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搜尋宇宙中的生命分子 | 賽先生天文

2022/09/23
導讀
氨基酸、糖類、醇類……我們還能找到哪些生命存在的基礎材料？
遙遠的星系中，能否找到那些蘊含生命分子的信號？圖片來源：NASA/JPL-Caltech

  • 導讀：

氨基酸、蛋白質(zhì)、糖類、醇類……這些地球上生命的基本分子元素看似再平常不過，但往深一層追問：這些生命相關的分子，又是從何而來呢？問題的答案，卻很少有人能說得清楚?；蛘哒f，我們在嘗試搜索地外生命的過程中，如果找不到外星人本人，是否能通過生命分子的搜索而窺見生命的端倪？本期賽先生天文，讓我們看看科學家如何搜尋宇宙中的生命印記。

撰文 | 王均智（廣西大學）責編 | 王馨心、呂浩然

生命的起源是人類最關心的幾個核心科學問題之一。

雖然人類在幾十年來一直都在努力進行外星文明的搜尋（感興趣的讀者可以參閱SETI@home[1]），但是目前還無法直接確認太陽系外的生命是否真實存在。按照地球上的生命構(gòu)成要素，復雜的有機分子（特別是形成蛋白質(zhì)及核酸等相關的分子）是形成生命的關鍵。本文將主要介紹星際空間中與生命相關的分子的探測方法及其進展。

圖1，外星人長啥樣？圖片來源：1982年的科幻電影《外星人E.T.》電影海報

  • 星際分子的發(fā)現(xiàn)和搜尋

星際分子的探測，可以通俗地理解為用指紋去找人。主要分為兩個步驟：首先，在理論計算的基礎上，對目標分子在實驗室里準確測定其譜線發(fā)射頻率（通常在微波到遠紅外波段）以及不同譜線躍遷之間的相對強度，即找出不同分子的“指紋”特征；然后，在目標頻率范圍，進行特定分子的譜線發(fā)射（或者吸收）的天文觀測搜尋。

在星際空間中探測分子，需要在一定的區(qū)域內(nèi)有大量的同樣的分子存在，發(fā)射出同樣頻率的輻射而被望遠鏡所探測到，通過探測到的輻射的強度以及所在的距離信息，可以計算出這種分子的數(shù)目以及質(zhì)量。

作為20世紀60年代的四大天文發(fā)現(xiàn)之一，從1963年第一次利用射電光譜發(fā)現(xiàn)了星際分子（OH吸收線，圖2）到2022年8月為止，已有大約270種分子在星際空間被探測到，其中73種分子在銀河系外的星系中被探測到[3]。而關于這些分子如何在星際空間形成，也激發(fā)了天文學中一個非常新的研究方向：天體化學（astro-chemistry）。

圖2，首個在射電波段被發(fā)現(xiàn)的星際分子曲線——OH吸收線，圖片來源：參考文獻[2]


  • 搜尋氨基酸和它的“表親”

蛋白質(zhì)是組成地球上生命的基石，但是，這種生物大分子本身很難以氣態(tài)存在（非氣態(tài)的“指紋”特征不明顯)，無法通過分子光譜進行天文探測。因此，能夠進一步反應生成蛋白質(zhì)的相關小分子所受到的關注非常之多。

蛋白質(zhì)是由氨基酸（即含有氨基 -NH2 和羧基 -COOH 的有機化合物）發(fā)生縮合反應形成的，在星際空間找到氨基酸是很多熱愛探索太空生命的人的夢想。2003年曾經(jīng)有一個小組[4]宣稱在多個熱分子云核中探測到了最簡單的氨基酸——甘氨酸（Glycine，結(jié)構(gòu)簡式NH2CH2COOH）。然而，很快就有另一個研究小組非常嚴肅地指出這個探測結(jié)果不可靠，并給出了進行類似復雜有機分子探測的標準[5]。這些探測標準主要包括：

（1）探測到的譜線頻率與實驗室所測得的靜止頻率的準確符合（基于實驗室測定而非通過其他頻段測得的躍遷頻率進行的推算）；

（2）不同躍遷的視向速度要一致；

（3）考慮了不同空間分辨率的波束稀釋效應后，同一分子的多條譜線強度比應該可以用合理的物理參數(shù)解釋。


非常遺憾的是，到目前為止，并無任何公認的氨基酸探測結(jié)果足以服眾。但是，科學家在隕石中發(fā)現(xiàn)了超過70種氨基酸，這說明星際空間環(huán)境就可以形成足夠多品種的氨基酸，無需在地球上通過無機物形成[6]。

氨基酸的探測困難重重，但是，人們并沒有放棄相關的研究，而是轉(zhuǎn)向在星際空間搜尋氨基酸的“表親”們——與氨基酸在某些方面有共同特征的分子。大部分的氨基酸有兩個重要的特征：手性以及存在支鏈。手性分子以及含支鏈的分子的搜尋也在近些年都取得了重要的進展。

