生命的化学极限、环境极限是什么？能否在土卫六上孕育出生命？

天体生物学家专注于解决两个中心问题，以了解生命的环境和化学极限。通过了解生命的边界，科学家们想识别系外行星大气和太阳系中可能的生物特征。例如，类脂双层膜是我们地球所知的生命先决条件。

之前基于分子动力学模拟的研究表明，由含氮小分子组成的极性反转膜，即偶氮体，可能在低温液体世界（如土星的卫星土卫六）上具有丰富的动力学特征。

在一项发表在《科学进展》期刊上的研究中，瑞典查尔默斯理工大学化学和化学工程系的H.Sandström和M.Rahm有了一个潜在的下一步，来研究固氮体形成的热力学可行性。通过量子力学计算预测，与脂质双层不同，偶氮体不能在液态水中自组装。

由于严格的无水和低温条件，土卫六上的假设天体生物学可能不需要细胞膜。这些在预测计算天体生物学方面的努力，将对蜻蜓号任务计划于2034年在土卫六泰坦登陆具有重要意义。

土星的卫星土卫六（泰坦）具有丰富的大气化学成分和受季节性降雨（主要是甲烷和乙烷循环）驱动的动态表面形态。科学家们观察了泰坦极地附近的碳氢化合物湖泊和海洋，以与地球相对于生命起源的水文循环进行比较。

然而，土卫六的表面条件是寒冷的90到94K，与地球不同的是，土卫六最外层的表面没有氧气，并被其大气光化学产物覆盖。研究人员还怀疑在最外层的有机层下面，存在冰冻的水冰壳。

作为最严格的生命极限，土卫六提供了一个独特的环境，可以在接近太阳系最冷的低温下，在没有液态水的情况下。探索大自然的化学复杂性及其进程。缺乏热能（90K时KT=0.75kJ/mol）是土卫六上化学反应的瓶颈，而太阳光是化学反应发生的能源(0.4W/m2)。

在这项研究中，科学家们研究了非生物细胞膜形成的可能性，这是土卫六等星球生命起源的先决条件之一。研究人员还讨论了将分区作为生命中心的想法，以暗示土卫六上存在固氮体的迷人可能性。

固氮体是由带有氮头基团和碳氢尾基小分子组成的膜，与水中正常的脂膜相比，疏水基团仍然留在固氮体膜的外部(极性反转)，其中疏水基团通常留在内部。研究小组利用低温甲烷中的分子动力学溶液预测，如果这些结构是由丙烯腈(C2H3CN)制成的，它们将具有与水溶液中正常脂质双层相似的弹性。

固氮体的可能性，进一步点燃了关于生命极限的研究。在最初预测的两年后，科学家们使用阿塔卡马大毫米/亚毫米阵列(ALMA)令人印象深刻地在土卫六上探测到了丙烯腈。

因为非生物和生物的正常膜和胶束，是在有利热力学驱动下通过自的自组装过程形成的。科学家们研究了所提出的固氮体膜，是否也保持了与热力学相似的生命力。

为此，科学家使用量子化学计算对固氮体的动力学持久性进行了估计，然后在土卫六严格的热力学条件下，研究了它们与假想外部生物学之间的联系。在“脂质世界”或“细胞优先”假说中，膜的非生物形成促成了生命出现；在临界浓度以上，水中的脂质自发地自组装形成膜和胶束等超分子结构。

在土卫六上的固氮体自组装过程中，设想的结构需要具有动力学持久性和比相应分子晶体(分子冰)更低的热力学能量，研究小组使用晶体分子冰作为丙烯腈自组装的竞争者。

科学家们应用色散修正密度泛函理论(DFT)形式的量子力学计算了丙烯腈冰四相能量，与实验衍射数据相对应。密度泛函理论计算证实了结构中不存在虚声子模，以确保结构的动态稳定性，并用90K下液态甲烷中基于密度泛函理论量子分子动力学模拟进一步证实了这一点。

计算考虑了与周围甲烷环境的色散相互作用，同时考虑了泰坦表面相关条件下的热事件和熵事件。生命起源的热力学问题并不是土卫六所独有；在表面生命可能是地球生命进化第一步的表面上，形成大分子所需的吉布斯能量减少了。

科学家们将计算局限于仅评估基于丙烯腈的偶氮体及其在土卫六上相关条件下的自组装，并表明在90K下长期存在足够的动力学稳定性，假设由较大分子组成膜结构的动力学稳定性要低得多。

研究结果并没有决定性地勾勒出低温可操作膜自组装的可能路线。不排除其他极性反转膜的存在和相关性，这些膜是在较温暖的碳氢化合物环境中，由更强的相互作用组分构建而成。

在没有固氮体或其他细胞膜情况下，在低温条件下不太可能发生控制生命的过程，尽管像土卫六这样寒冷碳氢化合物世界上的生命也不一定需要细胞膜。科学家们进一步指出，土卫六上任何假想有生命大分子或生命形式的关键机械都将只存在于固态（氮）中，永远不会有被溶解破坏的风险。

问题仍然存在，这些生物分子是否会从细胞膜中受益。由于土卫六上的低温条件，生物大分子可能依靠氢、乙炔或氰化氢等含能小分子的扩散来生长和复制。一层膜可能会阻碍扩散的这种好处。同样，膜可以阻碍包括甲烷和氮在内的新陈代谢废物去除。

相反，假想的膜也有可能保护土卫六上的生命大分子免受有害化学物质侵害。然而，为土卫六热驱动反应路径计算的较窄能量范围表明，与地球相比，只有更少的可能会破坏土卫六上的大分子。

以这种方式，固氮小体被提议能在液态甲烷中形成低温可操作的膜，这对生物学主要理解提出了一个耐人寻味的挑战。该分子强调了在计算天体生物学中跟踪预测分子性质的重要性，以便在可能的情况下确定合理的形成路线。

要得出化学的具体预测来支持在像土卫六上热力学环境约束下发生的生物过程，仍然是极其困难的。随着感兴趣的分子变得越来越复杂，对性质和形成路线（动力学和热力学）进行可靠建模的挑战可能变得极其困难。

科学家们计算出，固氮体膜可能在动力学上是持久的，尽管这种结构在热力学上可能是不可行的，因为阻止了它们的自组装（与液态水中的脂质双层不同）。土卫六的无水和低温环境不太可能形成细胞膜。

虽然有可能在实验上检验关于固氮体膜存在或不存在的计算预测，但对益生菌化学和生物学的实际环境极限推测仍然是推测。研究小组建议对拟议的益生菌和生物结构和过程进行仔细的计算探索，以及它们的可信性，以指导未来对土卫六表面化学进行采样。

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参考期刊《科学》《科学进展》

DOI: 10.1126/science.365.6448.15-a

DOI: 10.1126/sciadv.aax0272

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