關(guān)毅 (本刊特約記者)

50億公里的感悟

關(guān)毅 (本刊特約記者)

經(jīng)過8年、50億多公里的星際之旅，“黎明”號探測器終于飛抵谷神星，同時也一躍成為人類科學(xué)史上第一架環(huán)繞兩顆地外天體運行的航天器。正是這份堅持與執(zhí)著讓“黎明”號探測器“終成正果”，同時或許還能讓我們悟出些許道理。

科學(xué)家發(fā)現(xiàn)最古老恒星系統(tǒng)具有112億年歷史，包含5顆行星

天文學(xué)家日前發(fā)現(xiàn)了銀河系中已知最古老的一組行星，這5顆炙熱并且可能由巖石構(gòu)成的天體的年齡是太陽系的2倍多。對這一古老系統(tǒng)的進一步研究將為了解星系中行星形成的早期階段帶來曙光。這項發(fā)現(xiàn)說明，類地行星的形成遍布宇宙的幾乎整個歷史，為尋找外星生命提供新的線索。

英國伯明翰大學(xué)天體物理學(xué)家Bill Chaplin介紹說，這一行星系統(tǒng)的母星是開普勒-444，這是一顆距離地球117光年的與太陽類似的恒星，位于天琴座，個頭略小于太陽。開普勒-444非常明亮，用雙筒望遠鏡很容易找到。

Chaplin和他的同事對美國宇航局(NASA)的開普勒項目搜集的數(shù)據(jù)進行了幾年的分析研究，該空間望遠鏡通過對銀河系的一個區(qū)域進行觀測力圖發(fā)現(xiàn)與地球類似的行星。對于開普勒-444的研究似乎已經(jīng)讓科學(xué)家得了一個大獎。

總的來說，這5顆行星從其母星前掠過并形成了微弱的日蝕，從而透露了它們的存在以及大小，還有其環(huán)繞母星運轉(zhuǎn)的周期。所有的行星均位于距離開普勒-444約1200萬km的范圍內(nèi)，并且環(huán)繞母星運轉(zhuǎn)一周的時間不超過10天。(在太陽系中，水星與太陽的距離最近，為4600萬km。)

Chaplin指出，這5顆行星由于距離恒星太近而不可能位于星系的宜居帶中，因此它們的表面不可能存在生命。實際上，這些行星的表面溫度比水星熱得多，因此任何大氣或海洋可能在很久之前便隨著不斷汽化而消失了，只留下烤焦的巖石表面。

Chaplin說，距離開普勒-444最近的一顆行星的大小與水星相仿，而最遠的一顆行星則比金星或地球略小。其他3顆行星的大小與火星類似。

并未參與該項研究的哈佛大學(xué)天體物理學(xué)家Andrew Vanderburg表示：“在同一個遙遠的系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)5顆比地球還要小的行星，這真讓人感到不可思議?！?/p>

Chaplin指出，開普勒空間望遠鏡之前也曾在其他恒星的周圍發(fā)現(xiàn)了多行星系統(tǒng)。此次新發(fā)現(xiàn)的開普勒-444的不同之處在于其古老的年齡——這顆恒星大約有112億年的歷史。研究人員在2015年1月27日的《天體物理學(xué)雜志》網(wǎng)絡(luò)版上報告了這一發(fā)現(xiàn)。相比之下，宇宙的年齡是138億歲，而太陽系的歷史僅為46億年。

5顆行星緊密地圍繞具有112億年歷史的開普勒-444旋轉(zhuǎn)(圖片來源：TIAGO CAMPANTE)

為了估算開普勒-444的年齡，研究人員分析了恒星亮度的微弱變化——在一年的時間里，望遠鏡每一分鐘便會采集一次恒星的亮度數(shù)據(jù)。這些變化使得天體物理學(xué)家得以計算恒星內(nèi)部的音速，從而讓研究人員能夠推斷恒星內(nèi)部的氫氦比例——這是確定一顆恒星在其演化的過程中走了多遠的關(guān)鍵。天文學(xué)家認為，在我們的太陽系中，行星在太陽出現(xiàn)后很快便已形成。Chaplin說：“在地球形成的時候，這一恒星系統(tǒng)中的行星便已經(jīng)要比今日的地球更為古老。”

開普勒-444星系古老的年齡表明地球級別的行星在宇宙形成的極早期便有可能出現(xiàn)。對開普勒-444進行的光譜學(xué)分析揭示了這顆恒星缺乏鐵元素，因此環(huán)繞其運轉(zhuǎn)的行星也可能缺鐵。Chaplin推測，這些行星很可能主要由比鐵輕的元素構(gòu)成，例如碳、氮、硅和硫。

