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搜尋宇宙中的生命分子 | 賽先生天文

2022/09/23
導(dǎo)讀
氨基酸、糖類、醇類……我們還能找到哪些生命存在的基礎(chǔ)材料？
遙遠(yuǎn)的星系中，能否找到那些蘊(yùn)含生命分子的信號(hào)？圖片來(lái)源：NASA/JPL-Caltech

  • 導(dǎo)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(guò)，但往深一層追問(wèn)：這些生命相關(guān)的分子，又是從何而來(lái)呢？問(wèn)題的答案，卻很少有人能說(shuō)得清楚?；蛘哒f(shuō)，我們?cè)趪L試搜索地外生命的過(guò)程中，如果找不到外星人本人，是否能通過(guò)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(xué)家如何搜尋宇宙中的生命印記。

撰文 | 王均智（廣西大學(xué)）責(zé)編 | 王馨心、呂浩然

生命的起源是人類最關(guān)心的幾個(gè)核心科學(xué)問(wèn)題之一。

雖然人類在幾十年來(lái)一直都在努力進(jìn)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(wú)法直接確認(rèn)太陽(yáng)系外的生命是否真實(shí)存在。按照地球上的生命構(gòu)成要素，復(fù)雜的有機(jī)分子（特別是形成蛋白質(zhì)及核酸等相關(guān)的分子）是形成生命的關(guān)鍵。本文將主要介紹星際空間中與生命相關(guān)的分子的探測(cè)方法及其進(jìn)展。

圖1，外星人長(zhǎng)啥樣？圖片來(lái)源：1982年的科幻電影《外星人E.T.》電影海報(bào)

  • 星際分子的發(fā)現(xiàn)和搜尋

星際分子的探測(cè)，可以通俗地理解為用指紋去找人。主要分為兩個(gè)步驟：首先，在理論計(jì)算的基礎(chǔ)上，對(duì)目標(biāo)分子在實(shí)驗(yàn)室里準(zhǔn)確測(cè)定其譜線發(fā)射頻率（通常在微波到遠(yuǎn)紅外波段）以及不同譜線躍遷之間的相對(duì)強(qiáng)度，即找出不同分子的“指紋”特征；然后，在目標(biāo)頻率范圍，進(jìn)行特定分子的譜線發(fā)射（或者吸收）的天文觀測(cè)搜尋。

在星際空間中探測(cè)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(yuǎn)鏡所探測(cè)到，通過(guò)探測(cè)到的輻射的強(qiáng)度以及所在的距離信息，可以計(jì)算出這種分子的數(shù)目以及質(zhì)量。

作為20世紀(jì)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(cè)到，其中73種分子在銀河系外的星系中被探測(cè)到[3]。而關(guān)于這些分子如何在星際空間形成，也激發(fā)了天文學(xué)中一個(gè)非常新的研究方向：天體化學(xué)（astro-chemistry）。

圖2，首個(gè)在射電波段被發(fā)現(xiàn)的星際分子曲線——OH吸收線，圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)[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(wú)法通過(guò)分子光譜進(jìn)行天文探測(cè)。因此，能夠進(jìn)一步反應(yīng)生成蛋白質(zhì)的相關(guān)小分子所受到的關(guān)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(jī)化合物）發(fā)生縮合反應(yīng)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(mèng)想。2003年曾經(jīng)有一個(gè)小組[4]宣稱在多個(gè)熱分子云核中探測(cè)到了最簡(jiǎn)單的氨基酸——甘氨酸（Glycine，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)式NH2CH2COOH）。然而，很快就有另一個(gè)研究小組非常嚴(yán)肅地指出這個(gè)探測(cè)結(jié)果不可靠，并給出了進(jìn)行類似復(fù)雜有機(jī)分子探測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)[5]。這些探測(cè)標(biāo)準(zhǔn)主要包括：

（1）探測(cè)到的譜線頻率與實(shí)驗(yàn)室所測(cè)得的靜止頻率的準(zhǔn)確符合（基于實(shí)驗(yàn)室測(cè)定而非通過(guò)其他頻段測(cè)得的躍遷頻率進(jìn)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(yīng)后，同一分子的多條譜線強(qiáng)度比應(yīng)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(wú)任何公認(rèn)的氨基酸探測(cè)結(jié)果足以服眾。但是，科學(xué)家在隕石中發(fā)現(xiàn)了超過(guò)70種氨基酸，這說(shuō)明星際空間環(huán)境就可以形成足夠多品種的氨基酸，無(wú)需在地球上通過(guò)無(wú)機(jī)物形成[6]。

氨基酸的探測(cè)困難重重，但是，人們并沒(méi)有放棄相關(guān)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(gè)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(jìn)展。

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

星際空間中首個(gè)手性分子（環(huán)氧丙烷，Propylene oxide，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)式CH3CHCH2O，圖3）于2016年在銀河系中心通過(guò)吸收線探測(cè)到[7]。這類分子的發(fā)現(xiàn)說(shuō)明在星際空間環(huán)境的天體化學(xué)反應(yīng)過(guò)程可以滿足手性分子的形成，進(jìn)而出現(xiàn)足夠的對(duì)映體過(guò)量（其中一種光學(xué)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(gè)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(lái)源：參考文獻(xiàn)[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(gè)支鏈）: 亮氨酸、纈氨酸和異亮氨酸，它們對(duì)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(duì)于理解與生命相關(guān)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(cè)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(jiǎn)式C3H7CN），卻是最近幾年才發(fā)現(xiàn)的重要研究進(jìn)展[8]。它是正丁腈（propyl cyanide，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(gè)碳原子的中間的那個(gè)之上，而丙氰的氰基是在邊上的碳原子上的。

