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江苏十一选五开奖历史:地外生命科學探索

江苏十一选五号码遗漏 www.pypna.com 來源:UC論文網2019-05-18 10:28

摘要:

  劉志恒,中國科學院微生物研究所研究員,博士生導師,享受國家特殊政府津貼。主要研究方向是原核微生物系統學,資源學和宇宙微生物學。先后承擔過國家自然科學基金,國家863計劃,國家載人航天工程,中國科學院創新工程等項目中的多項研究課題。中國空間科學學會生命科學專業委員會和生命起源與進化專業委員會主任?! ∈裁詞巧??  現今還沒有一條被生物學家普遍接受的“生命”定義。然而給生命一個定義將越來越重要,...

  劉志恒,中國科學院微生物研究所研究員,博士生導師,享受國家特殊政府津貼。主要研究方向是原核微生物系統學,資源學和宇宙微生物學。先后承擔過國家自然科學基金,國家863計劃,國家載人航天工程,中國科學院創新工程等項目中的多項研究課題。中國空間科學學會生命科學專業委員會和生命起源與進化專業委員會主任。


  什么是生命?


  現今還沒有一條被生物學家普遍接受的“生命”定義。然而給生命一個定義將越來越重要,這不僅因為宇宙生物學家和天文學正在探索地外生命,而且也許幾年后科學家也將會在實驗室合成“人造生命”


  (artificiallife)。由于生命是復雜的現象,即使最簡單的微生物也是非常復雜的,然而目前提出一套屬于定義中的生命應具備的基本特征是必要的。


  通常提出任何一條定義,總是隨所給對象之意義的理論相關聯。聯系到宇宙生物學領域里的生命理論,一個普遍的生命定義是“可以進行達爾文(Darweinian)進化的自生化學系統”。那么,問題是什么樣的化學結構可能支持這一達爾文進化論?今天多數的回答認為這些結構可能是宇宙中的生物分子和細胞信號。


  從方法學出發,一種定義生命的途經是去敘述有關生命狀態的一套最起碼的特征。這里列舉出了活的陸地生命的基本特征。生命機體是由多聚體組成,長的亞單位分子構成單體。生物多聚體是由單體氨基酸、核苷酸,利用環境可利用的能量聚合在(細胞)類脂膜里合成。最早的生命多聚體是核酸和蛋白。多聚體應具有信息儲存、營養轉化和能量轉換三種功能。核酸行使生物信息儲存、傳遞遺傳信息的獨特功能。稱作酶的蛋白具有特異地催化生化反應功能,增加代謝反應速率。遺傳和催化多聚體兩者在細胞反饋調控系統中非常重要,其信息遺傳多聚體適用于指導催化多聚體合成,而催化多聚體酶蛋白又參加遺傳多聚體合成。


  細胞生長期間多聚體系統進行自身復制,且隨細胞分裂而再分配。復制過程若出現錯誤就發生變異,結果導致細胞間的分化。分化的細胞會表現不同的生長能力,且在一定的環境里存活下去。個別細胞基于他們應對營養和能量的競爭而遭受不同選擇,其結果之一是表明細胞有進化的能力。從羅列出的這一系列生命特征,就可以分析其是否可用于生命的定義。無疑,如若將上述特征組合起來合成人造生命就成為可能。然而,若這些特征被一一刪除,生命定義就變得模糊和茫然了。


  假設有一個極其完備的、進化不可能發生的復制系統,那么生命系統還會存活嗎?大多回答是可以,因為進化可能不是生命的一個必要特征。但是,考慮到類似病毒的生命體,依賴寄主細胞質而復制,而無須利用環境中營養代謝,似乎存在于生命與非生命界面的病毒又是可以進化的。


  定義生命的另外嘗試,假設未來的火星漫游者,發現在火星冰凍的隕石坑底部可能存在有什么的話,已經設計的漫游者火星探測器就可能檢測到融化冰而產生液體里的微生物。當今,令人驚訝地可以看到在送回地球的圖像有大量微小球形結構。


  這些顆粒是來自微小生命嗎?究竟有多少檢測到的生命特征可讓人相信火星存在生命?那么,在火星登陸者設計中,很清楚需要生命的定義去指導對飛行器選擇檢測工具包、搜尋測試所有生命特性,開展地外生命科學探索。


  地外生命是否存在?