加利福尼亞州山景城NASA下屬埃姆斯研究中心天體生物學(xué)家Natalie Batalha表示，對這一古老星系以及與其類似星系的進一步分析，將有助于研究人員更好地模擬行星在銀河系以及整個宇宙中是如何以及何時形成的。

十位男性在當(dāng)今人口中留下遺傳印記相關(guān)世系出現(xiàn)與古代社會政治因素有關(guān)

目前全世界有數(shù)以百萬計的男性攜帶著成吉思汗的遺傳特征，這個著名的蒙古統(tǒng)治者死于1227年。研究人員如今發(fā)現(xiàn)，還有10位男性以其旺盛的生育能力在今天的人口中留下了持久的烙印。這項研究表明，是一些社會政治因素促成了這樣的世系，但這些留下遺傳印記的男性的身份依然是一個謎。

成吉思汗的遺傳“遺產(chǎn)”案例曾令世人矚目。由如今在英國欣克斯頓市威康信托基金會桑格研究所任職的進化遺傳學(xué)家Chris Tyler-Smith率領(lǐng)的研究團隊在2003年發(fā)表的一篇論文中指出，橫跨亞洲的16個族群中8%的男性(以及全世界0.5%的男性)共享了近乎完全相同的Y染色體序列。存在于這些人脫氧核糖核酸(DNA)中的變異表明，這一世系起源于約1000年前的蒙古。

據(jù)《自然》雜志報道，成吉思汗以擁有數(shù)百名后代而聞名于世。但與法國圖盧茲市薩巴蒂大學(xué)遺傳學(xué)家Patricia Balaresque一道主持這項最新研究的萊斯特大學(xué)遺傳學(xué)家Mark Jobling表示，一個Y染色體世系則需要在一個更大的家譜中追隨一個單一的父系，并且在擴散于廣闊地理區(qū)域內(nèi)的數(shù)代人中留下持久的遺傳印記。

Jobling指出：“偶爾有很多男人會擁有很多兒子。但一般情況下，這些‘兒子’自身擁有大量兒子的可能性并不是太高。你必須有一個強化的過程?！苯⑦@樣成功的血統(tǒng)往往取決于社會制度，即允許有權(quán)勢的男人與眾多女性生育后代。

除了成吉思汗和他的男性后裔，研究人員之前曾識別出其他兩個高成功率Y染色體世系的創(chuàng)始者—— 一個是死于1582年的中國滿族統(tǒng)治者覺昌安；另一個則屬于愛爾蘭中世紀的Uí Néill王朝。

在這項新的研究中，Jobling的團隊通過對橫跨亞洲的127個族群中5000多名男性的Y染色體進行分析，從而對這些人的遺傳奠基人進行了一次系統(tǒng)搜索；研究人員之所以將目光聚焦在這一區(qū)域，是因為這里有許多可用的數(shù)據(jù)，并且在亞洲已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了類似世系的證據(jù)。

研究人員最終發(fā)現(xiàn)，有11個Y染色體序列分別占據(jù)了5321個基因組中的20多個基因組。研究人員利用共享序列中的DNA差異以及隨時間積累的隨機突變，大致確定了這些世系的創(chuàng)始者生活在什么年代。同時，通過假定創(chuàng)始男性曾生活在他們的基因型最為普遍和多樣化的地區(qū)，從而追溯了世系的地理源頭。

Jobling的研究團隊在《歐洲人類遺傳學(xué)雜志》上報告指出，正如覺昌安一樣，成吉思汗的父系血統(tǒng)再次站了出來。

烏蘭巴托的成吉思汗雕像(圖片來源：Michael Kohn/EPA/Corbis)

研究人員鑒別發(fā)現(xiàn)，其他9個世系的起源遍及從中東到東南亞的整個亞洲地區(qū)，并且在時間上可以從公元700年追溯到公元前2100年。Jobling警告說，這些年代數(shù)據(jù)存在巨大的誤差范圍，但他強調(diào)，對于這些世系的估算與之前在成吉思汗和覺昌安中所使用的方法類似。

研究人員指出，生活在公元前2100年至公元前300年的遺傳創(chuàng)始人存在于中東地區(qū)、印度、東南亞和中亞的農(nóng)業(yè)社會及游牧文化之中。他們的年代與等級體系在亞洲青銅器時代出現(xiàn)的時間相一致，例如巴比倫人。較近的3個世系則全部與中國東北部地區(qū)及蒙古的游牧民族有關(guān)。它們包括與覺昌安和成吉思汗有關(guān)的兩個世系以及可回溯到公元850年的第三個世系。研究人員鑒別出第三個850年世系的幾個候選者，但他們表示還需要進行更多的研究。

