瑞士科學家從在空中移動的直升機上,偵測到了生命的一個關鍵特性同質對掌性homochirality

生物分子對掌性

在你的臉面前伸出你的雙手。對多數人而言,它們會是彼此的鏡像複本。你可以將它們掌對掌地合在一起,而它們會配對得起來,但是你無法疊加它們。

分子也會顯現這種「慣用手」(handedness)特性,或是「對掌性」(chirality)。這些分子以兩種鏡像的、無法疊加的型態構成。而令人驚奇的是,在幾乎所有生物分子的兩種型態中,只有其中一種會在生命當中運作。

自然的胺基酸(amino acid),也就是蛋白質的構成單元,幾乎永遠都是「左撇子」,或是左旋(sinistral)。另一方面,自然的醣類,例如構成 RNA 及 DNA 的醣類,幾乎永遠都是「右撇子」,或是右旋(dextral)。如果你用另一種型態的分子取代原本的分子,整個系統都會崩潰。

這種奇異的偏好被稱作「同質對掌性」。我們並不確定它為何會發生,但是這個現象被認為是生命的關鍵特性。而現在,科學家從一台以時速 70 公里翱翔於 2 公里高度的直升機上,偵測到了分子同質對掌性。

生物特徵指標

你會問,為何要做這樣的事呢?這是為了在尋找外星生命時,觀察是否能夠在其他星球上偵測到分子同質對掌性。即使在地球上,能夠在高處測量這個訊號也會是有用的,因為它可以揭曉關於植物健康的資訊。

瑞士伯恩大學(University of Bern)的物理學家盧卡斯·派蒂博士(Lucas Patty)解釋:「當光被生物物質反射時,光電磁波的某一部分會以順時鐘螺旋或逆時針螺旋的方式傳播。這個現象稱作圓極化(circular polarization),是由生物物質的同質對掌性所導致。相似的光旋現象並不會由非生物成分所造成。

然而,正如你可能會預期的,這個訊號非常的薄弱。植物所造成的圓極化只佔了反射光的不到 1%。

改善量測儀器

一種可以偵測極化光訊號的儀器為分光偏振計(spectropolarimeter)。它使用特殊的感測器來分離極化光的部分。多年來,派蒂博士與他的團隊致力於一台高度敏銳的分光偏振計,來偵測植物的圓極化。這台儀器名為 TreePol,可以從數公里外確實地偵測圓極化。

現在,他們為了飛行而改良了 TreePol,使其配備有升級的光譜儀、以及為了光學元件而增添的溫度控制。這個新設計名為 FlyPol。

當派蒂博士與他的團隊帶著 FlyPol 升空至瑞士的塔維赫山谷(Val-de-Travers)及勒洛克勒(Le Locle)之上時,這些升級配備所帶來的改善立刻就變得很明顯。

伯恩大學以及 MERMOZ(Monitoring planEtary suRfaces with Modern pOlarimetric characteriZation,使用現代偏振示性以監測行星表面)計畫的天文學家喬納斯·屈恩博士(Jonas Kühn)說:「重要的進步是,這些量測是在移動且振動中的平台上所進行,而我們仍然在幾秒內就偵測到這些生物特徵。」

FlyPol 不僅僅只能夠從例如瀝青路等非生物表面獨立出圓極化訊號並且分辨它們而已。團隊也能夠使用它來分辨來自不同種類植被的訊號,例如草地、森林、甚至是湖中的藻類,都能夠從一台快速移動中的直升機上進行偵測。

未來目標

研究人員說,這可以開啟一個全新的方式來監測各種植被生態系統、甚至是珊瑚礁的健康。但是他們還沒有完善好技術。他們想要將儀器帶到時速大約 27,580 公里及高度 400 公里之處,即低空地球軌道(low Earth orbit)。

伯恩大學以及 MERMOZ 計畫的天文物理學家布萊斯-奧利維耶·德莫瑞教授(Brice-Olivier Demory)說:「我們希望進行的下一步是要從國際太空站(International Space Station,ISS)上進行類似的偵測。」

在這樣的高度,解析度並不會如此的佳,大概是 6 至 7 公里,但這能夠幫助研究人員完善它們的分光偏振計,並看看在更極端的狀況下,它運作得會有多好。

德莫瑞教授說:「這能夠讓我們評估行星規模生物特徵的可偵測性。這個步驟對於使用極化技術來搜尋我們太陽系內及太陽系外的生命而言具有決定性意義。」

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參考資料:

  1. Starr, M., (2021, June 21). A Key Property of Life Has Been Detected from High Altitude for The First Time. ScienceAlert
  2. Patty, C. H. L. et al., (2021, May 18). Biosignatures of the Earth I. Airborne spectropolarimetric detection of photosynthetic life. Astronomy & Astrophysics. doi.org/10.1051/0004-6361/202140845
  3. 圖片來源:https://www.sciencealert.com/scientists-have-detected-a-key-property-of-life-from-high-altitudes(圖:The University of Bern/Google Earth)
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