這個(gè)分子的探測(cè)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(duì)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(cè)到，從氨基酸到蛋白質(zhì)的過(guò)程中也還缺少了非常關(guān)鍵的一步：氨基酸之間需要通過(guò)肽鍵（-CO-NH-，氨基和羧基脫水縮合而形成的化學(xué)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(cè)對(duì)于星際蛋白質(zhì)形成的研究具有重要科學(xué)意義。到目前為止，在星際空間一共只探測(cè)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(jiǎn)式C2H5CONH2 ），在Sgr B2中探測(cè)到[9]。作為一個(gè)包括了12個(gè)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(fù)雜的生命相關(guān)分子，可能在恒星形成過(guò)程中形成并穩(wěn)定存在，只是由于信號(hào)太弱以及其它分子的發(fā)射的影響，目前還未曾探測(cè)到。

圖4，目前在星際空間探測(cè)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(lái)源：參考文獻(xiàn)[9]

  • 蛋白質(zhì)以外的有機(jī)分子：糖、醇等

目前，在星際空間探測(cè)到的約270個(gè)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(guān)的有機(jī)分子。比如糖和醇類分子。

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

利用中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)65米天馬望遠(yuǎn)鏡，我國(guó)天文學(xué)家對(duì)Sgr B2進(jìn)行了后續(xù)的大尺度成圖觀測(cè)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(jiǎn)式C3H7OH）[12]及其同分異構(gòu)體（i-propanol）[13]也在星際空間被探測(cè)到了。星際空間探測(cè)到的大量的復(fù)雜有機(jī)分子（原子個(gè)數(shù)大于6）說(shuō)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(guò)恒星及行星的形成過(guò)程進(jìn)入行星系統(tǒng)，不需要在行星形成后再在行星表面通過(guò)簡(jiǎn)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(fù)合線H78ɑ，結(jié)果表明乙醇醛這種大有機(jī)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(lái)源：參考文獻(xiàn)[11]

  • 天體化學(xué)的未來(lái)

探索生命的起源一直是科學(xué)家的夢(mèng)想。隨著科學(xué)的發(fā)展和進(jìn)步，我們雖然離最終答案的揭秘還很遙遠(yuǎn)，但是一直在越來(lái)越接近它。同時(shí)，與探索生命起源相關(guān)但是涵蓋范圍更廣的一個(gè)新興天文學(xué)分支——天體化學(xué)，也給了相關(guān)天文學(xué)研究提供了廣闊的舞臺(tái)。除了搜尋新分子，天體化學(xué)的研究還包括化學(xué)反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)（氣相、塵埃表面、激波、光化學(xué)等）的建立及相關(guān)計(jì)算，對(duì)關(guān)鍵的化學(xué)反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)相關(guān)分子的空間分布的觀測(cè)研究等。

我國(guó)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(guān)的有機(jī)分子）的兩個(gè)必要的手段：實(shí)驗(yàn)室準(zhǔn)確測(cè)量分子的發(fā)射頻率以及相對(duì)強(qiáng)度，以及利用天文望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行譜線觀測(cè)及證認(rèn)等相關(guān)研究。前者如重慶大學(xué)正在進(jìn)行有機(jī)分子的轉(zhuǎn)動(dòng)光譜相關(guān)的實(shí)驗(yàn)室測(cè)量，后者則使用我國(guó)自己的望遠(yuǎn)鏡設(shè)備（比如上海天文臺(tái)65米望遠(yuǎn)鏡、中國(guó)天眼FAST等）以及國(guó)際上的先進(jìn)望遠(yuǎn)鏡設(shè)備（比如智利阿塔卡瑪毫米/亞毫米波陣列望遠(yuǎn)鏡ALMA、法國(guó)及西班牙的毫米波射電望遠(yuǎn)鏡IRAM、以及未來(lái)的平方公里射電陣SKA等）開展復(fù)雜分子的搜尋以及相關(guān)的天體化學(xué)過(guò)程的觀測(cè)研究。

對(duì)于天體化學(xué)相關(guān)的觀測(cè)和理論研究，國(guó)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(lái)的天體化學(xué)及生命起源探索研究方面體現(xiàn)出更多的中國(guó)元素。揭開星際空間生命分子的來(lái)龍去脈，探索生命的起源。

  • 作者簡(jiǎn)介

王均智，廣西大學(xué)教授。于北京大學(xué)獲得天體物理學(xué)士、碩士及博士學(xué)位。中國(guó)科學(xué)院紫金山天文臺(tái)博士后，曾任南京大學(xué)副教授及中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)研究員。主要從事射電天文觀測(cè)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(dòng)對(duì)宿主星系的反饋、分子天體化學(xué)、超脈澤等。

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

  • 參考文獻(xiàn)：
[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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