天文學的未來是生物學！｜迪米塔爾·薩瑟洛夫｜TEDxNatick

銀河系中是否存在外星生命？ 迪米塔爾描述了對外星生命積極搜尋的過程，並分享了實驗室中構建原初生命體的經歷。了解這場引人入勝的比賽——我們會在找到外星生物之前，從頭開始創造生物嗎？

薩瑟洛夫是哈佛大學天文學教授，也是哈佛生命起源計劃的主任。他發現了數百顆系外行星。 迪米塔爾是 TED 演講者及《超級地球的生命》（The Life of Super-Earths）的作者，他的研究專注天文學前衛新領域的開拓。

TEDx 由地區社群獨立舉辦，演講採 TED 大會形式。更多相關資訊：http://ted.com/tedx

我是一名天文學家，
研究恆星和行星。

天文學，從根源來說，

總是關於恆星、行星、星系——

總之就是宇宙。

但如果我告訴你，

天文學的未來是生物學呢？

是的，生物學。

我們來看看為什麼。

這是一個醞釀了 20 年的一段故事，

但在去年，情節達到了高峰，

所以我來分享其中一些內容。

首先，NASA 在九個月前
發射了一枚新的太空望遠鏡。

它叫 TESS 任務。

在此之前的太空望遠鏡，

是克卜勒任務。

我很榮幸參與了這兩者的工作團隊。

之前的太空望遠鏡，
也就是克卜勒任務，

引發了天文學領域的變革。

它的發現遠超我們的預期：

星系和宇宙中的行星
比恆星多得多。

它的觀測發現，

我們現今可以研究的行星

超過 3,500 顆，

並且這個數字還在增加。

但更重要地，

克卜勒任務的一個歷史性發現

顯示銀河系中五分之一的恆星

都有像地球一樣的行星的環繞。

五分之一的恆星！

這指向了一個驚人的事實：

銀河系中有十億至百億的行星。

TESS 任務是下一步。

三週前，

我們向世界展示了
首次計算出的行星數，

一開始並不很多，
但數字在快速增長，

在下個月、後十年，

還會再多出幾千顆。

這項天文學的全新發展

一開始就設定了一個明確的目標，

這個目標

就是搜尋太陽系外的生命，

也就是外星生物。

而 TESS 的任務

便是找到可供搜尋的行星。

那麼，我們要如何達成

在遙遠行星上發現生命
這樣遙不可及的目標？

答案是光譜學。

我們已經可以運用遙感技術

從遙遠行星大氣層的不同氣體中

尋找微弱訊號。

比如那些環繞其他恆星的系外行星，

現在看到的這個例子，

你會看到我們目前搜尋的特定氣體，

氧氣。

從地球生命發展的歷史中，

我們得知氧氣是一個很好的指標。

但此方法存在漏洞，

這是一個潛在問題：

如果其他星球上的生命
不遵循相同的歷史呢？

如果其他行星上的生命在生物化學的
構成基礎上有一點不同呢？

這些都很有可能。

那我們該如何應對呢？

於是我們組成團隊，
開展實驗室工作。

這個團隊由幾個實驗室組成，

試圖構建模擬生命體的化學系統，

像是活體細胞。

我們稱之為「超微人造原始細胞計畫」。

並且我們知道這個生命系統

必須包含三個基本子系統，

每一個子系統對應一種特定的分子，

分別是胺基酸、
核糖核苷酸和脂肪分子。

並且，這些分子不但要能自組裝，

還要能夠自修復

以及自複製，

就像我們所知的生命及其功能

使其繁衍和獨立存活。

於是，我們將注意力集中到
其中一種分子上，

那就是 DNA 的表親——RNA。

從病毒到大象，
地球上每種生物都有的 RNA。

我們所嘗試去做的，

便是探索 RNA 的自組裝過程。

用一種生物膜包裹，
並沿著薄膜進行自組裝。

因為我們知道 RNA 像 DNA 一樣，
攜帶細胞複製的訊息，

而在此遺傳功能之外，

還能在無需外界幫助的情況下

進行自我複製的生物功能。

這是 DNA 能不到的。

RNA 的這些功能
是 「初始 RNA 世界學說」的完美論據。

我們還知道，
假設系統中有某些紫外線，

RNA 就能很自然地進行自組裝。

那是英國的約翰·薩瑟蘭

在十年前的發現。

RNA 就像 DNA，是一種長鏈式分子，

它由四種基本單位

相連成一條鏈。

如果向系統提供紫外線，

它就會運用紫外線中的能量

來自行組成鏈狀結構。

我們運用這個知識做的第一件事，

是探索它對紫外線這種奇特的需求。

我們知道它需要紫外線的能量，

但問題是，它究竟需要哪種紫外線？

我們發現的第一件事，

是它需要一種特定的紫外線。

看看你們對紫外線瞭解多少。

當然囉，特別是在夏天，

為了防止被曬傷，

你們會塗防曬霜、戴太陽鏡。

也許你們細讀了產品標籤，

已經認識了紫外線 A、
紫外線 B、紫外線 C。

而 RNA 的自組裝，

也就是三種子系統分子的來源，

特別需要的是紫外線 C。

我們發現的第二件事，

是紫外線 C 到達了早期地球的表面。

