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DNA结构来自太空?  

2008-09-24 00:00:00|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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DNA结构来自太空? - 《新发现》杂志官方博客 - 《新发现》杂志官方博客

 

 

在对等离子体中微小颗粒表现进行模拟的过程中,科学家们惊奇地发现它们排列成了双螺旋结构……就像DNA分子一样!而在太空中,充满微尘的等离子体无处不在……


编译 全志钢

 

   如果有人对你说,有一种双螺旋的几何结构,能够贮存信息并自我复制,你一定会立刻联想到遗传信息载体DNA!不过,这些特性可能并非DNA所独有。在对等离子环境中普通尘埃的特征进行的模拟中,俄罗斯物理学家瓦基姆·兹托维齐(VadimTsytovich)及其德国和澳大利亚的同行们惊奇地发现,这些尘埃也是呈双螺旋结构排列的!而在太空,充满尘埃的等离子环境并不少见,比如在星际云团,或者行星环中。这是否意味着,作为生命载体的DNA分子,其典型的双螺旋结构源自于太空?尽管还没有多少人相信这种说法,但至少这个问题如今已经被提出来了。

 

静电作用


   在放眼太空,探寻可能存在的双螺旋构造之前,我们还是先回到地球上来吧。自1994年以来,等离子体吸引了人们越来越多的关注。那一年,数支研究团队在实验室观察到尘埃会在等离子体中排列成晶状网络,从而为今后在宏观层面上模拟晶体结构开启了大门。具体说来,等离子体是一种电离了的气体,混合了离子和自由电子,它被认为是物质的第四种形式,也是最无序的形式。当尘埃——或者说极微小的“颗粒”——被投入到等离子体中,就将受到构成等粒子体的带电粒子的轰击,短短几秒钟,它们的表面就会产生电荷。由于电子(负电荷)比离子(正电荷)要灵活得多,因此尘埃颗粒最终会带上几千基本电荷的负电。这一发生在单个尘埃颗粒上的现象还好理解,但要研究等离子体中所有带电尘埃之间的静电作用,则要复杂得多。而且不幸的是,实验室的条件与太空环境相去甚远,这主要是因为重力与对尘埃发挥作用的静电力叠加在一起,部分地对后者的效果产生了干扰。“要想在地球上对这些粒子进行研究,我们就得把等离子体封闭在密闭的环境中,并借助电场帮助这些粒子抵抗重力的作用。而这就会对系统造成许多外在的约束。”德国马普学会地外物理研究所主任、本次研究的负责人之一格雷戈尔·莫菲尔(GregorMorfill)解释说。为此,2001年以来,人们在国际空间站上进行了数次关于等离子尘埃的实验,已在很大程度上减小了地球重力的影响。“但是,即使是在国际空间站上,我们也只能将这些粒子封闭在一个有限的空间里。”格雷戈尔·莫菲尔指出。既然不可能直接地、足够精确地观察到星际尘埃的表现,科学家们就只能退而求其次,通过数字模拟来了解太空中可能的情况。于是,瓦基姆·兹托维齐及其同事们便借助模拟粒子系统在受力过程中演变的一个分子动力模型,对这些尘埃在等离子体中的表现进行了研究。“这种数字模拟的好处在于,可以摆脱实验室条件的限制,最大程度地‘再现’一个近似于太空的环境。”格雷戈尔·莫菲尔解释道。

 

尘埃列队


   的确,只有这种模拟能够避免一切外力干扰,使我们能对该系统的“自然状态”进行研究。于是,科学家们对浸没在虚拟的冷等离子体中的1000多个大小相同的微小球形颗粒的表现进行了模拟,得到了极为惊人的结果:“由于这些粒子都带有负电,根据库仑定律,在没有外力约束的情况下,这些粒子彼此应该无限排斥。然而,我们的模拟表明,情况恰恰相反,这个系统并未向外扩张,反而自闭起来,也就是说这些尘埃保持在一个确定范围内。”如何诠释这种奇特的表现呢?“一种可能,就是这些颗粒的表面上发生了。”格雷戈尔·莫菲尔解释说。当一个离子来到尘埃颗粒的表面,就会和附着在上面的众多电子之一进行复合,那么该颗粒便失去了一个负电荷,但来自周遭等离子体中的另一个电子会立即取而代之。“这样一来,这团尘埃便一直处在持续的等离子体流当中,后者对尘埃产生了一种封闭的压力,阻止了它们的扩张。”格雷戈尔·莫菲尔总结道。
   另一大惊奇的发现就是,根据模拟,原本杂乱无章地投放进去的尘埃颗粒会渐渐排列成序,最后组合形成一个双螺旋结构,系统也于此时达致其基本态。在模拟中,科学家们还将尘埃颗粒与等离子体之间发生的摩擦现象考虑了进去。这种摩擦会导致“系统释放能量,并自发地由高能量的初始状态向较低能量的稳定状态演变”。

 

