了解地球如何制造磷化氢,或许才能揭晓金星生命之谜

2020/12/1 10:04:50 来源:新浪科技 作者:叶倾城 责编:懒猫

北京时间 12 月 1 日消息,据国外媒体报道,磷化氢是一种神秘物质,有人称它的气味像大蒜,但多数人描述它是一种较恶心的物质,其气味带有腐烂鱼的味道。此外,它具有爆炸性,在室温下能在空气中自燃,如果人们不慎吸入肺部,依据吸入剂量不同,要么引起刺激反应和呼吸困难,要么会抑制人体中枢神经系统,甚至导致死亡。

如果你不从事半导体制造业,没有接触过含有磷化氢的灭鼠药,不了解化学武器的科学原理,那就很难掌握磷化氢的真实属性。今年,科学家宣布一项重大天文发现,声称在金星大气层中发现磷化氢迹象,并推测它可能是由神秘生命体制造的。

磷化氢从化学武器变成潜在生命迹象的奇异变迁,主要归功于美国麻省理工学院量子天体化学家克拉拉 · 苏萨 · 席尔瓦(Clara Sousa-Silva)的努力,她花了 10 年时间深入研究磷化氢分子,她说:“磷化氢是一种可怕的分子,它在各个方面都表现得很‘肮脏’。”

今年 9 月份,科学家发现金星大气层中存在磷化氢分子,他们排除了这些磷化氢来源于的地球的多种可能性,源于金星生命是剩下的几种可能性之一,但潜在的问题是,我们对地球生命如何产生磷化氢知之甚少。

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“阴影生态系统”能制造磷化氢

磷化氢是一种简单的分子,是由一个磷和三个氢组成,但却很难制造出来。磷和氢本来不是和谐相处的原子,它们不是一种自然的 “伙伴关系”。在拥有大气层的类地岩石行星上,磷化氢无法自然形成,还需要借助其他因素,投入一定能量来分离氧气和磷,这样才能形成稳定的磷 - 氢配对结构。在某些情况下,这种额外能量来自于外部自然资源,例如:雷击。

地球上的磷化氢存在于沼泽、土壤和淤泥之中,这些地方经常出现厌氧腐烂,细菌在缺氧的情况下会分解生物尸体,这些环境被称为 “阴影生态系统”,远离于我们熟知的喜氧生命系统。目前,科学家在南极土壤中也发现了磷,人们认为南极企鹅粪便中的含磷化合物会逐渐减少,使用酶或者电子带走氧气,再通过细菌产生磷化氢。

人们对这些生态系统中为何会产生磷化氢了解并不多,它不太可能是生物的排泄物质,因为它的制造需要能量。这可能是生物的一种防御机制,充分利用毒气保护自己,另一种可能是它是一种信号物质,类似于某些树木产生一种叫做异戊二烯的分子,作为生物之间彼此交流的方式。席尔瓦说:“这样做的生命愿意牺牲能量,因为与释放水相比,它能产生一个明确的信号。”

生成磷化氢的第三种可能性颇富争议——地球上的细菌可能制造磷化氢,这是以物易物交换经济的一部分。细菌可以用磷交换其他营养物质,在它们的生态系统中存在不同物种,而细菌产生的磷化氢可能对于它们的全球循环中发挥某些重要作用,目前这一点亟待深入研究。

企鹅粪便

事实上,科学家并不清楚为什么地球生物制造磷化氢,以及它们制造磷化氢的真实目的。席尔瓦说:“我很想知道,但我们并不知道。”

我们不知道该谜团的原因很简单,当谈及地球生命类型时,人类倾向于选择喜氧生物进行研究,而不是选择厌氧生物。席尔瓦说:“因为人类呼吸空气中的氧气,因此我们也倾向于选择喜氧生物展开研究探索,这并不令人惊讶,但从一定意义上讲,此类研究具有一定的片面性。”

据悉,上世纪 80 年代,科学家首次在沼泽中发现磷化氢,但直到 2006 年,关于企鹅粪便如何增大南极土壤磷化氢含量的研究报告才首次发布。科学家之所以才开始研究企鹅的粪便,是因为全球气温升高意味着企鹅粪便更有可能融化,将其中的细菌释放至南极土壤中。昆山杜克大学(中美合作)研究企鹅对磷酸盐影响的专家曹焕盛指出,在全球气候变化的影响下,企鹅数量及其微生物群可能导致南极地区生物地球化学出现显著变化。