這從地質記錄中可以看得出來，

於是我們又進了一步，

並期望其他類似地球的行星

也容許紫外線 C 到達地表，

同時紫外線 C 的能量
能供應自組裝的所需。

於是經過實驗，

我們成功地在合作的斯塔克實驗室

看到了人工環境下的自組裝。

這裡是 RNA 的組裝和生長——

就是那些包裹在
紅色膜囊泡中的綠色東西，

那些似乎孕育著原始細胞的小泡泡，

它們由那些在細胞外合成的基本單位

同時構建而成。

現在我們可以在第一步打個勾：

我們已經理解並成功觀察到了

所有必要組成單位的自組裝。

但我們還有兩步要完成。

活細胞最重要的特性
就是自身繁殖的能力。

為達成這個目的，

我們必須讓這些 RNA 鏈

以及其他分子能存活足夠的時間，

也因此，我們需要理解
自修復的機制。

自修復在生命中很常見。

事實上，這是生命體的關鍵特徵：

所有人都知道，
人體如此複雜的構造，

在劃傷後，傷口最終會自己癒合；

而此修復過程其實是在細胞層面，

甚至在更細微的個別細胞、
個別分子的層面進行。

如何理解單一分子的自修復呢？

為了弄懂，你必須要到實驗室裡

運用那些精密先進的設備。

左手邊的這個箱子

是用來複製早期太陽
或其他恆星的光線，

也就是我們說的紫外線 C。

右手邊的部分

是用來模擬行星狀況的樣本，

行星表面的狀況。

另外，

這個設備能讓我們看到
分子在所處自然環境中的狀況，

也就是在它們的自然時鐘當中，

它們所度過的每一天。

分子極其微小，
只有幾個原子那麼大，

所以，它們的一天

比我們的一天短得多，

非常短。

這就是為什麼在短短幾秒內，

我就重現了宇宙的整個歷史，

我把這個設備叫做
「箱子裡的宇宙」。（笑聲）

它能用來做什麼呢？

我能用它來

觀察分子的日常活動，

這是透過觀察它們的「指紋」——

還記得光譜學嗎？
每種分子都有特定的「指紋」，

但這一次，我觀察了一段時間，

經過分子時鐘的
一整天、一整年、十億年；

不過分子的一百億年的十億倍時間，
只等於我們的一秒，

事實上，比一秒還要短。

所以才叫做「箱子裡的宇宙」。

更重要的新發現是，

這揭示了

生命組成單位的合成與構建

能在實驗室中以幾秒、幾分鐘
或是一天的時間重現，

而不是像之前推測的幾百萬年。

現在，我們能在幾秒內
就看得到發生了什麼。

如果我們知道如何看，
如果我們看得夠快，

就能看到單個分子發生了什麼。

我們發現了一個驚人的現象：

化學創造了成百上千種分子，

但只有一些分子被選擇留下，

其他分子都被紫外線消滅了，

它們被破壞了，

因為只有少數分子能穩定合成，

以及更重要的，
在進程中生存和自修復。

猜猜這些分子是什麼？

我們身體中也有相同的分子，

RNA，DNA，胺基酸——

只有那 21 種穩定的胺基酸，

其他不穩定的分子就剝落，

只剩下存活的那些分子。

所以，這是我們第一次瞭解到，

由個別單體堆疊，也就是所謂的
鹼基堆疊成的鏈式分子，

像是 RNA 鏈，

會被紫外線破壞，

這是一個矛盾的過程——

你需要紫外線來合成它，

但同時紫外線也會

用這種紅色的電流來破壞它。

事實上它能夠自修復，

因為它能折疊形成雙螺旋結構。

這種折疊過程，
我們稱之為鹼基配對，

造就了分子修復的能力和其特性，

最終創造了生命。

我們到哪一步了？

自組裝和自修復達成，

瞭解了紫外線的矛盾作用——

你需要紫外線創造生命，
但它同時破壞生命。

但紫外線只會破壞不好的分子，
留下今天我們看到的這些。

最後一步，自複製，

看似難於登天的任務，

現在近在眼前，

因為我們已經有了自修復做基礎。

現在，我們總結目前已知的事實：

從實驗室中構建生命的角度來看，

我們的所知具有深遠的意義。

但這對天文學有什麼用？

讓我們回頭，

用天文學家的眼光看這一切。

這樣的話，你會看到線索，

指引我們往探索的目標方向前進。

第一，恆星上的紫外線創造生命，

啓示我們去尋找
發射足量紫外線 C 的恆星，

不是所有恆星都符合條件，

所以要尋找圍繞著這些恆星，
且表面由岩石構成的行星。

第二，行星本身

需要允許適量的紫外線 C 到達表面，

大氣中可以含有二氧化碳，

但過量的硫會阻擋紫外線。

這樣一來，

我們就成功地將研究的標的行星

縮小了搜索範圍。

就等 TESS 探索到附近新的行星，

我們就可以對它們進行光譜學研究。

由於克卜勒任務
揭示了行星數量之龐大，

這項研究的未來一片光明。

最激動人心的是，

在這個時代，我們將在有生之年

能夠回答——至少能夠嘗試回答

那個最大的問題：

我們在宇宙中是唯一
有生命的孤獨行星嗎？

我們都很幸運能生在此時。

謝謝大家。

（掌聲）