除甘氨酸以外，其它氨基酸都有兩種手性對映體，它們類似于左右手一樣呈鏡面對稱，但無法重合，因此氨基酸也被分為左旋（L-型）和右旋（D-型）光學異構(gòu)體。所以，找到手性分子對于理解氨基酸在星際空間的存在有很強的借鑒意義。

星際空間中首個手性分子（環(huán)氧丙烷，Propylene oxide，結(jié)構(gòu)簡式CH3CHCH2O，圖3）于2016年在銀河系中心通過吸收線探測到[7]。這類分子的發(fā)現(xiàn)說明在星際空間環(huán)境的天體化學反應過程可以滿足手性分子的形成，進而出現(xiàn)足夠的對映體過量（其中一種光學異構(gòu)體偏多）。而地球上生命體所有組成蛋白質(zhì)的氨基酸，均是L-型分子。

圖3，首個在星際空間發(fā)現(xiàn)的手性分子（環(huán)氧丙烷）的兩種手性結(jié)構(gòu)，其中灰色圓球表示碳、白色小球表示氫、紅色圓球表示氧。圖片來源：參考文獻[7]

蛋白質(zhì)中有三種常見的支鏈氨基酸（直鏈碳骨架上具有一個支鏈）: 亮氨酸、纈氨酸和異亮氨酸，它們對于構(gòu)成生命十分重要。在星際空間搜尋具有支鏈的分子，對于理解與生命相關的氨基酸可以起到重要的作用。

雖然在地球上非常常見，但第一次在星際空間（銀河系中心附近的大質(zhì)量恒星形成區(qū)Sgr B2）探測到具有支鏈的分子——異丁腈（或者2-甲基丙腈，iso-propyl cyanide，結(jié)構(gòu)簡式C3H7CN），卻是最近幾年才發(fā)現(xiàn)的重要研究進展[8]。它是正丁腈（propyl cyanide，結(jié)構(gòu)簡式C3H7CN）的同分異構(gòu)體，區(qū)別是它的氰基（-CN）是接在碳鏈的3個碳原子的中間的那個之上，而丙氰的氰基是在邊上的碳原子上的。

這個分子的探測結(jié)果表明這種含有支鏈的分子與其直鏈的同分異構(gòu)體相比，有比較高的豐度（即總體占比比較高），這對于理解在星際空間形成含支鏈的氨基酸起到了很大的幫助。


  • 肽鍵：從氨基酸到蛋白質(zhì)的橋梁

然而，即使氨基酸能夠在太空中被探測到，從氨基酸到蛋白質(zhì)的過程中也還缺少了非常關鍵的一步：氨基酸之間需要通過肽鍵（-CO-NH-，氨基和羧基脫水縮合而形成的化學鍵）形成蛋白質(zhì)。

肽鍵是蛋白質(zhì)中普遍存在的特殊結(jié)構(gòu)，也是蛋白質(zhì)的特征結(jié)構(gòu)，因此類肽鍵分子的探測對于星際蛋白質(zhì)形成的研究具有重要科學意義。到目前為止，在星際空間一共只探測到了5種含肽鍵分子（見圖4）。其中，最大的肽鍵分子為丙酰胺（Propionamide，結(jié)構(gòu)簡式C2H5CONH2 ），在Sgr B2中探測到[9]。作為一個包括了12個原子的含肽鍵的分子，丙酰胺分子在星際空間的存在很可能不是特例，更大的類肽鍵分子，甚至更復雜的生命相關分子，可能在恒星形成過程中形成并穩(wěn)定存在，只是由于信號太弱以及其它分子的發(fā)射的影響，目前還未曾探測到。

圖4，目前在星際空間探測到的含肽鍵的分子的結(jié)構(gòu)圖：（a）甲酰胺；（b）乙酰胺；（c）N-甲基甲酰胺；（d）尿素；（e）丙酰胺。圖片來源：參考文獻[9]

  • 蛋白質(zhì)以外的有機分子：糖、醇等

目前，在星際空間探測到的約270個分子中，除了前面提到的含支鏈的分子、手性分子、含肽鍵的分子等約10種分子外，還有很多是和生命相關的有機分子。比如糖和醇類分子。

醇類分子里，最簡單的甲醇（methanol，結(jié)構(gòu)簡式CH3OH）在星際空間大量存在，除了有熱輻射之外，還經(jīng)常會有非常強的脈澤（微波波段的激光）輻射。乙醇（ethanol，結(jié)構(gòu)簡式CH3CH2OH，俗稱酒精）、乙醇醛（Glycolaldehyde，結(jié)構(gòu)簡式CH2OHCHO，最小的糖分子）、乙二醇（Ethylene Glycol，結(jié)構(gòu)簡式HOCH2CH2OH，生命起源相關的糖合成過程中的核心分子）都在Sgr B2中被探測到[10]。