“尋找這些聯(lián)系是迷人的。我們做的時候使用的是非常間接的推理，你可以嘗試對每個世系這樣做。”Tyler-Smith說，“我真的希望有人會找到成吉思汗墓和遺骸。”

美發(fā)射土壤水分監(jiān)測衛(wèi)星有助于提高天氣預(yù)報、洪水預(yù)警和干旱監(jiān)測的準確率

在全球范圍內(nèi)，土壤保持著地球的一小部分水分。然而這些水分在水、碳和能量的循環(huán)過程中依然是一個至關(guān)重要的方面：它決定了一個地區(qū)對于干旱及洪澇的敏感程度，決定了植物能否很好地生長并吸收大氣中的碳，同時還決定了地球的升溫與冷卻——這是暴風(fēng)的一個關(guān)鍵驅(qū)動因素。然而在大多數(shù)情況下，土壤水分的監(jiān)測一直依賴于稀疏設(shè)置在地面上的探測器。美國劍橋市麻省理工學(xué)院(MIT)水文學(xué)家Dara Entekhabi表示：“在一個氣候模型中對3個最大循環(huán)進行模擬曾完全是一種幻想?！?/p>

然而于2015年1月29日發(fā)射升空的美國宇航局(NASA)的土壤水分活動探測器(SMAP)——一枚價值9.16億美元的人造衛(wèi)星——將使這一切發(fā)生改變。

SMAP是美國地球科學(xué)家承擔(dān)的一項高優(yōu)先級任務(wù)，該任務(wù)將在每2～3天、以10 km的分辨率生成一個土壤水分的全球地圖，從而有助于提高天氣預(yù)報、洪水預(yù)警和干旱監(jiān)測的準確率。

作為這一項目的科學(xué)團隊負責(zé)人，Entekhabi表示：“這是人們從光學(xué)遙感觀測的初期便開始追求的一個重要目標(biāo)?！?/p>

這顆衛(wèi)星看起來像是科幻小說中描述的一個奇妙裝置——在一個像套索般的長長吊桿的頂部旋轉(zhuǎn)著一個直徑6 m的碟形天線。

據(jù)介紹，當(dāng)人造衛(wèi)星到達預(yù)定軌道后，吊桿將伸長，同時碟形天線也將完全展開。這架碟形天線由鍍金的鉬帶制成，其作用相當(dāng)于人造衛(wèi)星上兩個裝置—— 一個雷達和一個輻射計——的反射器。該雷達能夠自主工作，即隨著向碟形天線發(fā)射的脈沖被彈回地球，進而監(jiān)測來自地面的反射。

與輻射計相比，雷達具有更高的分辨率，卻很難穿透植物，而前者能夠探測到由土壤自身釋放的輻射——盡管其分辨率較低，但受到的干擾也相對較少。

總的來看，SMAP裝載的兩件設(shè)備與歐洲空間局(ESA)的土壤水分和海洋鹽分(SMOS)人造衛(wèi)星相比是一個巨大的進步，后者于2009年發(fā)射升空，并且只攜帶了一個輻射計。

荷蘭諾德維克市歐洲空間研究與技術(shù)中心項目科學(xué)家Matthias Drusch表示，目前，來自SMOS的數(shù)據(jù)已經(jīng)被并入加拿大氣象局和歐洲中期天氣預(yù)報中心的天氣預(yù)報當(dāng)中。他說：“通常來說，這些數(shù)據(jù)并不關(guān)注土壤中的水分?！?/p>

NASA的SMAP項目將對地球土壤濕度進行監(jiān)測(圖片來源：NASA/JPL)

但Drusch指出，SMOS的分辨率是相當(dāng)粗糙的30～50 km，并且SMOS團隊同時很難消除來自軍用和民用雷達的干擾。為了避免這個問題，SMAP則采用了監(jiān)聽一些窄無線電頻帶的方式。其中一些頻帶可能受到無線電干擾，但不太可能出現(xiàn)所有頻帶在任何時段都被干擾的情況。

來自SMAP的數(shù)據(jù)將有助于改善美國農(nóng)業(yè)部的干旱預(yù)報能力，同時對美國國家氣象局的洪水預(yù)警提供指導(dǎo)。

與此同時，科學(xué)家仍有很多問題需要回答。例如，土壤水分如何對暴雨的運行機制產(chǎn)生影響？風(fēng)暴需要大氣與對流中的水分相結(jié)合，從而驅(qū)動暴風(fēng)云的抬升。來自潮濕土壤的水分蒸發(fā)會導(dǎo)致一種被稱為回收降水的現(xiàn)象，但這里還有一個負面的反饋，因為蒸發(fā)會冷卻地球，進而抑制驅(qū)動對流所需的熱量。

