2012年3月27日
地球生命起源于“脏雪球”——惠普尔
在组成生命的化学物质里，并没有什么特别的东西，无论是一个人、一棵葱还是一条鱼，其实主要是4种元素：碳、氢、氧和氮，再加上少量的如硫、磷、钙和铁等其他元素即可。然而，要想让这些东西形成生命可不那么简单，生命的出现堪称是个奇迹中的奇迹。
关注生命进化的达尔文很早就说过，地球生命起源于一个“小热水池子”，这就是后人所说的“原始汤”。1953年，芝加哥大学研究生斯坦利·米勒和导师哈罗德·尤里共同完成了一个“原始汤”实验。他们发现，在高压电枪作用下，“原始汤”中的甲烷里有15%的碳发生了转移，形成了水溶性的有机小分子，其中包括4种氨基酸、氰化氢、甲醛、脂肪酸和糖等有机化合物（参见本书5月15日“1953年生命的‘原始汤’”）。
然而，形成氨基酸等并不是生命出现的关键，承载生命需要大量的蛋白质，要想把氨基酸串接起来形成蛋白质则更是个奇迹。例如血红蛋白由近200个氨基酸分子组成，这些氨基酸分子组成复杂的蛋白质大分子，将有10190种排列的可能性，而形成合适的蛋白质，只能在其中选取一种，出现这种合适情况的概率几乎为零！此外，一个蛋白质分子不但要把氨基酸按照合适的顺序排起来，还要把长列的氨基酸分子折叠成特定的形状，还要使能复制自己的脱氧核糖核酸DNA出现，只有DNA与蛋白质相互依托，才有可能形成生命。
如此来说，形成地球生命需要一个漫长的过程。20世纪50年代，人们认为生命出现在6亿年前，到了70年代，有人大胆地断言25亿年前就有了生命，如今这个数字又向前推到38.5亿年前。这个数字令人吃惊，因为地球的表面直到39亿年前才变成固体。在地球上，生命能出现得这么快吗？有的权威人士认为，这中间肯定是有什么东西帮了大忙。是什么东西对地球生命的出现起了决定性的作用呢？美国科学家弗雷德·惠普尔给出了一个出人意料的回答，他认为地球生命来源于“脏雪球”——彗星。
惠普尔的一生专门研究彗星，人称“彗星先生”，图1为惠普尔摄于1986年。1906年11月5日，惠普尔生于美国艾奥瓦州红橡树岭的一个农民家庭，少年时期的惠普尔非常喜欢运动，可惜他患上了脊髓灰质炎（即小儿麻痹症）落下残疾，想当网球运动员的梦想破灭后才转向了数学，接着步入了物理学和天文学。1931年，在他25岁时，获得加州大学伯克利分校天文学博士学位。就读研究生期间，他曾发表一篇论文最早提出冥王星只是一颗“矮行星”，引起了天文学界的注意，这个看法非常超前，七十多年后，他的想法被证明是正确的。
图1
获得博士学位后，惠普尔进入哈佛学院天文台工作，他的研究成果卓著。他通过测量彗星的运动轨迹，确认了彗星起源于太阳系，而不是来自系外的星际空间；发现了周期性的彗星36P，这颗彗星后来以他的名字命名；还发现了小行星1252赛尔斯提亚；独立或与他人合作发现了5颗非周期性的彗星。
从20世纪50年代开始，成为哈佛大学的天文学教授以后，他发表了一系列具有影响力的论文，再次做出了非常超前的贡献。1955年5月，他的一篇论文“彗星模型”发表在《天文学》杂志上。在这篇论文里，惠普尔针对彗星的物质组成提出了“冰冻团块模型”，被人们称为“脏雪球”假设，50多年之后，这个论点再次被太空探索的数据所证明。
彗星是太空中最美丽的天体，像细丝般的明亮彗尾，以条状带着弧形拖弋，犹如新娘的婚纱，明亮又美丽。然而惠普尔得出的结论是，这种星体从里到外都很“脏”，是个外表丑陋不堪的“脏雪球”，不仅如此，惠普尔还认为地球生命就来自这些“脏雪球”。惠普尔的这个不经意的发现，竟然引发了一场轰轰烈烈的讨论，延续半个世纪而经久不息，其结果挑起了一个宏大的课题，涉及化学、生物学，更涉及太阳系和行星以及地球生命的起源。
惠普尔的这一超前理论发表的50年之后，彗星“脏雪球”假设开始得到了证实。由欧洲航天局发射的彗星探测器“罗塞塔”，携带了一个由光学质谱仪和红外遥控成像系统组成的“奥斯里斯照相系统”，对“9P/坦佩1号”彗星进行了17天的连续观测，发现了其上含有大量的氰化物和水。在“9P/坦佩1号彗星”接近太阳受到强辐射之后，发自它的灰尘粒子以超过每秒160米的速度喷发出来，所喷发的灰尘量竟然远远地超过了水！这一发现及相关测量的数据发表在2005年10月14日的《自然》杂志中。
另一个证据来自美国国家航空航天局（NASA）发射的“星尘探测器”。它在2004年1月飞过“怀尔德2号”彗星时，利用所携带的“气凝胶”捕获了一些彗尾的物质粒子。经分析发现，其中含有氨基乙酸和其他一些有机物质（参见本书4月9日“2013年从果冻到气凝胶”）。
