第七届青年地学论坛

地外是否存在生命？随着空间探索的展开，人类已经在火星上发现了复杂的有机分子。但是这些有机分子并不能成为火星现存生命的证据。到底什么才是生命系统的特殊特征？许多年来，大量研究人员一直致力于用严格的数学方法来描述生命系统。Boltzmann最早从热力学的角度来研究生命过程。Schrödinger后来试图将平衡热力学应用于生命系统，并指出：“生命以负熵为生”。随后的研究揭示出：生命系统是耗散系统，平衡热力学并不适用。Prigogine建立了非平衡热力学，并提出了线性区的最小熵产生原理。最小熵产生原理指的是：一个处于稳态的开放体系会维持在一个局部耗能最低的状态。从那时起，研究人员一直试图将非平衡热力学应用于生命系统。但是，最小熵产生定理只适用于线性热力学系统。生物系统作为一个不断演化的复杂系统，是否是由一系列协同反应构成的？是否存在局部线性、局部稳态甚至局部平衡？最小熵产生定理是否适用？
根据大量的理论计算及实验结果，Galimov从有机物的稳定碳同位素的角度提出了一些证据。有机化合物中，碳元素可以存在于分子内不同的位置，如乙醇中的甲基碳和羧基碳。不同位置上的碳具有不同的同位素组成（δ¹³C值）。Galimov发现：叶绿素的不同片段上，以及乙酰乙酸、丙二酸、柠檬酸和嘌呤生物碱的不同位置上的δ¹³C值，与理论计算获得的平衡碳同位素分馏因子（¹³β）之间存在一个线性关系，其回归系数在0.33-0.51之间。据此，他提出：当可逆生物化学反应处于稳态，且该稳态靠近平衡状态时，系统产生了这些接近平衡的¹³β-δ¹³C线性关系。这一线性关系可以证明最小熵产生定理在生命系统的适用性。同时，有机分子中的这种接近平衡的分子内同位素分布可以用来识别生物产生的地外有机分子（Galimov，2003）。Galimov的假说从提出起就遭受了大量的质疑。Buchachenko和Schmidt等研究小组认为：无论是否存在酶反应的完全可逆性，这些良好的¹³β-δ¹³C相关性都是一个偶然现象，不能作为生命系统处于局部近平衡状态的证据。更多的有机分子，如葡萄糖、尼古丁和托品中并未观测到¹³β值和δ¹³C值线性相关性。因此，¹³β-δ¹³C相关性暂时不能完全平息关于生命本质的争论。
在21世纪初期，受限于分析手段和计算能力，该研究进展非常缓慢。近年来，我国在大分子有机物的分子内同位素分馏系数的计算方法和位置特异性同位素测量手段上都获得了长足的进步。在可以预见的将来，有机分子的分子内同位素分布将会是解译生物化学过程，研究生命起源及演化，以及探索地外生命的极具潜力的工具。

碳同位素,生物化学,地外生命探测