利用中國科學院上海天文臺65米天馬望遠鏡，我國天文學家對Sgr B2進行了后續(xù)的大尺度成圖觀測并研究發(fā)現(xiàn)，乙醇醛（見圖5）和乙二醇大量而廣泛地在其中存在[11]。最近，丙醇（n-propanol，結(jié)構(gòu)簡式C3H7OH）[12]及其同分異構(gòu)體（i-propanol）[13]也在星際空間被探測到了。星際空間探測到的大量的復雜有機分子（原子個數(shù)大于6）說明，生命所需的糖、醇等分子在星際空間可以大量形成并通過恒星及行星的形成過程進入行星系統(tǒng)，不需要在行星形成后再在行星表面通過簡單的分子合成。


圖5，Sgr B2中乙醇醛分子發(fā)射（黃色等值線）的空間分布，彩色的背景圖為示蹤電離氣體的射電復合線H78ɑ，結(jié)果表明乙醇醛這種大有機分子空間分布十分延展而非集中在最活躍的恒星形成區(qū)域（電離氣體附近）。圖片來源：參考文獻[11]

  • 天體化學的未來

探索生命的起源一直是科學家的夢想。隨著科學的發(fā)展和進步，我們雖然離最終答案的揭秘還很遙遠，但是一直在越來越接近它。同時，與探索生命起源相關但是涵蓋范圍更廣的一個新興天文學分支——天體化學，也給了相關天文學研究提供了廣闊的舞臺。除了搜尋新分子，天體化學的研究還包括化學反應網(wǎng)絡（氣相、塵埃表面、激波、光化學等）的建立及相關計算，對關鍵的化學反應網(wǎng)絡相關分子的空間分布的觀測研究等。

我國的科研人員在積極投入精力開展搜索星際空間的新分子（包括生命相關的有機分子）的兩個必要的手段：實驗室準確測量分子的發(fā)射頻率以及相對強度，以及利用天文望遠鏡進行譜線觀測及證認等相關研究。前者如重慶大學正在進行有機分子的轉(zhuǎn)動光譜相關的實驗室測量，后者則使用我國自己的望遠鏡設備（比如上海天文臺65米望遠鏡、中國天眼FAST等）以及國際上的先進望遠鏡設備（比如智利阿塔卡瑪毫米/亞毫米波陣列望遠鏡ALMA、法國及西班牙的毫米波射電望遠鏡IRAM、以及未來的平方公里射電陣SKA等）開展復雜分子的搜尋以及相關的天體化學過程的觀測研究。

對于天體化學相關的觀測和理論研究，國內(nèi)也已有不少科研人員在積極開展，我們可以滿懷期待地展望在未來的天體化學及生命起源探索研究方面體現(xiàn)出更多的中國元素。揭開星際空間生命分子的來龍去脈，探索生命的起源。

  • 作者簡介

王均智，廣西大學教授。于北京大學獲得天體物理學士、碩士及博士學位。中國科學院紫金山天文臺博士后，曾任南京大學副教授及中國科學院上海天文臺研究員。主要從事射電天文觀測研究，研究興趣包括：銀河系及近鄰星系中的恒星形成及分子氣體性質(zhì)、星系核活動對宿主星系的反饋、分子天體化學、超脈澤等。

注：本文的寫作過程中，得到了重慶大學勾茜教授、中國科學院上海天文臺李娟研究員及呂行研究員、東肯塔基大學（美國）全冬暉教授的幫助。

  • 參考文獻：
[1] SETI@home, 網(wǎng)址：https://setiathome.berkeley.edu/[2] Weinreb, S., et al., “Radio Observations of OH in the Interstellar Medium”, 1963,  Nature, 200, 829[3] CDMS, 網(wǎng)址：https://cdms.astro.uni-koeln.de/classic/molecules[4] Kuan, Y., et al., “Interstellar Glycine”, 2003, ApJ, 593, 847[5] Snyder, L. E., et al., “A Rigorous Attempt to Verify Interstellar Glycine”, 2005, ApJ, 619, 914[6] Botta, O. & Bada, J. L., “Extraterrestrial Organic Compounds in Meteorites”, 2002, Surveys in Geophysics, 23, 411[7] McGuire, B. A., et al., “Discovery of the interstellar chiral molecule propylene oxide (CH3CHCH2O)”, 2016, Science, 352, 1149[8] Belloche, A., et al., “Detection of a branched alkyl molecule in the interstellar medium: iso-propyl cyanide”, 2014, Science, 345, 1584[9] Li, J., et al., “Propionamide (C2H5CONH2): The Largest Peptide-like Molecule in Space”, 2021, ApJ, 919, 4[10] Hollis, J. M., et al., “Interstellar Antifreeze: Ethylene Glycol”, 2002, ApJ, 571, L59[11] Li, J., et al., “Widespread Presence of Glycolaldehyde and Ethylene Glycol around Sagittarius B2”, 2017, ApJ, 849, 115[12] Jimenez-Serra, I., et al., “Precursors of fatty alcohols in the ISM: Discovery of n-propanol”, 2022, A&A, 668, A181[13] Belloche, A., et al., “Interstellar detection and chemical modeling of iso-propanol and its normal isomer”, 2022, A&A, 662, A110

制版編輯｜Livan
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