紧接着，彗星探测器“罗塞塔”又发回来更重要的消息。2004年3月2日“罗塞塔”发射升空之后，在飞行的10年期间，它曾绕着太阳沿着一个复杂的路线运行，先后绕地球三圈又绕火星转了一圈。通过这个复杂的轨道，使它与彗星“67P/楚留莫夫-格拉西门克”会合。2014年8月，它接近了这个目标，如图3所示。“罗塞塔”与它随身携带的着陆器“菲莱”一起，利用质谱仪在这颗彗星的气体和尘埃中发现了氨基酸成分，人们还惊讶地在彗尾溅落在“罗塞塔”上的残留物中发现了更多的成分，其中包括氮、硫化氢、氰化氢和甲醇。这样看来，彗星不只是一个“脏雪球”，而且还发出臭鸡蛋味、马尿味、酒精味和苦杏仁味。如果彗星把这些有机成分带给地球，都将成为产生生命的基本材料，地球生命来自“脏雪球”完全是有可能的（参见本书5月16日“2014年‘猫捉老鼠’的‘罗塞塔’”）。
图2
图3
对生命起源于“脏雪球”这一说法提出证明的还有另外一批人，这就是美国国家航空航天局加州莫菲特研究中心以杰尼弗·布兰克为首的研究组。他们对这个设想进行了大量的实验研究，其中最有名的是高压枪实验，如图4所示。这个实验要证明两件事，一是彗星在撞击地球时，它所携带的各种有机物和氨基酸是否能得以保存；另一是，经过高压撞击之后，这些有机物能变成什么？对这两个问题，他们都得到了确定的结果。
图4
彗星撞击地球是一个非常猛烈的过程，它以每小时15000千米的速度穿越大气，所造成的高压和高温犹如重磅炸弹的爆炸。为了模拟这种情景，研究组特制了高压气枪，模拟彗星冲击地球大气所产生的高温和强烈的冲击波。高压气枪可以产生大约几千千克的压力。他们在密闭的容器中放入了在彗星上发现的氨基酸和其他有机材料，经过高压实验发现，氨基酸在热浪和冲击波的作用下，不仅没有被损坏，反而在反应生成物中还出现了一种关键的物质——肽键（peptide bonds），肽键正是氨基酸形成蛋白质所需要的连接物。
2012年3月27日，科学家对惠普尔的地球生命起源于“脏雪球”的说法进一步提出了证明。这一天，在圣地亚哥召开了第243届美国化学学会大会，这是有史以来在化学界也是整个科学界规模最大的一次盛会，参会者有15000人，递交的研究成果有11700多份。在这次大会上，杰尼弗·布兰克博士（图6）代表研究组介绍了他们所做的彗星有机物质模拟实验。他们的研究回答了人们长期以来困惑的问题，例如地球生命到底是如何起源的？为什么地球生命起源在35亿年前的一段特定的“短暂”时期？生命的种子又是从何而来？这个成果产生了非常大的反响。
图5
图6
大约在38亿年前，先后有多批次的彗星和小行星撞击地球，经过狂轰滥炸，就像在月球上留下的环形山印记那样，也在地球上留下了无数的印记，但由于地球上有空气，气流与风化作用使绝大部分的陈年印记逐渐消失，至今已发现的仍有175个（参见本书12月21日“1990年复燃的‘灾变论’”）。
布兰克小组认为，在“狂轰滥炸”时期之前，地球处于高温炽热状态，不可能有生命出现，但是，彗星和小行星的“狂轰滥炸”可能造成两个重要的后果：一个是轰炸形成的漫天尘雾遮住了阳光致使地球降温，一个是通过多年与地球的碰撞，彗星为几十亿年前贫瘠、荒凉的地球送来了氨基酸和其他的生命材料，为孤寂的地球播撒了生命的种子。这两个因素都促使地球进入生命形成期，图7就描绘了这一时期的地球景象。
图7
布兰克小组的模拟实验为上述想法提出了证明，彗星撞击地球，有可能带来的不只是水，还包括制造生命的有机物，在直接影响着地球原始生命诞生的同时，也影响着地球生命的方式。彗星是太阳系形成时所产生的“残羹剩饭”，是建成太阳系“大厦”初期的“残留物”。布兰克小组的成果使人们对这些被叫做“脏雪球”的“小东西”刮目相看。
关键词：彗星，脏雪球理论，弗雷德·惠普尔，杰尼弗·布兰克，comet，dirty snowball theory，Fred Whipple，Jennifer G. Blank
图1：http://home.comcast.net/~edwelda/site/?/page/Comets/
图2：http://starryskies.com/solar_system/Comet/dirty_snowballs.html
图3：http://www.theguardian.com/science/2014/oct/23/rosetta-mission-philae-comet-universe
图4：（略）