[论文解读] Transition metal abundance as a key parameter for the search of Life in the Universe

G. Covone, Donato Giovannelli|arXiv (Cornell University)|Jul 8, 2022

Photosynthetic Processes and Mechanisms被引用 6

一句话总结

本文主张过渡金属丰度是评估系外行星宜居性及地外生命潜力时一个此前被忽视的关键因素。通过将生命代谢能量获取与氧化还原酶中过渡金属催化的氧化还原反应相联系，作者提出，尤其是铁（Fe）、锌（Zn）、镍（Ni）和铜（Cu）等元素的可利用性，应成为选择系外行星目标进行天体生物学搜索的主要标准，从而从根本上扩展宜居性的定义，超越传统的碳氢氧氮磷硫（CHNOPS）、水和非平衡状态的范畴。

ABSTRACT

The search for Life in the Universe generally assumes three basic life's needs: I) building block elements (i.e., CHNOPS), II) a solvent to life's reactions (generally, liquid water) and III) a thermodynamic disequilibrium. It is assumed that similar requirements might be universal in the Cosmos. On our planet, life is able to harvest energy from a wide array of thermodynamic disequilibria, generally in the form of redox disequilibrium. The amount of different redox couples used by living systems has been estimated to be in the range of several thousands of reactions. Each of these energy yielding reactions requires specialised proteins called oxidoreductases, that have one or more metal cofactors acting as catalytic centres to exchange electrons. These metals are de facto the key component of the engines that life uses to tap into the thermodynamic disequilibria needed to fuel metabolism. The availability of these transition metals is not uniform in the Universe, and it is a function of the distribution (in time and space) of complex dynamics. Despite this, Life's need for specific metals to access thermodynamic disequilibria has been so far completely overlooked in identifying astrobiological targets. We argue that the availability of at least some transition elements appears to be an essential feature of habitability, and should be considered a primary requisite in selecting exoplanetary targets in the search for life.

研究动机与目标

• 通过将过渡金属可利用性作为生命的基本需求，重新评估宜居性的标准。
• 解决天体生物学中长期忽视特定过渡金属在驱动氧化还原代谢中作用的问题。
• 建立一个基于生物相关过渡金属丰度的系外行星目标优先级框架。
• 将天体物理学金属丰度数据与金属酶的生化约束相结合，以优化宜居带的定义。
• 论证仅存在热力学非平衡状态不足以支持生命，除非具备能够利用该非平衡状态的催化金属。

提出的方法

• 分析过渡金属（如Fe、Zn、Ni、Cu）作为氧化还原酶中关键辅因子的作用，这些酶驱动代谢中的氧化还原反应。
• 利用恒星和陨石的元素丰度数据，绘制过渡金属在原行星盘和行星系统等天体物理环境中的分布图。
• 将宿主恒星的观测金属丰度与通过核合成过程形成支持生命金属的行星系统的潜力相关联。
• 评估特定过渡金属在电子传递链和已知生命形式中代谢途径中的生化必要性。
• 将这些生化约束与星系中金属丰度演化及行星系统形成过程的天体物理模型相结合。

实验结果

研究问题

• RQ1 行星系统中过渡金属的丰度在多大程度上决定了生命出现并持续存在的可能性？
• RQ2 过渡金属在氧化还原酶中的催化作用在多大程度上限制了系外行星的宜居性，使其超出传统的CHNOPS、水和非平衡状态的标准？
• RQ3 哪些特定的过渡金属对实现基于氧化还原的代谢最为关键？其丰度如何可用于优先筛选系外行星目标？
• RQ4 过渡金属在天体物理环境中的分布与行星系统中复杂生命的出现之间存在何种相关性？
• RQ5 宿主恒星的金属丰度能否作为预测系外行星环境中生物相关过渡金属存在的有效代理指标？

主要发现

• 铁（Fe）、锌（Zn）、镍（Ni）和铜（Cu）等过渡金属是氧化还原酶中的关键辅因子，催化数千种驱动代谢的氧化还原反应。
• 这些金属在宇宙中的可利用性并非均匀分布，而是受复杂的天体物理过程（如核合成和行星吸积）所调控。
• 尽管这些金属在使生命能够利用热力学非平衡状态方面具有核心作用，但其丰度在天体生物学目标筛选中一直被系统性地忽视。
• 本文确立了金属可利用性是生命获取氧化还原非平衡能量的必要条件，因此是宜居性的首要要求。
• 作者提出，宿主恒星和行星系统的金属丰度应被整合进宜居带模型中，作为预测生命潜力的预测因子。
• 本研究通过将过渡金属丰度作为基本参数纳入宜居性定义，显著拓宽了天体生物学搜索标准的范畴。