月球的味道是香香的？嫦娥五號帶回的月壤又有新發(fā)現(xiàn)

出品：科普中國

作者：鐘廣財(cái) 張干（中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所）

監(jiān)制：中國科普博覽

生命是如何起源的？地球之外是否還有生命存在？這些疑問一直困擾著人類。為了探尋答案，科學(xué)家們將目光投向了月球有機(jī)質(zhì)以及地球以外的其他有機(jī)質(zhì)。目前，在隕石（尤其是碳質(zhì)球粒隕石）中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了多種多樣的有機(jī)質(zhì)，其中包括氨基酸、核糖、核堿基等構(gòu)成地球生命的基本有機(jī)分子。這不禁讓我們猜測，地球生命是否可能起源于這些“天外來客”播下的種子？

近期，中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所的科研團(tuán)隊(duì)，首次對我國“嫦娥五號”任務(wù)返回的月壤樣品中可能存在的有機(jī)質(zhì)進(jìn)行了探查，發(fā)現(xiàn)“嫦娥五號”月壤樣品中存在稠環(huán)芳香有機(jī)質(zhì)。

研究團(tuán)隊(duì)分析的月壤粉末樣品（向中國國家航天局申請獲得）

（圖片來源：作者拍攝）

月球上的有機(jī)質(zhì)是什么？

探查月球有機(jī)質(zhì)面臨諸多挑戰(zhàn)。以往從“阿波羅”月球樣品中檢測出的有機(jī)質(zhì)，大多被認(rèn)定為來自地球的污染，很難確定月球自身有機(jī)質(zhì)的存在。2020年12月17 日，中國成功實(shí)現(xiàn)了月球無人采樣返回，“嫦娥五號”帶回了1731克珍貴的月壤樣品。近期，我們團(tuán)隊(duì)在“嫦娥五號”帶回的月壤樣品中發(fā)現(xiàn)了稠環(huán)芳香有機(jī)質(zhì)，這一發(fā)現(xiàn)引起了科學(xué)界的廣泛關(guān)注。

稠環(huán)芳香有機(jī)質(zhì)分子結(jié)構(gòu)示例

（圖片來源：作者提供）

鑒于以往研究所用的技術(shù)方法極少能探測到月球有機(jī)質(zhì)，我們團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地采用了苯多羧酸分子探針方法，專門針對月壤中的稠環(huán)芳香有機(jī)質(zhì)進(jìn)行探查。稠環(huán)芳香有機(jī)質(zhì)以苯環(huán)為基本結(jié)構(gòu)單元，在整個(gè)宇宙中廣泛存在。它是由其他有機(jī)質(zhì)在高溫條件下演化而成的，并且廣泛分布于地球的空氣、泥土和天然水體中，比如柴草燃燒、燃煤和機(jī)動(dòng)車尾氣排放的顆粒物、木炭以及由生命體埋藏形成的煤和石油中都富含這種有機(jī)質(zhì)。不僅如此，在太陽系的碳質(zhì)小行星以及浩瀚的星際空間中，也發(fā)現(xiàn)了稠環(huán)芳香有機(jī)質(zhì)。在隕石（尤其是碳質(zhì)球粒隕石）中，它是主要的有機(jī)成分之一。

通過研究，我們發(fā)現(xiàn)“嫦娥五號”月壤樣品中確實(shí)存在稠環(huán)芳香有機(jī)質(zhì)，而且定量結(jié)果顯示，它是目前月壤中已知含量最高的復(fù)雜有機(jī)質(zhì)。

圖片來源：veer圖庫

月球有機(jī)質(zhì)從何而來？

與地球上的類似物（如木炭、煤、機(jī)動(dòng)車尾氣顆粒等）相比，月壤中的稠環(huán)芳香有機(jī)質(zhì)展現(xiàn)出獨(dú)特的芳環(huán)結(jié)構(gòu)。這些稠環(huán)芳香有機(jī)質(zhì)含有高度稠合的苯環(huán)，其芳環(huán)稠合程度與 4 納米的石墨烯相似。芳環(huán)的稠合程度與形成溫度密切相關(guān)，這表明月壤樣品中的稠環(huán)芳香有機(jī)質(zhì)可能是在超過600℃的高溫條件下形成的，因?yàn)槠浞辑h(huán)稠合程度高于相同溫度下形成的地球類似物。

直徑約為4納米的石墨烯結(jié)構(gòu)，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)“嫦娥五號”月壤中稠環(huán)芳香有機(jī)質(zhì)的芳環(huán)稠合程度與之相似

