷史。根據(jù)他的計(jì)算，40億年前，我們的太陽(yáng)幾小時(shí)就會(huì)有爆發(fā)一次超級(jí)耀斑，地球的磁場(chǎng)每天都會(huì)被撕扯多次。“基本上，那時(shí)的地球經(jīng)常遭受超卡林頓級(jí)別的太陽(yáng)風(fēng)暴的攻擊?！彼f(shuō)。
利用數(shù)值模型，Airapetian證明太陽(yáng)的超級(jí)耀斑足以將環(huán)繞地球的磁場(chǎng)強(qiáng)烈壓縮。不僅如次，在地球兩極附近，帶電粒子能夠把磁場(chǎng)轟出一個(gè)洞進(jìn)入大氣層，并與氮?dú)?，二氧化碳和甲烷碰撞。“這些粒子與大氣分子相互作用，發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，生成一系列新的分子?！盇irapetian說(shuō)。
一副描繪太陽(yáng)超級(jí)耀斑拋射出的大量高能粒子像暴雨一樣撞擊早期地球的藝術(shù)構(gòu)想圖。圖片來(lái)源：Vladimir Airapetian
太陽(yáng)與大氣的相互作用會(huì)產(chǎn)生一氧化二氮（笑氣），這是一種比二氧化碳的作用強(qiáng)300倍的溫室氣體。Airapetian的模型指出，足夠的一氧化二氮會(huì)使地球溫度急劇上升。同時(shí)無(wú)盡的太陽(yáng)風(fēng)暴還會(huì)使大氣生成氰化氫，它在地面成為早期生命必不可少的氮源。
“人們一直認(rèn)為閃電或者隕石為生命提供含氮化合物，”Ramirez說(shuō)，“我覺(jué)得這篇文章最酷的地方是在此之前沒(méi)有人真正考慮過(guò)太陽(yáng)風(fēng)暴的影響。”
要最終確定超級(jí)耀斑產(chǎn)生的分子混合配方是否足夠讓生命誕生，還要交給生物學(xué)家做出判斷。不過(guò)現(xiàn)在，實(shí)驗(yàn)已經(jīng)開(kāi)始。位于東京的地球生命科學(xué)研究所和其他實(shí)驗(yàn)室的研究人員正在使用Airapetian提出的模型設(shè)計(jì)新實(shí)驗(yàn)來(lái)模擬地球遠(yuǎn)古環(huán)境。如果這些實(shí)驗(yàn)?zāi)軌騽?chuàng)造出氨基酸或是RNA這種構(gòu)成生命的基本分子，那么將極大地支持空間天氣幫助創(chuàng)造生命這一觀點(diǎn)。
除了把生命起源的故事拼接起來(lái)，Airapetian的模型還可以讓我們一瞥40億年前宜居的火星，盡管那時(shí)火星從年輕的太陽(yáng)得到的輻射可能很少，但看來(lái)也是濕潤(rùn)。這項(xiàng)研究也對(duì)系外生命的研究有一定影響。
我們剛開(kāi)始探究恒星的宜居帶(該區(qū)域中的行星可能有液態(tài)水的存在)到底需要哪些條件。但現(xiàn)在對(duì)宜居帶的判斷還只是基于母星的亮度等因素。而通過(guò)收集恒星活動(dòng)的細(xì)節(jié)信息，我們能更多地了解系外行星的大氣組成和可能存在的溫室效應(yīng)。
“實(shí)驗(yàn)最終會(huì)告訴我們，從恒星而來(lái)的能量是否能創(chuàng)造生命必須的化學(xué)條件?！盇irapetian說(shuō)，“如果沒(méi)有這些，形成生命才真是個(gè)奇跡?！?/p>
作者：Maddie Stone 翻譯：牛天宇
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