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太空化学的独门秘籍是什么?

“以后到太空,有酒喝,有糖吃啦!”一位科学家开着打趣说。他说这话的布景是:近年来,人们在太空先后发现了杂乱的糖类和醇类等有机分子。其实,何止有“酒”喝,有“糖”吃,还有“肉”吃哩,由于早在近半个世纪前…

“以后到太空,有酒喝,有糖吃啦!”一位科学家开着打趣说。他说这话的布景是:近年来,人们在太空先后发现了杂乱的糖类和醇类等有机分子。

其实,何止有“酒”喝,有“糖”吃,还有“肉”吃哩,由于早在近半个世纪前,人类就在太空中发现了氨基酸分子,而氨基酸是组成蛋白质的根本单元。假设扯远去,乃至还能够说有“球”踢呢,由于一种结构十分像足球的分子——足球烯碳60,几年前也在太空中被发现了。所以,以后到太空,咱们能够一边喝酒吃肉,一边看球赛啦。不亦快哉!

太空中发现有机分子,含义非同寻常

打趣归打趣。这些有机分子在地球上,当然是极为一般的东西,但在太空中被找到,含义却非同寻常,由于这跟人们感兴趣的其他两个论题——外星人存在的可能性和地球生命的来源——联络在一同。

咱们知道,生命活动必不行少的两类物质,一是蛋白质,二是遗传物质DNA或RNA。组成蛋白质的根本单元是氨基酸,数个氨基酸缩水聚合而成的有机物叫“肽”。肽是杂乱程度介于氨基酸和蛋白质的一类分子,依据参与聚合的氨基酸分子数量,可分别称为二肽、三肽……数量巨大的氨基酸分子聚组成的有机物便是蛋白质。

至于遗传物质,组成DNA或RNA的根本单元是核苷,而核苷又是由核糖转变来的。核糖不过是一类特其他糖分子。

太空中氨基酸和糖类分子的发现,意味着组成生命的根本元素在太空中现已完备。既然如此,那咱们就没有任何理由以为生命在世界中只地球上“独此一家”。这关于专心想见外星人的读者来说,是“利好”音讯。

至于这些发现跟地球上生命来源的联系,工作是这样的:好久以来,许多科学家都置疑,假设地球上的生命是“自食其力”,即从无机到有机,从单细胞到多细胞,从简略到杂乱,墨守成规进化来的,那么以地球45亿年的年纪,好像还嫌太短了点;并且,前期地球大气中好像也短少制作有机物的质料。所以,他们以为,地球上的生命应该有个较高的起点,比如说,一开端便是些杂乱的有机分子,乃至是细菌或病毒之类的简略生命;从这样一个起点进化到人类,45亿年的时刻才够用。至于这些杂乱的有机分子或许简略生命,则又是通过彗星和陨石从太空中降到地球上的,太空是制作它们的“工厂”。由于世界有着138亿年的年纪,要造就它们,有的是时刻。

好了,咱们现已知道了在太空中发现有机分子的重大含义;接下来,天然要问:这些杂乱的有机分子在太空中究竟是怎样被制作出来的?要知道,太空环境恶劣,关于生命并不友爱,那里奇冷或奇热,又时刻受各种丧命射线的炮击。在这种情况下,杂乱的有机分子何故能够呈现呢?

这是本文需求侧重答复的。不过,在答复这个问题之前,让咱们仍是先来看看,迄今科学家在太空究竟发现了哪些有机分子。

太空中已发现的有机分子一览

太空的有机分子最早是在陨石中发现的。1969年9月28日,一颗稀有的大陨石掉落在澳大利亚。科学家对其成分进行剖析,成果大吃一惊:里边竟含有许多相对杂乱的有机分子,包含氨基酸和肽。后来,在其他陨石中,也有相似的发现。这些发现的含义非同凡响,由于陨石曩昔一向被以为里边所含的物质都是十分简略和原始的无机物,没想到它们仍是带着生命原资料的“太空信使”。