  不論是天體物理學家、天文學家、生物學家、化學家,還是哲學家和神學家,都認為智慧生命的出現,要求具備大量的必不可少的外部條件,如一顆不冷不熱的行星,有水和一切必需的物質,沒有致命的輻射和撞擊等。1994年,法國巴黎第九大學物理學教授馬爾索?費爾登在《我們是宇宙中唯一的存在者?》一書中,將出現與人類相似生命的必要自然條件歸納為:所在行星距離恒星不遠不近;體積不大不??;有水和氧氣;沒有致命的宇宙輻射;有幾億年穩定的時間和大量的二氧化碳。沒有這些條件,即使微生物都不可能產生。美國科學家M.H.哈特還曾具體指出,液態水是生命形成和進化的條件。必須有6000個以上的核苷酸按一定次序組合才能形成生命的種子。生命的種子在液態水中要經過幾億年的發展,才能進化成原始生命。地球上的生命從產生到掌握先進技術,延續了40億年。


  我們的地球是一個生命的綠洲,擁有約30多萬種植物、100多萬種動物和難以估量的微生物,在生命的頂端是智慧的人類。不管地球上生命的種子來自宇宙還是自身孕育,許多科學家都認為,生命是宇宙中的普遍現象。1982年,聯合國召開了第二屆“探索與和平利用外層空間”大會,大會的備忘錄《有關外層空間科學的現狀與未來》中說:“如同在地球上形成生物一樣,在圍繞著某些恒星旋轉的行星上,也可能有生物形成。不僅如此,它們也許已經經歷一定的演化過程,進入文明社會?!北竿薊怪賦?,由于某些恒星的年齡達200億年,而太陽系的年齡只有45億年,因此,在宇宙中可能存在著比我們人類文明長達數億萬年的高級文明。著名航天專家馮?布勞恩認為:“在廣袤無垠的宇宙中,不僅有植物和動物,而且也有智慧生物存在,這是極可能的?!彼淙弧爸兩裎頤腔姑揮兄ぞ莼蚣O笏得?,在我們銀河系中曾有或現在仍有比我們歷史更悠久、技術更先進的生物,但是,從統計學和哲學的觀點看,我相信這些更先進的外星智能生物是有的?!庇⒐Ъ液吞煳難Ъ腋?霍伊爾等人認為,在銀河系每1000顆恒星中,就有1顆有生命演化條件的行星存在。這樣,僅在銀河系就可能有20億個生命發展的場所。而且,每10萬個具有生命的行星中,有9萬個其文明程度超過地球。