（圖片來源：作者提供）

進(jìn)一步的分析表明，月壤中的稠環(huán)芳香有機(jī)質(zhì)并非源自地球污染。這是因?yàn)樗鼈兊姆€(wěn)定碳同位素“指紋”（C-13/C-12比值）與地球環(huán)境中的稠環(huán)芳香有機(jī)質(zhì)存在明顯差異。隕石撞擊是月壤有機(jī)質(zhì)最有可能的來源。但是，奇怪的是，月壤稠環(huán)芳香有機(jī)質(zhì)的C-13豐度明顯高于隕石中的同類物質(zhì)，這意味著它并非直接來源自隕石。研究人員推斷，這是由于在隕石撞擊月球的過程中，高溫使得C-13豐度較高的非芳香有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化為了稠環(huán)芳香有機(jī)質(zhì)。這種由撞擊過程形成的高度稠合的（類石墨烯）稠環(huán)芳香有機(jī)質(zhì)，在月表強(qiáng)烈宇宙輻射的環(huán)境中更易穩(wěn)定保存，從而有利于月壤中有機(jī)碳的積累。

然而，這一過程也可能抹去了隕石中其他有機(jī)質(zhì)（包括氨基酸等生命分子）的痕跡，導(dǎo)致月壤有機(jī)質(zhì)的探查工作難以取得更多成果。除了苯多羧酸分子探針方法外，我們團(tuán)隊(duì)還綜合運(yùn)用了多種技術(shù)手段，但在月壤樣品中尚未發(fā)現(xiàn)其他月球有機(jī)質(zhì)。

研究團(tuán)隊(duì)對月壤進(jìn)行預(yù)處理：為避免有機(jī)污染，實(shí)驗(yàn)在全不銹鋼和玻璃材質(zhì)的超凈棚進(jìn)行，接觸月壤樣品的實(shí)驗(yàn)耗材均為無機(jī)材質(zhì)（鋁、不銹鋼、玻璃、陶瓷、石英等）

（圖片來源：作者拍攝）

科研人員在實(shí)驗(yàn)過程中會拍攝視頻，詳細(xì)記錄實(shí)驗(yàn)步驟，雙人檢查，避免操作失誤

（圖片來源：作者拍攝）

下一疑問，火星是否存在有機(jī)質(zhì)？

隕石撞擊月球的速度通?？蛇_(dá)每秒十幾公里，撞擊產(chǎn)生的溫度一般高于1000℃?？梢?，隕石撞擊既有可能播撒生命的種子，也有可能帶來毀滅性的后果。相比之下，得益于地球大氣層的緩沖作用，在地球上常常能發(fā)現(xiàn)富含有機(jī)質(zhì)的隕石。在太陽系隕石撞擊最為密集的時(shí)期（“晚期大轟炸”，約41-38億年前），地球收獲了大量的隕石有機(jī)質(zhì)，這些有機(jī)質(zhì)或許參與了地球生命的形成過程。

同時(shí)，在 37 億年前，火星可能存在宜居環(huán)境和生命。然而，在那之后，火星大氣加速逃逸，導(dǎo)致當(dāng)代火星大氣壓僅為地球的 0.75%。我國的天問三號任務(wù)即將實(shí)施，預(yù)計(jì)2030 年會帶回火星樣品。探尋火星生命有機(jī)質(zhì)同樣是科學(xué)研究的重要目標(biāo)，在過去 37 億年里，隕石撞擊對火壤有機(jī)質(zhì)的影響，在火星有機(jī)質(zhì)探查工作中將是一個(gè)值得重點(diǎn)關(guān)注的科學(xué)問題。

嫦娥五號帶回的月壤樣品中稠環(huán)芳香有機(jī)質(zhì)的發(fā)現(xiàn)，揭秘了隕石撞擊月球過程中有機(jī)質(zhì)的命運(yùn)。盡管目前的研究表明，在隕石撞擊月球的高溫過程中，包括氨基酸在內(nèi)的生命有機(jī)分子會發(fā)生熱轉(zhuǎn)化生成穩(wěn)定態(tài)稠環(huán)芳香結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致其難以有效檢測，但這一發(fā)現(xiàn)仍讓我們對宇宙中有機(jī)質(zhì)的分布與演化有了更深刻的認(rèn)識。

未來，隨著天問三號等重大探測任務(wù)的逐步實(shí)施，人類對火星及其他遙遠(yuǎn)天體的探索步伐將更為堅(jiān)實(shí)與深入。也許在不久的將來，我們希望成功能夠揭開更多關(guān)于地外有機(jī)質(zhì)和生命起源的神秘面紗，甚至有望找到地外生命存在的關(guān)鍵證據(jù)?？茖W(xué)探索之路永無止境，每一項(xiàng)重大發(fā)現(xiàn)都是人類向著浩瀚未知宇宙邁進(jìn)的關(guān)鍵一步。讓我們共同期待，目睹更多的宇宙奧秘被一一揭開！