Entekhabi指出，風(fēng)暴可能在10 km的長度尺度下交替需要干燥與潮濕的土壤——一個用來增加大氣濕度，另一個用來增加對流能量，而SMAP所具有的分辨率正好可以用來驗證這一想法。

據(jù)悉，該衛(wèi)星于當(dāng)天在加利福尼亞州范登堡空軍基地由德爾塔2型火箭發(fā)射升空。

歐洲“迷你航天飛機”實現(xiàn)新突破

法國巴黎時間2015年2月11日，歐洲航天局(歐航局)用于驗證大氣層再入技術(shù)的“迷你航天飛機”——過渡試驗飛行器(縮寫為IXV)成功發(fā)射升空，并沿軌道飛行約1小時40分后成功返回地球。這標(biāo)志著歐洲在航天器再入返回技術(shù)上實現(xiàn)新突破。

一枚“織女星”運載火箭當(dāng)天搭載這一試驗飛行器從法屬圭亞那庫魯航天中心發(fā)射升空。飛行器在距地球表面約320 km的高度與火箭分離，然后借助自身的推進器爬升至距離地面約412 km的軌道最高點。隨后，飛行器開始再入大氣層，并在這一過程中用所攜帶的300多個傳感器收集有關(guān)溫度、壓力、負荷、空氣熱動力等方面數(shù)據(jù)。

歐航局說，飛行器在飛越地球大半圈后，借助降落傘下降，成功按計劃濺落在太平洋中加拉帕戈斯群島以西海域。飛行器經(jīng)打撈回收后將被送至歐航局位于荷蘭的技術(shù)中心進行詳細分析檢驗。有關(guān)本次飛行試驗的初步研究結(jié)果預(yù)計將在一個半月后發(fā)布。

歐航局局長讓-雅克?多爾丹(Jean-Jacques Dordain)說，這次試驗的成功為歐航局大氣層再入技術(shù)和可重復(fù)使用航天器的研發(fā)事業(yè)開啟了新篇章。

這個大小接近一輛轎車的小型航天器由泰雷茲-阿萊尼亞宇航公司設(shè)計、制造并組裝。它的外形酷似縮小版的美國航天飛機，具有氣動升力設(shè)計，并配備了先進的制導(dǎo)、導(dǎo)航和控制系統(tǒng)。

在驗證飛行器的控制系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)以及空氣動力學(xué)等方面設(shè)計和功能的同時，此次試驗還重點對飛行器外層隔熱防護性能進行測試。由于飛行器在重返大氣層過程中需承受超高溫度，采用陶瓷和燒灼材料制成的隔熱防護系統(tǒng)能避免飛行器被高溫灼燒受損。

歐航局的“過渡試驗飛行器”計劃在2002年提出，耗資近1.5億歐元，是歐洲研發(fā)先進自動航天運輸系統(tǒng)的重要試驗。盡管此前歐洲在航天器發(fā)射入軌和太空系統(tǒng)操作領(lǐng)域處于世界領(lǐng)先地位，但在航天器再入返回技術(shù)方面仍落后于美國和俄羅斯。

負責(zé)這一計劃的喬治?圖米諾此前曾說：“我們還未能完全掌握針對航天器入軌、在軌操作和從軌道返回地球這一全套技術(shù)。而過渡試驗飛行器計劃的首要目標(biāo)就是要取得這類項目的相關(guān)經(jīng)驗——獲得令飛行器從軌道返回地球的能力?！?/p>

歐洲航天局的過渡試驗飛行器發(fā)射升空(圖片來源：ESA)

航天器再入返回技術(shù)是開發(fā)可重復(fù)使用運載火箭、進行地外天體采樣并返回以及載人航天飛行的基礎(chǔ)，同時對歐洲未來進行地球觀測、微重力研究、衛(wèi)星維護等工作具有重要現(xiàn)實意義。目前，歐洲的阿麗亞娜5型火箭和正在“醞釀”中的阿麗亞娜6型火箭均屬于一次性運載火箭。一旦歐洲具備使火箭部分層級在發(fā)射后返回地球并重新利用的能力，將大大降低空間發(fā)射任務(wù)的成本，并提升地區(qū)航天業(yè)的國際競爭力。

