陨石中发现的氰化物有望为生命起源提供线索

氰化物和一氧化碳对人类来说均为致命毒药,但也可能为生命起源提供线索。美国博伊西州立大学和美国国家航空航天局(NASA)的一组科学家在高碳陨石中发现含有铁、氰化物和一氧化碳的化合物,这些化合物可能为早期地球上的生命提供了动力。陨石中发现的地外化合物与氢化酶的活性位点相似,氢化酶是通过分解氢气 (H2)为细菌和古生菌提供能量的酶。他们的研究结果表明,这些化合物也存在于生命还未诞生前的早期地球上,当时地球不断受到陨石的撞击,大气中可能含有更多的氢。

陨石中发现的氰化物有望为生命起源提供线索

画家笔下关于流星撞击古老地球的概念图。一些科学家认为,这些撞击可能带来了水和其他对地球上生命诞生有用的分子。
版权:NASA戈达德太空飞行中心概念图像实验室

位于美国爱达荷州博伊西市的博伊西州立大学的资深研究员凯伦•史密斯(Karen Smith)博士解释道:“当大多数人想到氰化物时,他们脑海中浮现的是间谍电影的场景:一个人将药丸吞下,口吐白沫奄奄一息,但氰化物也可能是构成生命所需分子必不可少的化合物。”氰化物是指带有氰基(CN)的化合物,其结构由一个碳原子和一个氮原子通过叁键相连接。氰化物被认为对于生命起源而言至关重要,因为它参与了生成氨基酸和碱基等有机化合物的非生物合成,而这正是所有已知生命形式都使用的蛋白质和核酸的组成部分。

Smith在6月25日的《自然通讯》杂志上发表了一篇关于这项研究的论文。Smith和该论文的共同作者,美国博伊西州立大学的助理教授迈克•卡拉汉(Mike Callahan),共同研发了新的分析方法来提取并测量陨石中古代氰化物的痕迹。他们发现这些含有氰化物的陨石均属于一组被称为CM型碳质球粒陨石的高碳陨石。经测试发现包括火星陨石在内的其他类型陨石,均不含氰化物。

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论文的另一位共同作者,位于美国马里兰州格林贝尔特市的NASA戈达德太空飞行中心的杰森•德沃金(Jason Dworkin)说:“根据NASA的奥西里斯-雷克斯(OSIRIS-REx)航天器收集的数据表明,氰化物与CM型碳质球粒陨石有关。OSIRIS-REx航天器将于2023年从小行星贝努(Bennu)携带样本返回地球用于研究。我们将从这些样品中寻找氰化物,努力寻找小行星Bennu与已知的陨石之间的联系,并试图了解氰化物等前生物化合物的潜在传递途径,这些化合物可能有助于在早期地球或太阳系其他天体上萌发生命。”

此前也曾在陨石中发现氰化物。然而,在这项新研究中,Smith和Callahan惊讶地发现氰化物和一氧化碳(CO)形成配体后与铁离子结合,在陨石中形成稳定的化合物。他们用高分辨率液相色谱-质谱联用技术在陨石中鉴别出两种不同的氰基-羰基铁络合物。Callahan表示:“我们研究中最有趣的发现之一是,这些氰基-羰基铁络合物与氢化酶活性位点的某些部分相似,而氢化酶活性位点的结构非常独特。”

陨石中发现的氰化物有望为生命起源提供线索

陨石中含有金属有机化合物,类似于在细菌和古生菌中发现的酶的其中一部分。CN表示氰化物,CO表示一氧化碳,Fe表示铁,Ni表示镍。
来源:Smith et al. Nature Communications, 2019

氢化酶存在于几乎所有的现代细菌和古生菌中,人们普遍认为氢化酶起源于古代。根据Callahan表示,氢化酶是一种大型蛋白质,但其活性部位(发生化学反应的区域)恰好是蛋白质中含有的一种小得多的金属有机化合物。正是这种化合物与研究小组在陨石中发现的氰化物类似。

关于生命起源的一个永恒的谜团是,生物学是如何从非生物化学过程中产生的。氢化酶活性位点和研究小组在陨石中发现的氰化物之间的相似性表明,陨石母体小行星和远古地球的非生物过程中的分子可能对生命诞生有所帮助。

Smith 补充道:“附着在金属上的氰化物和一氧化碳在酶中不仅不寻常,而且异常罕见。但氢化酶是个例外。当你比较陨石中这些氰基-羰基铁络合物和氢化酶活性位点的结构时,你会疑惑这两者之间到底是否有所关联。氰基-羰基铁络合物有可能是这些活性位点的前体,并在数十亿年前被整合纳入至蛋白质中。这些络合物也可能也是早期地球上氰化物的来源。”

这项研究由NASA“新兴世界”计划、NASA天体生物学研究所和NASA地球与空间科学奖学金共同资助。研究团队包括Smith, Callahan和美国宾夕法尼亚州立大学、美国马里兰大学以及NASA戈达德太空飞行中心的同事们。NASA戈达德为OSIRIS-REx航天器(全称:起源、光谱解析、资源标识、安全风化层探索者)提供全面的任务管理、系统工程以及安全和任务保障。美国亚利桑那大学的丹蒂•洛雷塔(Dante Lauretta)是该项目的首席研究员。航天器制造由位于丹佛的洛克希德•马丁太空系统公司负责。OSIRIS-REx是NASA“新前沿”计划的第三个任务。NASA位于美国阿拉巴马州亨茨维尔的马歇尔太空飞行中心负责管理NASA在华盛顿的科学任务理事会的“新前沿”计划。NASA利用其强大的太空舰队和地面任务,对太阳系和太阳系以外的太空进行探索,探索世界、恒星和宇宙奥秘。

来源:
https://www.nasa.gov/press-release/goddard/2019/cyanide-in-meteorites

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