磷化氢有毒,可作为杀人毒剂

此外,地球上其余的磷化氢是在实验室里产生的,研究人员通常将磷酸加热至 200 摄氏度,与细菌不同,人类制造磷化氢的原因非常清晰,磷化氢可应用于半导体领域,它被用作掺杂剂来改变材料的导电性能。同时,磷化氢有毒,可杀死人,在第一次世界大战中,磷化氢被用作化学武器,现今它被归类于恐怖主义毒剂。

席尔瓦说:“磷化氢能够以多种方式杀死人类等动物,但它仅针对于喜氧生命,因为磷化氢能与氧气相互作用,这就是为什么阴影生态系统中的生命会生成磷化氢,因为它们并不依赖氧气而生存。”

十年前,人们对太空环境中磷化氢的唯一了解是它存在于木星和土星,发现磷化氢存在于高层大气,由于它仅能在这些行星较低大气区域产生,所以它的存在可能是猛烈风暴将含有磷化氢的气体吹至高层大气。

之所以能在木星和土星这样的巨行星发现磷化氢,是因为它们的数量较多,而且该行星距离地球较近。天文学家对磷化氢的光谱特征(即它们通过吸收特定波长的光线影响)仅是一个模糊概念,但是要在其他行星发现磷化氢,光谱信息是非常必要的,光谱技术是天文学家研究行星从恒星前面掠过时发出光的一种技术,甚至在我们的星球也能找到磷化氢迹象。

席尔瓦说:“如果某个恐怖组织制造了磷化氢,并乐于将其作为毒剂,我们将无法远程探测到该物质。目前我们应该高度重视该问题的严峻性,人类掌握着先进的科学技术,我们有能力检测到大多数分子,至少是那些能够杀死人类的毒剂分子!”

磷化氢是 “生物牺牲”的一种暗示

据悉,在席尔瓦攻读博士期间,她花费 4 年时间对磷化氢分子指纹进行分类,这一工作为可能发现金星磷化氢气体奠定基础,每一种气体都能吸收特定波长的光,对应于分子内电子能量状态的差异性,它们被称为 “吸收线”。因为当一道彩虹光穿过分子时,只有特定波长能被吸收,当它们出现时,会在光谱中留下一条黑线,对于磷化氢,席尔瓦计算出 168 亿个可能存在的 “吸收线”。

当席尔瓦研究磷化氢分子指纹时,开始思考磷化氢是否是一种潜在生命的迹象。她说:“我开始注意所有这些线索,意识到磷化氢可能是验证生命存在的一个非常好的指示信息,我开始将磷化氢作为生物牺牲的一种暗示,而牺牲是只有生命才能做的事情,这是浪漫又富有悲剧色彩的。”

在对磷化氢潜在吸收光谱进行分类之后,接下来就是观察它是否具有生命迹象或者生物特征。该研究是从 2006 年着手展开的,但直到今年 1 月份才发表相关的研究报告。刚开始的时候,席尔瓦的研究工作被视为一种 “愚蠢行为”,研究经费申请曾被拒绝。她说:“当时没人关注磷化氢的研究项目,他们并不了解磷化氢,仅有少数人真正认识到磷化氢的重要性。”

没有人在意磷化氢的存在,直到几个月前,科学家在金星大气中发现磷化氢,在席尔瓦分类的 168 亿条吸收线中,仅有 1 条是在金星上发现的,这也是为什么许多人对金星磷化氢探测持怀疑态度的部分原因。她说:“你可以看出,从 168 亿条吸收线中再发现一条是多么重要。”

至于金星,它距离地球较近,我们不需要仅依靠光线勘测分析这颗星球,美国北卡罗莱纳州立大学行星科学副教授保罗 · 伯恩(Paul Byrne)说:“最可靠的唯一方法是到达金星并在那里进行测量。”目前,伯恩和其他天文学家仍对磷化氢作为生物标志的作用持怀疑态度,即使它被证实存在于金星大气层。来自其他科学家的批评观点促使原始论文作者重新分析他们的研究数据,随后发现金星磷化氢的平均指数比他们之前估计的低 7 倍。

如果磷化氢是金星潜在生命的一种指示信号,那么这些神秘生命与我们所了解的地球生命非常不同。更多地了解地球上形成磷化氢的细菌特性,将有助于构建一幅潜在外星生命的图景,但目前科学家对此类研究的兴趣和关注度并不高。

今年 9 月份,席尔瓦发表了一篇研究论文,宣称在金星大气中发现磷化氢,全球科学界开始注意到她用十年时间研究的这种分子。当她开始分析磷化氢的时候,这似乎是一个不明智的研究方向,她说:“这可能仍然是一个非常不明智的研究目标,但考虑到它可能存在于金星,将潜在着多种可能性,如果金星的确制造磷化氢,它作为生命迹象的可能性非常小,我觉得这个赌注胜算较大。”

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关键词:地球

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