“黎明”號到達谷神星成為第一架環(huán)繞兩顆地外天體運行的航天器

2015年3月6日，小行星谷神星把美國宇航局(NASA)的“黎明”號探測器拽入自己的引力懷抱。迄今為止，直徑接近1000 km的谷神星是人類在太陽系中尚未探測過的最大天體之一，而這顆原行星同時也有望為科學(xué)家揭示幾十億年前關(guān)于水的秘密。

“黎明”號探測器如今已經(jīng)在谷神星北半球的一個92 km寬的隕石坑中發(fā)現(xiàn)了兩個亮斑。它們可能是太陽光在冰面——這是行星科學(xué)家期望能夠在這顆小行星上找到的東西——上形成的反光。但解釋為什么這里有不止一個亮斑將成為有關(guān)谷神星的第一個大謎團。

“黎明”號項目副首席研究員、加利福尼亞州帕薩迪納市噴氣推進實驗室(JPL)行星科學(xué)家Carol Raymond表示：“谷神星真的讓我們感到非常驚訝?！?/p>

由電離氙提供動力的“黎明”號探測器于2007年開始了飛往谷神星的航程。

2011—2012年，“黎明”號探測器到達了自己的第一個中轉(zhuǎn)站——另一顆大型小行星灶神星，進而發(fā)現(xiàn)這顆小行星是一個有趣的天體，其間遍布高聳的山脈并覆蓋著含水的礦物質(zhì)。

科學(xué)家希望“黎明”號探測器能夠揭示谷神星上兩個神秘亮斑的秘密(圖片來源：NASA)

在達到谷神星后，“黎明”號探測器成為了第一架環(huán)繞兩顆地外天體運行的航天器。如果使用傳統(tǒng)推進器，“黎明”號探測器將無法造訪這兩顆天體。它的主要目標(biāo)之一便是探索這顆巨大小行星中的水。

天文學(xué)家利用NASA的哈勃空間望遠鏡進行觀測后認為，谷神星膨脹的方式表明其冰凍的外殼下包裹著一顆巖石內(nèi)核。2014年，科學(xué)家利用歐洲空間局(ESA)的赫歇爾空間望遠鏡報告說發(fā)現(xiàn)谷神星噴出了水蒸氣。這些水分或許可以回溯到太陽系形成時的45億多年前。

JPL行星科學(xué)家Julie Castillo-Rogez指出，谷神星的原始海洋可能會從圍巖中萃取鹽分。隨著小行星的冷卻，水開始凍結(jié)，進而濃縮了液體中保留的鹽分。這也就意味著谷神星曾經(jīng)擁有——甚至依然存在—— 一個埋藏的咸水海洋。天體生物學(xué)家推測，那樣的地方有可能存在地外生命。

“黎明”號探測器將利用一種紅外儀器繪制谷神星表面礦物質(zhì)圖。尋找到鹽分將會支持那里存在一個海洋的假設(shè)。參與該項工作的Castillo-Rogez表示：“我真的非常興奮?！?/p>

“黎明”號探測器于2007年9月發(fā)射升空，開始長達8年超過50億 km的星際探索之旅。它在2011年7月進入灶神星軌道，對其展開了14個月的探測，采集了關(guān)于灶神星的珍貴數(shù)據(jù)和圖像。

這架斥資4.73億美元的探測器將在距離谷神星表面375 km的軌道上運行。其初始任務(wù)將持續(xù)至2016年6月。此后，“黎明”號探測器將在一條不確定的軌道中漂浮，成為谷神星的一顆人造衛(wèi)星。

中國發(fā)現(xiàn)地球最古老原始動物化石

由中國科學(xué)院南京地質(zhì)古生物研究所牽頭的一個課題組于2015年3月9日報告說，新發(fā)現(xiàn)的一枚米粒大小的化石顯示，至少6億年前地球上已出現(xiàn)原始動物。這是迄今全球發(fā)現(xiàn)的最早且可信的原始動物實體化石。

由南京地質(zhì)古生物研究所研究員朱茂炎領(lǐng)銜的課題組當(dāng)天在美國《國家科學(xué)院學(xué)報》上說，他們在中國貴州省“甕安生物群”中發(fā)現(xiàn)了一枚原始海綿動物化石，雖然體積只有2～3 mm3，但其歷史已達6億年，它被命名為“貴州始杯海綿”。

朱茂炎說：“這一發(fā)現(xiàn)將消除學(xué)界對6億年前地球上是否出現(xiàn)動物的疑問?！?/p>

據(jù)介紹，該化石保存在白云質(zhì)磷塊巖中，研究人員使用化學(xué)溶蝕法將白云質(zhì)圍巖(圍巖是某種地殼物質(zhì)周圍的巖石)剝離后得到了完整的化石標(biāo)本。然后研究人員使用三維無損成像法，在不破壞化石的前提下觀察了它的三維結(jié)構(gòu)。