备受争议的假设


   这样看来,这些尘埃不仅是自闭的,而且会自动排列成双螺旋结构。同样,构成DNA的两条单链也是以这种方式通过氢键配成一对——同时释放能量,而它们各自的几何构造致使它们连接在一起最终形成了一个双螺旋结构的大分子。这样一种致密的结构为信息的高度集中和复制创造了便利条件。物理学家们称在模拟中,等离子体中的尘埃构成双螺旋结构,那是从以下角度说的,即尘埃颗粒在一些等距相叠的平面上成对组合在一起,而每个平面上,它们的位置都以一个固定的角度持续旋转着。现在我们需要了解的,就是如此独特的一种结构是怎么产生的。对此,进行这一模拟的科学家们认为,每两个同带负电的颗粒之间存在着的相互作用可能会在某一特定距离下产生某种相互的吸引力。原因是,等离子体的正电荷在负电荷颗粒之间过度聚积,使得本来只可能相互排斥的尘埃联结了起来。但这一基本假设并未得到普遍的赞同。“最近几年,许多理论物理学家提出了等离子体中相同电荷的两个颗粒之间存在吸引的假设。但时至今日,尚无任何实验观察到这种现象。”美国衣阿华大学等离子体物理学家约翰·葛里(JohnGoree)指出,“即便这种力存在,也是极其微弱的。不论是在地球上,还是在国际空间站上进行实验,任何其他的力,比如重力,都能将它掩盖。”这虽是数字模拟的优势所在,却也恰是它的局限所在。
   虽如此,格雷戈尔·莫菲尔仍然认为模拟实验的结果是可靠的:“我们的模拟所表明的是,在DNA中具有如此重要意义的双螺旋结构,看来也不过是在静电力控制的系统中能够自发形成的一种一般性的稳定结构。”以此推论,星际之间的尘埃云团绝不是一团乱糟糟的灰尘,而恰恰相反,应该是高度规则排列的。有意思的是,人们在宏大的太空尺度上已经观测到了这种典型DNA结构。2006年3月,加利福尼亚大学的几位天文学家借助斯皮策太空望远镜(Spitzer)发现了一片双螺旋结构的星云,其伸展范围足足有80光年!
   数字模拟不仅让人们发现了尘埃的这种双螺旋结构,也让人们惊奇地发现它们的表现也非常类似于DNA:这些螺旋结构“能够”通过吸引其他颗粒而生长,甚至“能够”自我复制两个相同的螺旋。另外,螺旋结构的半径是随着不同的分段而变化的,这说明这些结构甚至具有信息编码能力!“这些充满尘埃的等离子体在这一点上有别于他经典自动排列系统,如晶体或飓风。后者也能够生长,但它们没有贮存和传播信息的能力。”格雷戈尔·莫菲尔强调。
   如此看来,现在距离宣布这些尘埃是有生命的,就仅有一步之遥了。瓦基姆·兹托维齐迫不及待地就想跨越这道天堑。他甚至宣称这些充满尘埃的等离子体就是一种“有生命的非生物物质”。他的这一观点完全没有得到他的合作者、该课题的共同负责人格雷戈尔·莫菲尔的认同。“说它们是有生命的,这点我还无法接受。然而,它们似乎的确满足专家们关于生命定义的最基本条件。不过这是否说明这些条件本身值得重新审视呢?我更希望人们来探讨一下生命到底是什么的问题。”

 

尚须实验室观察


   这种讨论尚无必要,除非瓦基姆·兹托维齐小组进行的数字模拟所描述的那些令人难以置信的特性得到了实验的证明。然而,“直到目前,从来没有任何实验室实验证明在充满尘埃的等离子体中存在着一种螺旋结构。”法国奥尔良大学电离化区域能量学研究组的等离子专家莱法·布冯迪(LaifaBoufendi)证实。“通过对约束力进行调节,我们确实在实验室里看到了一些尘埃形成的球体。但仅此而已!”这位物理学家指出,“该项研究的所有结论都是以一种从未被实际观察到的尘埃的螺旋状排列为依据的,这就有不小问题。不过,如果承认这些螺旋结构的存在,那么我们的确有可能走得很远。”然而,我们已经看到,一切的问题恰恰在于,如何在实验室实验中跨越一切障碍、摆脱静电力以外的各种力的干扰。在太空中,主宰着等离子体与颗粒之间以及不同颗粒之间互相作用的,就是静电力。我们能否期待直接在星际云团中找到这些假想的尘埃双螺旋结构存在的踪迹呢?“假如这些螺旋结构存在并且足够大,我们通过测定这些云团散发的红外波并研究它们的周期分布,就有可能探测到这一结构。”格雷戈尔·莫菲尔设想道,“但在目前,还没有人知道这类结构在红外探测下的波谱是怎么样的。”
   因此,物理学家们所面临的是一个巨大的挑战:设想并实现某种实际的实验或观测,以对数字模拟的结论加以检验。这样才能够使这种神奇的尘埃双螺旋结构免去沦为纯理论猜测的尴尬。

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