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金星大气层发现磷化氢,这意味着金星上存在生命吗?

WikiImages / CC0

金星大气层中发现磷化氢,这意味着金星上存在生命吗?磷化氢为什么会被作为生命存在的证据?

李雷,前-科研人员

只能说一种可能,并不意味着绝对。

这次金星发现的 PH3(磷化氢)到底是个什么东西呢?为什么大家会如此兴奋?

一、基于地球认知的生命气体

磷化氢是一种无色、剧毒、易燃的储存于钢瓶内的液化压缩气体,化学式为 PH3。

不过这种气体并不一般,因为,它一般不容易生成。或者说,它一般很难通过天然的环境来生成。

而与之对应的是,这种气体很容易在生物代谢中生成,尤其是在缺氧情况下,厌氧生物会生成。

在大家熟知的自然厌氧环境以及污水和垃圾填埋气体中这种有毒气体的存在。

比如下图是用猪粪发酵时候产生的 PH3(另外的 CH4 也是大家熟悉的沼气主要成分——甲烷)

而可以生成它的菌类,也是厌氧生物

不过,要是纯粹的天然环境,没有生物的话,生成 PH3,就有点麻烦了,

比如工业上制备 PH3,反应如下

3 KOH + P3 KOH + p4+ 3 H+ 3 h2O → 3 KHO →3 KH2PO+ PH+ PH 3

而已知的天然环境中,是缺乏足够强的还原剂来直接将磷酸盐转化为磷化氢。

正因为如此,大家才认为,这种气体,应该是生命活动的痕迹,或者干脆说,是厌氧生物的产物

事实上,地球大气中其实是存在磷化氢的,尽管浓度非常低。

比如下图是多个研究检测到的大气中磷化氢的含量[1]。

至于为什么不用其他气体,主要还是在于 PH3 频谱比较特殊,容易和其他生命特征频谱分开。

二、为什么认为金星可能存在生命。

基于地球的认知,我们认为,PH3 应该是厌氧生物的产物。

而这次金星的发现,似乎符合了这个推测[2]。

下图是这篇文章的核心证据:

10 ppb 的磷化氢,当然,作者也排除了一些其他因素,比如气体反应,光 / 地球化学反应或外源性非平衡输入是否可能在金星上产生 PH3 等等,认为生物产生的可能性更大。

当然,金星环境并不是大家认为的那么恶劣。

比如金星的大气条件不错,温度也还可以,0-60℃,压力也还行,0.4-2 个大气压[3]。

比如硫化物,二氧化碳和水,如果非要对比,假定金星有生命。

那么金星的生命可能处于地球这个时期——35 亿年前的地球。

那个时候,地球上可能是大量的厌氧菌,直到 32 亿年前,地球才开始有了光合作用大量出现,把氧气释放出来。

三、结论尚早

那么我们是否可以认定金星就是存在厌氧生物呢?

答案是否定的。

1,首先,我们并没有直接的证据表明金星存在厌氧生物。

事实上,到目前为止,我们并没有获得任何地外星体存在任何生物,所以,真正要确定,那么需要我们捕获到金星的微生物。

2,磷化氢是否可以作为生命的金标准? 这一点我认为是值得商榷的。

尽管我们一般认为地球上是缺乏足够多的还原剂来生成 PH3,但是以此来推测金星一定如此,这个证据链是不完整的。

3,不只是金星

事实上,木星湍流大气中也发现了 PH3。

但是众所周知,木星是个气球。而木星的 ph3 是在其炽热的内部形成,并与上层大气中的其他化合物发生反应。

————2 年前一篇更好玩的文章————

我想起了 2018 年的另一篇研究,也是很有意思的,比这篇 nature 更加的详细[3]。

他们首先对比了金星和地球的大气光谱情况,发现二者是相反的。

因为地球大气是有 21% 的氧气,所以金星和地球是相反的。

Images of clouds on Venus(A–H)and Earth(I–N)demonstrating the relationships of contrast with wavelength.

接下来,发现金星的大气存在未知物质的光谱吸收(尤其是 330-600 纳米间)。这一点也是核心的出发点。

FIG. 2.Venus' spectra as measured by Morozet al.(1985), Irvine (1968), Travis (1975), Wallaceet al.(1972) (scaled geometric albedo), MESSENGER (Perez-Hoyoset al.,2013; Pérez-Hoyoset al.,2017), and Barkeret al.(1975), including the unexplained absorption, as calculated from the difference between the VIRA cloud model and the MESSENGER spectra. The real Venus spectrum varies with location and time, so the residual curve is illustrative and not definitive.

和地球已知的一部分生物的频谱做个比较瞅瞅呢?

对比大肠杆菌(e.coli)以及Acidithiobacillus ferrooxidansFe–S 蛋白和Acinetobacter gyllenbergii 的 过氧化氢酶(catalase)光谱(A)和各种辅因子和生化分子,包括生物蝶呤(biopterin),类胡萝卜素(carotenoids)和叶绿素( chlorophylls)a,b 和 f(B)

嗯,有相似处,如果金星的云层确实蕴藏着生物,那么就可以很好地解释这些光谱重叠的特征。

用作者的话,那是非常相似(tantalizingly)。

tantalizingly similar to the absorption properties of terrestrial biological molecules

于是,咱朝着金星有生物的这个假设继续放飞,进一步计算金星如果存在厌氧生物,那么它们产生 PH3 的方式

Diagram of iron- and sulfur-focused metabolic redox reactions that could occur in the Venus' clouds, where Fe3+/2+ complexes refer to inorganic and organic ligands and dotted arrows refer to possible redox cycles.

1,金星的磷化氢浓度不低

这意味着,这不是一种偶然的现象,而且形成如此高浓度,理应是由大量的厌氧生物产生的。

2,按照金星的运动轨迹,理论上应该有持续不断地厌氧生物在产生磷化氢,才能维持其大气中的磷化氢浓度。

3,金星的大气方式是有利于生成生命的。

早在 1967 年,研究人员就提出了金星的宜居性,1999 年 Cockell 提出,中低大气层的条件是适合生物生存的。尽管海拔太高了可能会冰冻,但是并不见得会杀死微生物。

而金星本身具备了一些客观的可以诞生生命的理化条件,比如硫化物,二氧化碳和水。

于是,他们做了一个假设推论:金星可能是有厌氧生物持续生成 PH3。

最后,寻找地外生命一直是仰望星空的一个重要意义。宇宙这么大,我们理应不孤独。

Glindemann, Dietmar, Ulrich Stottmeister, and Armin Bergmann. "Free phosphine from the anaerobic biosphere."Environmental Science and Pollution Research3.1 (1996): 17-19.

Greaves, J.S., Richards, A.M.S., Bains, W.et al.Phosphine gas in the cloud decks of Venus.Nat Astron(2020).

Irwin, Louis N., and Dirk Schulze-Makuch. "The Astrobiology of Alien Worlds: Known and Unknown Forms of Life."Universe6.9 (2020): 130.

Schulze-Makuch, Dirk, et al. "A sulfur-based survival strategy for putative phototrophic life in the Venusian atmosphere."Astrobiology4.1 (2004): 11-18.