研究顯示，化石整體外觀呈纏繞的管狀，由3個獨立的腔室和它們共用的一個實體基座組成，每個腔室都有一個向上的開口。該生物體已發(fā)生明顯的細胞分化，具有與現(xiàn)代海綿動物相似的表皮細胞和領(lǐng)細胞(位于體腔壁內(nèi)層、帶有鞭毛的一種細胞)結(jié)構(gòu)，其表面細胞之間還發(fā)育了數(shù)量眾多的小孔，這些小孔直通有開口的腔室，和腔室一起形成簡單的水溝系統(tǒng)，為生物體提供與外界進行物質(zhì)交換的通道。

論文第一作者殷宗軍博士說：“這些生物學(xué)特征表明它是一種與現(xiàn)代海綿動物非常相似的原始動物，能固著在淺水區(qū)的海底通過簡單的水溝系統(tǒng)進行濾食生活。”

海綿動物是整個動物界中最原始的類群，它們沒有真正的組織和器官，只有分化的細胞。朱茂炎說，以前發(fā)現(xiàn)的可靠海綿化石是寒武紀早期的海綿骨針化石，距今約5.3億年，因此本次發(fā)現(xiàn)把海綿動物的化石記錄向前推進了7000萬年。對于此前某些媒體報道過的寒武紀之前的海綿化石，他認為“均不可靠，因為那些化石沒有保存海綿動物典型的特征構(gòu)造”。

甕安生物群位于貴州甕安縣境內(nèi)，距今已有約6億年歷史。多年的研究發(fā)現(xiàn)，甕安生物群主要由多細胞藻類、大型帶刺疑源類(即具備有機質(zhì)壁但不能歸入已知生物門類的生物)和后生動物(即草履蟲等原生動物以外的動物門類)胚胎等多種化石組成，但此前所發(fā)現(xiàn)的動物化石標(biāo)本以未分裂的受精卵和早期分裂的動物胚胎為主，沒有找到可靠的動物成體化石，這使得一些學(xué)者對甕安生物群中胚胎的動物屬性提出質(zhì)疑。

新發(fā)現(xiàn)的原始海綿動物化石(圖片來源：ZONGJUN YIN)

朱茂炎解釋說：“‘貴州始杯海綿’是保存細胞結(jié)構(gòu)的三維動物成體化石，不是胚胎期化石，該動物的細胞組織結(jié)構(gòu)清晰易辨，終于使得甕安生物群中是否有真正的動物化石這一疑問有了一個肯定的答案?！?/p>

土衛(wèi)二熱泉成首個地外熱液活動例證專家建議發(fā)射探測器尋找生命跡象

在土星的衛(wèi)星土衛(wèi)二地表下埋藏的海洋中，似乎正有熱泉從底部噴出。這一發(fā)現(xiàn)——這也是在地球之外發(fā)現(xiàn)的首個熱液活動的例證——很可能會支持向這顆星球發(fā)射探測器以尋找生命跡象的努力。

由美國及歐洲航天機構(gòu)合作開發(fā)的“卡西尼”號探測器已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在土衛(wèi)二上流淌著富含硅的微小顆粒，這些微粒的直徑為5～10 nm。行星科學(xué)家在3月12日出版的《自然》雜志上報告了這一研究成果。

這些微粒的大小和化學(xué)構(gòu)成表明它們來自在這顆衛(wèi)星的海洋與底層的巖石交匯處發(fā)生的熱液活動。

這意味著有壯觀的水柱從土衛(wèi)二上噴出，這一現(xiàn)象幾乎可以肯定與那些地表深處的熱泉有關(guān)。

幫助主持這項研究的美國博爾德市科羅拉多大學(xué)行星科學(xué)家Hsiang-Wen Hsu表示：“我們注意到，在土衛(wèi)二表面發(fā)生的事情實際與其地表下的海洋有關(guān)。”他說：“并且至少有一部分地下海洋是相當(dāng)溫暖的，事實上那里現(xiàn)在正存在著活躍的熱液活動?！?/p>

在地球上，水與巖石在水下的熱泉中相互作用從而產(chǎn)生了對生命友好的化學(xué)物質(zhì)——細菌和其他生物正好能夠在這里茁壯成長。美國、歐洲和日本正在開發(fā)中的幾項探測器計劃都打算在土衛(wèi)二的水柱中尋找生命的跡象。

