林志忆生命的基础成分是如何在太空中形成的？-果壳科学人
林志忆
在NASA的艾姆斯研究中心悬挂的一幅壁画中描述了地球上生命的出现。 图片来源：NASA Ames Research Center
复杂的有机分子是生命的基础成分，从许多天文观测中我们得知，它们并非独为地球所有——在恒星附近的星际介质、彗星、甚至太阳系里的许多行星卫星上，都有着大量自然形成的有机生物分子。
然而，这些分子的形成途径是科学家仍在研究的课题。虽然说目前我们还未在太空中发现生命的踪迹，但通过多种探测设备（高度灵敏的射电或光学望远镜，或太阳系中的航天探测器）所检测到的这些分子的多样性与丰度，似乎暗示着它们可以合成于太空之中。
在这些复杂的有机分子中，已在星际介质、彗星和陨石中发现的甘氨酸（glycine：H?N-CH?-COOH）是蛋白质中最简单的一种氨基酸，它对陆地生物来说是必不可少的成分。目前的一种假说是，这种复杂的有机分子或许是通过各种天体物理冰的辐射和热过程产生的。它们可以是在星际介质中那些密集且寒冷的（10-20 K）分子云里的尘埃颗粒周围凝聚的覆盖物，或存在于太阳系中彗星、行星及其卫星上的结冰物体的表面。在所有的这些情况下，由水、二氧化碳、氨、甲烷等简单分子构成的冰，都暴露于多种辐射场（紫外线，X射线或、伽马射线、高能电子、质子、宇宙射线）之下。
迄今为止，大部分在实验室里进行的天体化学研究，都集中在由紫外线辐射引发的化学反应的过程上。这是因为嵌入星际介质中的许多恒星会辐射出大量的紫外线，高能宇宙射线也会从丰富的氢分子中生成紫外线辐射，因而产生的H·和CH3O等自由基继而推动了星际介质中结冰粒子的后续化学反应。
另外人们普遍认识到，当宇宙射线粒子、恒星风粒子、X射线、伽马射线等一系列高能辐射与凝聚物相互作用时，会衍生出大量的次级非热电子。其中大多数为能量低于100eV的低能电子，与光子相比，它们能激发出非常不同的电子态，并能展现出更大的相互作用截面。
因此，人们对低能电子在天体物理冰的辐射过程中所扮演的角色越来越感兴趣。在实验室中，研究人员可以通过在超高真空的超低温环境下对纳米级厚度的冰样品进行照射，以模拟次级低能电子与天体物理冰的相互作用。
在一个模拟实验中，加拿大舍布鲁克大学的研究人员用电子枪照射了覆盖着甲烷、氨和二氧化碳这些基本分子的薄冰层。他们通过使用一种名为程序升温脱附的质谱分析法，证实了用低能电子对包含二氧化碳、氨、甲烷分子以1：1：1混合的凝聚物进行照射，能形成完整的甘氨酸。研究人员将这一发现发表于近期的《化学物理学报》上。
在此之前，他们运用相似的质谱分析方法，从甲烷和氧气这两种成分中制造出了乙醇。虽然这都只是些简单的分子，远不如生物体中的大分子那般复杂。但甘氨酸的出现证明了低能电子可以将简单的分子转换成为更复杂的形式，展示了生命的基础成分如何在太空中形成，再通过彗星或陨石的撞击送达地球。
通过太空辐射（如星系的宇宙射线等）在物质中产生的低能电子可以诱导天体物理学分子冰中甘氨酸的形成。在实验中运用低温（20K）、超真空环境下的氨、甲烷和二氧化碳的混合凝聚物，来模拟星际介质的冰粒，并用强度为0到70eV的低能电子对其进行照射。图片来源：NASA/Hubble/STScI
研究人员发现，在这样的实验条件下，对于平均能量为70eV的低能电子来说，每260个电子对样品冰层进行一次冲击，就能形成一个甘氨酸分子。这个数值看起来似乎偏小，据计算，如果星际介质中，二氧化碳、甲烷和氨的混合凝聚物的比例为1：1：1，那么次级低能电子每秒通过一平方厘米的冰晶表面能产生的甘氨酸分子数量为60个。这样的话，要产生一片每平方厘米中含有5.5×1014个分子的甘氨酸单分子层，需要9.2×1012秒，或者说2.9×105年。
为了调查形成速率在太空中的现实程度，研究人员对一个二氧化碳分子会同时遇到甲烷分子和氨分子的概率、以及它们遇到的辐射强度进行了推算。实验中用到的混合冰晶，在天体物理或行星冰中是极不可能存在的。据数据表明，星际空间的冰可能含有约20％的二氧化碳、约2％的甲烷和约10％的氨。
因此他们推算出，一个二氧化碳分子与甲烷和氨分子相遇的概率大约为 0.0528。这意味着要从密集的并云中形成一层甘氨酸单层分子，需要长达5.5×106年的时间。对于有着类似组成、暴露于辐射更强的木星卫星上的冰来说，形成这样的单层甘氨酸分子需要的时间约为30天。
作者 Huels 说：“在太空中，最不缺的就是时间。我们这样做的目的是为了了解这一产出的可能性，即它是现实的、还是完全不合理的？而我们的结论是，对于甘氨酸或类似生物分子的形成速率来说，这一结果其实还是十分可能的。”
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