  1994年,當蘇梅克列維彗星撞擊木星時,科學家發現,當撞擊發生時,有大量水蒸氣出現。這說明,這顆彗星上帶有大量的固體水。有水就有生命。蘇梅克


  列維彗星在宇宙中是很平常的彗星,它們在宇宙中穿行,產生生命的可能性是極大的。1996年,美國宇航局從一塊落在亞利桑納州的火星隕石中發現,這塊隕石中存在古代微生物,火星存在生命的古老傳說再一次被人們所重視。最近,美國宇航局宣布,從哈勃太空望遠鏡中得到的照片顯示,一直被認為不穩定的木星上發現有大氣,還有潮濕的土壤,這說明木星已經具備產生生命的基本條件。2009年11月13日,美航天局發表新聞公報說,半人馬座火箭、月球坑觀測和傳感衛星相繼撞擊了月球南極附近的凱布斯坑,重約2.2噸的半人馬座火箭撞擊月球后激起了兩部分塵埃:一部分由蒸汽和微塵組成;另一部分由質量更重的物質組成。月球坑觀測和傳感衛星攜帶的光譜儀對塵埃進行了分析。美航天局負責這一項目的首席科學家安東尼?科拉普雷特表示,初步分析結果提供了多種證據表明,上述兩部分塵埃中都存在水的蹤跡,“盡管月球上水和其他物質的濃度和分布情況還需進一步分析才能確認,但可以放心地說,凱布斯坑中存在水冰?!泵攔又荽笱Р死中?蒲Ъ腋窶贅?德洛里認為,這是一項“非凡的發現”,并認為彗星是月球上水的可能來源之一。美國科學家2009年9月底也曾公布研究結果稱,他們對3個航天器搜集到的數據進行分析后發現,月球表面存在水或羥基物質,或者這兩種物質同時存在,太陽風可能是其成因??蒲Ъ胰銜?,如果最終能確認月球上存在豐富的水資源,將對人類建立月球基地以及探索更遙遠的星球具有重要意義。水不僅是宇航員在月球上的重要生存資源,還是月球基地所需氧氣和運載火箭燃料的來源。2010年1月4日,英國研究人員報告,根據火星探測器傳回的信息繪制的三維圖像顯示,約30億年前火星上可能有大量湖泊。這一觀點將火星存在大量地表水的時間下限向后延伸了數億年。2004年5月,火星探測器“勇氣”號發現了硅石。硅石的沉積是需要大量的水作為條件的。因此,火星過去可能比現在更濕潤,這同時為“火星生命說”添加了新的重要證據。


  1979年NASA的旅行者1和2號,以及1995年伽利略(Galileo)探測器先后到達木星軌道,進入了木星衛星系統,檢測到木衛二可能是唯一的一個有水和巖石層直接接觸的伽利略衛星。木衛二的中心同樣是一個鐵核,有巖石的地幔,外層是水,可能是深達千米的大洋,上面覆蓋著千米深的冰層(圖3)。木衛二似乎能夠滿足生命存在的先決條件。


  地外生命是如何探測的?


  如果地外生命確實存在,我們如何去探索呢?1999年1月,美國航宇局成立了一個虛擬的“天體生物學研究所”,成員是分散在11個不同實驗室工作的生物學家、化學家、天文學家和物理學家,他們通過互聯網聯系起來。研究所的第一步工作,就是研究地球極端環境,諸如深?;鶘嬌諍突剖叭人任露雀哂詵械愕牡胤?、壓力巨大的地球深處以及地球兩極的冰凍荒原的生命是如何維系和發展的。第二步,是在太陽系行星及衛星上尋找低級生命。如探測在火星上、在木衛二冰層下的海水中、在土衛六的甲烷(或液氮)湖中是否有生命和在生命起源中起作用的物質(如在火星隕石中曾發現多環芳香烴)。


  科學家已建成了一些在太陽系進行生命探測的儀器,主要是針對宇宙微生物進行探測。


  沃爾夫行星取樣裝置,是由沃爾夫?維斯尼克教授領導研制的細菌探測器。它在行星上軟著陸后向地面伸出一支真空管,脆弱的頂端在觸地后破裂,吸入地表樣品,然后將其放入培養液。如土壤地表樣品中有細菌,就會迅速繁殖,使培養液變渾濁,pH值發生變化。用光束和光電管測出濁度,用pH電測裝置測量pH值,就可知道該星球上是否有生命。


  格列弗裝置,是由格列弗教授領導研制的放射性同位素生化探測器。他用黏性繩索收集實驗樣品并放入幾個裝有培養液的培養皿中,在一些培養液中有放射性同位素C14。如樣品中有微生物,會因新陳代謝而放出二氧化碳。若檢出的二氧化碳被放射性污染,就說明該星球上有生命。


  光學旋轉彌散分布儀,是用偏振光尋找外星球上有機分子的探測裝置。有機分子對偏振光具有光學活性,當旋轉的偏振光照到有機分子時,它會產生一個信號。如能產生這樣的信號,就知道該星球上有生命。