造訪土衛(wèi)二是科學(xué)家最近幾年才有的想法。

2009年，研究人員報告說在土星的一個著名的光環(huán)中發(fā)現(xiàn)了鹽粒，而這個光環(huán)便是由來自土衛(wèi)二的微粒所形成的。2011年，這些研究人員假設(shè)，這些微粒來自于土衛(wèi)二上的一個由鹽水構(gòu)成的海洋；而2014年，另一個研究團隊利用來自“卡西尼”號探測器的引力測量確定了土衛(wèi)二存在地表下的海洋。

如今，Hsu的研究團隊描述了一些不但含鹽并且含有二氧化硅的微粒。這一發(fā)現(xiàn)非常重要，因為它意味著熱泉現(xiàn)在非?；钴S，并且并非僅僅是在過去的某一時刻曾經(jīng)存在。

Hsu表示：“如果你找到了鹽，這可能意味著水正在與巖石中的物質(zhì)發(fā)生接觸?！卑l(fā)現(xiàn)硅表明水與巖石正在進行相互作用，并且是在相當(dāng)高的溫度下。

Hsu及其同事還進行了實驗室實驗，旨在探討微小的硅粒子是在什么條件下形成的。

研究人員認為，二氧化硅微粒是部分巖石成分在高溫水中溶解后又急劇冷卻時出現(xiàn)的。地球上的溫泉和從海底涌出的熱水中也含有二氧化硅微粒，因此在土衛(wèi)二的巖石質(zhì)海底，很可能與地球海底一樣，有高溫?zé)崴畯牧芽p中噴出。

在地球海底的熱液噴口，有被地?zé)峒訜岬綌?shù)百攝氏度的水噴出，地球最初的生命誕生時，很可能以這種熱水中含有的硫化氫為食。

研究人員在不同的溫度下將含有鹽、氨及其他化學(xué)物質(zhì)的巖石物質(zhì)粉末進行了混合。他們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溫度到達90oC或更高后，在略微呈堿性的水中便能夠形成硅石微粒。研究人員指出，在冰面以下約50 km深處的海底，如果有90oC以上的熱水從巖石縫隙中噴出，就可以生成二氧化硅微粒。

在土衛(wèi)二上，硅石微粒很可能從熱泉中沉淀析出，隨后被凍結(jié)的液滴所捕獲并從海底向上升起。它們作為羽狀物的一部分向上噴出，最終落入環(huán)繞土星的軌道中； 而還有一些則從那里逃入太空，就像“卡西尼”號探測器所觀測到的那樣。

士衛(wèi)二內(nèi)部結(jié)構(gòu)藝術(shù)圖(圖片來源：NASA/JPL-Caltech)

博爾德市空間科學(xué)研究所行星科學(xué)家Carolyn Porco表示，新的發(fā)現(xiàn)是有關(guān)土衛(wèi)二的海洋中到底正在發(fā)生著什么的另一條線索。“它告訴我們在土衛(wèi)二的海底有可能存在生命棲息地——地球上存在的生物也有可能存在于土衛(wèi)二上?！彼f，“土衛(wèi)二上到底有沒有生命是一個價值6400萬美元的問題?！毖芯咳藛T認為，在地球海底有熱水噴出的地點，棲息著多種微生物，被認為是生命誕生的場所之一，土衛(wèi)二上應(yīng)該也有類似的地點。

Porco與其他研究人員剛剛向美國宇航局(NASA)遞交了一份提案，建議開展一項“土衛(wèi)二生命探測器”任務(wù)，即發(fā)射一架在土衛(wèi)二的羽狀物中尋找有關(guān)生命的化學(xué)跡象的探測器。

與此同時，“卡西尼”號探測器在2017年最終投入土星的懷抱之前，將在今年年底3次近距離飛越土衛(wèi)二。

土衛(wèi)二直徑約500 km，被厚厚的冰層覆蓋著。不過在土衛(wèi)二南極厚達30～40 km的冰層下，存在著深10 km左右的液態(tài)海洋。從冰層的裂縫中，還不時有水像間歇泉那樣噴出。

人類或攜帶145種其他生物基因該發(fā)現(xiàn)對于理解水平基因轉(zhuǎn)移具有重要意義

你可能并非一個完整意義上的人，至少就細胞內(nèi)的遺傳物質(zhì)而言是這樣。你——以及其他每個人——可能都攜帶了多達145個基因，而后者來自細菌、其他單細胞生物體以及病毒，并把人類基因組當(dāng)作了自己的家。