甲醛是最早通过射电望远镜在太空发现的有机分子,发现时刻也是在1969年。

当新一代强壮的红外和射电望远镜建成之后,新发现更是接连不断。在太空中,有一类星云叫分子云,是由尘土和气体分子组成的。云内有满足的尘土可屏蔽太空中的紫外线和世界射线,使分子免遭损坏 。依据量子力学,当分子自旋的时分,它们会宣告一系列不同频率的电磁波;每种分子开释的电磁波有其特定的频率,构成了该分子的“指纹”。假设科学家在光谱中发现了与某种分子对应的特定频率电磁波,就能够把该分子鉴别出来。但分子宣告的电磁波能量都很低,归于不行见的远红外和射电波段,一般的光学望远镜是观测不到的,所以只能凭借红外和射电望远镜。

2008年,科学家在分子云“人马座B2”上发现了一种叫“氨基乙腈”的有机分子。氨基乙腈是组成最简略的氨基酸——氨基乙酸的主要质料。2009年,在彗星81P/Wild 2的外表,氨基乙酸也被美国宇航局的科学家找到了。

2010年,在一颗晚年恒星邻近,发现了足球烯碳60,这是太空中迄今发现的最大分子。

现在,在星际发现的分子总数有180多种,估量这还仅仅冰山一角。由于分子越杂乱,它宣告的电磁波特征频率,即“指纹”,就越不明显,因而就越难被发现。

分子云——太空的“化学试验室”

这样,咱们就需求来答复这个问题:这些有机分子在太空中是怎样被制作出来的?

咱们在半个世纪前就知道,碳、氧和其他一些元素,都是在恒星的“核熔炉”中被制作出来的。在星际空间,当它们碰在一同的时分,会构成水、二氧化碳和氨等简略分子,这些分子跟星际尘土,一同构成了分子云。当分子云冷却和缩短之后,又构成下一代恒星——咱们的太阳系也曾诞生于一团分子云。

在地球上,水、二氧化碳和氨等无机物是组成更杂乱有机物的主要质料。在分子云中,尽管有尘土的维护,这些无机分子能够持久地托庇于此,但要让它们构成更杂乱的有机分子,分子云却并非适宜的场所。首要,这儿十分冰冷,一般温度只需-260℃左右,在地球上很简略产生的化学反响,在这儿由于温度太低而无法进行。其次,这些分子散布十分稀少,均匀每立方厘米内只需100~10000个分子。稀少意味着分子碰到一同的时机十分小。这些条件使得它们在星际空间相遇和产生反响的概率十分之小。

但从迄今的发现来看,太空中的这些有机分子不行能来源于别处,只能来自分子云这个太空的“化学试验室”。那么,这一切是怎样产生的?比如说,在地球上,氨基酸一般是在动植物体内通过一系列杂乱的进程得到的,需求酶的参与,而酶又是通过数百万年进化来的;在太空中,没有动植物,没有酶,氨基酸又是怎样制作出来的呢?

你大约还记得第一次踏进化学试验室时的情形吧。其时,最引你留意的或许莫过于架子上那些瓶瓶罐罐,什么烧杯、烧瓶、酒精灯、石棉网等等。这些都是化学家做化学试验的“道具”。一个反响太慢了是不是?好,给它加热一下,或许拌和一下,或许增加点反响物;所以,反响就快起来了。

许多化学反响都离不开“道具”,那种把几种物质简略放在一同就立刻起反响的功德是不多见的。比如说,你要是把水、二氧化碳和氨常温下放一同,不施以其他条件或手法,它们一辈子都不会起反响。

那么,在苍茫太空中,大天然这个大“化学家”又有什么“道具”可资使用呢?