  目前還無法將這些裝置投放到太陽系外行星上去。那么,又如何探測那里是否有生命和生命的種子呢?我們知道,不同物質輻射或吸收不同波長的電磁光譜。例如,氫:434nm、486nm和656nm;氧:501nm和630nm。其他化合物,如:水(H2O)、甲醛(HCHO)、氰化氫(HCN)、甲酸(HCOOH)、硫化氫(H2S)、氰基乙炔(HC3N)、氨(NH3)、甘氨酸(C2H5NO2)、甲醇(CH3OH)、丙烯酸(CH3N)和多環芳香烴等化合物分子也一樣。這些物質輻射或吸收不同波長的光譜,通過空間望遠鏡的觀測,就可以知道行星及其大氣的物質成分,即化學組成。因此,光譜分析是細察太陽系外行星上生命胚胎和種子的最基礎的方法。


  2004年,英國克蘭菲爾德大學和萊斯特大學的科學家組成的研究小組研究開發了一種新型探測地球以外生命的裝置。這種裝置使用人造分子受體作為星際生命的探測工具,比傳統的生物探測器在尋找地外生命的痕跡方面更有效。該研究小組開發了一種稱為“分子痕跡聚合物”的新型人造分子受體,它能模仿抗體等生物識別分子的功能,可用來探測某一種或某一類可顯示當前或過去該星球是否有生命的生物標記分子,并可將探測結果通過電化學和光學手段轉換為可識別信號發射出去??蒲Ъ抑灰越郵盞降男藕漚蟹治?,就能判斷探測星球上是否有生命。負責這項研究的克蘭菲爾德大學生物科學與技術研究所的大衛?卡倫博士說,目前,他們正在考慮如何進一步改善這一技術,以便將來探測火星或太陽系其他被認為可能有生命的行星時,能夠配備更有效、更可靠的地外生命探測裝置。


  2009年4月,美國宇航局啟動了一項地外生命基因探測計劃,擬于2018年正式將專業儀器送上火星,對火星上可能存在的生命體進行DNA探測。


  中國科學院也啟動了2050空間科學技術發展戰略路線圖計劃,其中包括了宇宙生命起源和地外生命科學探索任務。正在研制的DNA分子芯片技術有望用在地外生命信號探索之中。


  極端微生物在地外生命探索中的意義


  探索地外生命是科學上的最大挑戰之一,有助于加深人類對生命起源與演變的認識,提高人類認識宇宙以及認識自己在宇宙中的地位的能力。地球上極端環境中生命的發現給宇宙生物學研究帶來了信心。探索地球上極端環境中生命的存在可以給外太空生物學提供證據和理論基礎。目前,已有很多證據表明,在火星、月球、土星和木星的衛星上可能存在生命需要的水?!蹲勻弧吩又咀钚鹵ǖ?,從火星上拍攝到的照片顯示其表面可能是一層被灰塵覆蓋的冰海,與南極冰海非常相似?;鸚潛礱嫻囊恍┪錮砘糶苑仙宕嬖諍蛻さ囊?,表明火星上可能存在生命。在地球寒冷、高輻射、溫差幅度大、低營養的南極冰海中,生活著很多嗜冷生物。南極洲大峽谷中干燥多孔的巖石環境與火星最為相似,在其中生活的真菌被當做探索火星生命的真核生命模型。在智利最干燥的阿塔卡馬沙漠中,在地下數千米深、幾乎無氧的悶熱巖洞里,在南極洲-50℃嚴寒的千年冰架下,在終年黑暗并承受巨大壓強的深海溝底,在幾萬米空氣稀薄的高空,甚至在核反應堆通風口處,都有形形色色與世隔絕的微生物在頑強地生存著。法國科學家曾在太平洋底3000米、水溫高達250℃的熱泉噴口發現多種細菌。1969年降落月球的“阿波羅12”太空船,收回了兩年半前無人探測飛船“月球探測者3號”留在月球上的相機,竟然發現其底部有地球上的緩癥鏈球菌微生物,這種來自地球的微生物在幾近真空、充滿宇宙射線的月球表面竟然生存了兩年半。2002年,美國科學家在愛達荷州熱泉中發現了一個新型的微生物群落,多數為古菌,它們生活在水下200米。根據地質化學和熱動力學的推測,產甲烷菌可能是火星和土衛六地下生態系統的主要生命類群。美國科學家在新墨西哥州卡爾巴斯附近地下巖洞的一個古老鹽結晶體內發現了一株嗜鹽菌,已經存活了2.5億年。該嗜鹽菌的復活挑戰了生命存活時間的極限,同時,也提示生物的星際旅行是可能的。據英國《每日郵報》與英國廣播公司網站2010年8月25日報道,由英國開放大學的研究小組采集的德文郡比爾村海岸普通細菌,于2008年送往國際空間站。這塊特殊的巖石樣本放在國際空間站的技術曝光平臺上,這批細菌應經受了極端的紫外線和宇宙射線輻射以及急劇變化的溫差,石灰巖中的所有水分都應在這種環境下汽化。約一年半(553天)后,宇航員取回國際空間站外的巖石樣本,檢查時發現很多細菌仍然活著。而這些“菌堅強”現在已經到達開放大學的實驗室里繼續繁殖。