這一結(jié)論來自一項新的研究，它提供了迄今為止最廣泛的證據(jù)，表明在生物的進化歷史中，來自生命其他分支的基因最終成為了動物細胞的一部分。

人類細胞中的DNA 除了由父母遺傳而來，還有一些源自其他生物體(圖片來源：VITALIY SMOLYGIN/ISTOCK)

“這一發(fā)現(xiàn)意味著生命之樹并不是由完美的分支世系構(gòu)成的一棵一成不變的大樹。”這篇新論文的一位作者、英國劍橋大學(xué)生物學(xué)家Alastair Crisp表示，“事實上，它更像那些亞馬遜絞殺植物無花果的一種，所有的根系都糾纏與交錯在一起?！?/p>

科學(xué)家已經(jīng)知道水平基因轉(zhuǎn)移——除了親代向子代遺傳之外的遺傳信息在生物體之間的流動——在細菌和其他簡單的真核生物中是司空見慣的事。例如，這一過程使得生物體能夠迅速共享一組耐抗生素基因，從而適應(yīng)一種抗生素。

然而基因是否能夠被水平轉(zhuǎn)移到更高等的生物體內(nèi)——例如靈長類動物——卻一直存在爭論。就像在細菌中那樣，研究人員提出，動物細胞能夠整合以脫氧核糖核酸(DNA)小片段引入或被病毒帶入細胞的外來遺傳物質(zhì)，但想要證明人類基因組中有一些DNA最初來自于其他生物體是非常困難的。

Crisp及其同事分析了來自40種不同動物的基因組序列，其范圍從果蠅和蛔蟲到斑馬魚、大猩猩和人類。

對于基因組中的每一個基因，研究人員都搜索了已有的數(shù)據(jù)庫，以便在其他動物之間以及非動物之間找出最近的匹配基因，其范圍包括植物、真菌、細菌和病毒。

當(dāng)一種動物的基因更加密切地匹配一種非動物基因而非其他任何動物基因時，研究人員便會展開更進一步的研究，利用計算方法確定初始數(shù)據(jù)庫搜索是否曾錯過了一些東西。

總的來看，研究人員最終確定了數(shù)百種似乎從細菌、古生菌、真菌、其他微生物和植物轉(zhuǎn)移給動物的基因。

研究人員日前在《基因組生物學(xué)》雜志網(wǎng)絡(luò)版上報告了這一研究成果。

對于人類而言，研究人員發(fā)現(xiàn)了145種看起來源自更簡單的生物體的基因，其中包括17例之前曾報道過的水平基因轉(zhuǎn)移現(xiàn)象。

“我認為這一發(fā)現(xiàn)表明，基因水平轉(zhuǎn)移不僅局限于微生物之間，同時也在許多動物的進化中起到了重要作用。”Crisp說，“甚至可能是所有動物?！?/p>

Crisp指出，對于如今在新陳代謝、免疫應(yīng)答和基礎(chǔ)生物化學(xué)過程中扮演重要角色的這些基因如何被轉(zhuǎn)移，或者轉(zhuǎn)移的確切時間表，這篇論文并沒有提供任何線索。這都需要進行更多的研究。

美國伊利諾伊州芝加哥市西北大學(xué)費恩伯格醫(yī)學(xué)院分子生物學(xué)家Hank Seifert認為，這一發(fā)現(xiàn)對于理解生物進化是至關(guān)重要的。

“這是一篇非常出色的論文。研究人員使用了他們能夠找到的所有最新的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)庫中的所有基因組。”Seifert說，“這使它比以往對于貫穿生物進化的生物體之間基因轉(zhuǎn)移的歷史的認識更為透徹?！?/p>

然而并非所有科學(xué)家都認為這些新證據(jù)是毋庸置疑的。

加利福尼亞大學(xué)戴維斯分校微生物學(xué)家Jonathan Eisen表示：“我在這里并沒有看到多少關(guān)于水平基因轉(zhuǎn)移的特別令人信服的證據(jù)?！?/p>

Eisen并不排除水平基因轉(zhuǎn)移在細菌和動物之間是有可能發(fā)生的，但是他說，對于所確定的基因只出現(xiàn)在進化樹的一些分支上還有其他的解釋，例如一個存在于遙遠祖先中的基因可能只是在除了兩個看似不相干的物種之外的許多親屬中簡單地丟失了。

Eisen表示：“它只是由研究人員排除其他后得到的更合理的選擇，而我只是不認可他們所做的?！?/p>

(2015年3月19日收稿)■

(編輯：溫文)

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GUAN Yi

10.3969/j.issn.0253-9608.2015.02.010