  極端環境微生物的生命潛能與地球上其他生命的潛能完全不同。正是這一不同向我們暗示,生命在宇宙問不同星球上遷徙的另一種可能??蒲Ъ以ぱ?,地外生命的原始形式很可能就是微生物,地球上極端環境微生物的研究,為我們在其他星球如火星上如何尋找生命,到哪里尋找生命提供了線索。地外微生物的探測,對人們理解生命的起源和演化過程,開發利用空間微生物資源將產生重要影響。


  展望


  近年來,隨著空間科學和技術的發展,科學家把生命起源的研究擴展到地外生命探索。迄今,射電天文學家已經發現了相關的有機化學分子存在于遠離我們太陽系的塵埃云中。星際有機分子的發現,對研究星際生命的起源提供了重要線索。比如說,目前發現的星際分子幾乎都是由六種基本元素構成的:氫、氧、碳、氮、硫、硅,這六種元素中的前五種如果加上磷,它們就成了構成地球各種生命的基礎元素。非常有趣的是,5個氰化氫(HCN)分子可以形成核酸堿基中的一個成員――腺嘌呤。再比如說,甲醛分子在適當的條件下可以轉變成生命物質的基本組成形式――氨基酸。由于我們還發現了許多尚未辨識的有機分子,它們很可能會組合成多種生命形式。各類星球探測器還發回了月球、火星、土星衛星表面類似地球的戈壁、沙漠、干枯河底和海床的地貌照片。從1992年開始,一些科學家開始用現代望遠鏡觀測太陽系外行星,并期望發現類似地球一樣有生命存在的行星。截至2009年1月31日,已發現了336顆太陽系外行星,不過其中絕大多數屬于類木行星,即體積比較大,表面是氣體,只有少量的天體與地球相似。這樣的結果主要是由目前的探測方式和技術水平所決定的,并不能說明太陽系外不存在類地行星或有生命存在且與地球大小相當的行星。2009年美國東部時間3月6日22:50,美國成功發射了第一個專門探測太陽系外行星的空間望遠鏡――開普勒(Kepler),從而揭開人類探索地外生命的新篇章。


  最近,英國著名物理學家史蒂芬?霍金在一部最新紀錄片中預言,外星生命幾乎是肯定存在的?;艚鶉銜?,外星生命可能存在于宇宙的很多地點,除了各大行星以外,還可能位于某些恒星的中心,甚至漂流在星際問。理由很簡單,宇宙太大了。宇宙包含著1000億個星系,每1個星系又擁有數億顆恒星。在這么廣闊的區域里,地球當然不可能是生命進化的唯一場所?;艚鶿怠拔掖郵У穆嘸此伎?,僅僅這些數字本身就表明人類有關外星生命存在的說法是完全合理的,”霍金說,“而真正的挑戰在于將外星人找出來?!?/p>

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