太空“化学试验”的两个“道具”在太空,可使用的“道具”只需两个:世界尘土和高能射线。

世界尘土是恒星演化到红巨星或许超新星阶段,从“核熔炉”里抛撒出来的固态粉末,待冷却之后,其外表往往覆盖上一层由二氧化碳、氨、水和碳氢化合物组成的冰壳。

世界尘土能够从三个方面协助化学反响进行。首要,它的外表不仅为反响供给了一个场所,并且,各类分子被吸到尘土外表之后,反响所需求的“门槛”都下降了。其次,它吸走反响中生成的剩余热量,给有机分子供给了一个温度适宜的场所。由于太空中没有传导、对流等条件,热量一时不简略散发,要是温度过高,就会把生成的有机分子又给烧毁了。第三,它为反响初始阶段构成的分子供给维护,假设没有尘土的屏蔽,激烈的辐射会在这些分子刚生成时就把它们炸毁。

至于高能射线,主要是紫外线和世界射线。它们的效果却是简略,仅为各种化学反响的产生供给能量。

终究,还有一点咱们不要忘掉:太空中,分子云的冰冷和淡薄意味着,不论产生什么反响,必定是极度缓慢的。在地球上,凡事考究功率。一个化学反响几天、几个月没有动态,那是不行的,那试验报告或许博士论文就写不成了。但在太空中,大天然可不需求赶写什么试验报告或许博士论文,因而那里“什么都缺,便是不缺时刻”。一个反响,继续数百万、乃至数十亿年,是件稀松往常的工作,以时刻的巨量投入,以补功率之缺乏。所以,尽管太空有着种种不利于杂乱有机物生成的条件,但终究这些有机物仍是充溢太空各个旮旯,这应该是不古怪的。

不过,以上谈论还得用事实说话。这儿就有一个实例:几年前,美国一个研讨小组把少数的水蒸气、二氧化碳、氨气以及尘土置于一个真空的容器中,然后把温度降到-260℃,以模仿星际分子云的条件。这些气体凝结之后,就吸附在了尘土外表。进一步逼真地模仿太空环境,给容器里的物质照耀紫外线,之后他们发现,容器中有最简略的氨基酸——氨基乙酸构成了。要想加速反响速度,方法是往容器里增加更多的反响物,这样,在太空中需求上百万年才干完结的工作,在试验室只需几个小时就可完结。

使用这套设备,研讨小组成功地证明,在太空中,氨基乙酸跟咱们现在工业上人工组成氨基酸的方法无异。在这之前,咱们原以为,这种人工的组成方法在天然条件下是不会产生的。

近几年,这个研讨小组又想看看在太空中,是否能组成出比氨基酸更杂乱的有机分子。当两个氨基酸分子聚合,就构成了一种叫“二肽”的小分子。那么,在太空环境下,能不能构成二肽呢?尽管这个试验十分难做,但通过了3年的尽力,研讨小组在2013年5月宣告了他们的答案:二肽在太空中是能够构成的,乃至更杂乱的三肽都能够构成。

太空化学的独门秘笈之一——量子地道效应

不过,也有些工作是用尘土和辐射所不能解说的。天文学家探测到距咱们600光年之外的英仙座分子云中含有一种叫“甲氧基”的有机物。这类有机物能够由羟基和最简略的醇类——甲醇反响组成,但反响一般需求高温的条件,而这个条件在冰冷的英仙座分子云中明显不具备。

一位英国化学家猜想,太空中生成甲氧基的反响或许是通过量子效应来完结的。在量子力学里,有一种叫“地道效应”。当两个微观粒子想交融在一同,但需求战胜的妨碍太大的时分,依照经典物理学的观念,那它们就没辙了,反响就不能进行;但按量子力学的观念,它们能够投机取巧,挖个“地道”钻进去,使得反响得以产生。有人把这种效应类比做:你朝墙上扔一个球,它非但没弹回来,反而穿墙而过了。

在太空环境下,由于温度十分低,分子做无规则运动的速度十分小,所以分子与分子磕碰时,就有了更长的触摸时刻,这就大大增加了产生地道效应的时机。这样,原本不行能产生的化学反响也能产生了。

在咱们这个比如中,穿墙而过的“小球”是个氢原子。原子越小,量子地道效应越简略产生。氢原子是最小的,所以触及氢原子的反响中,地道效应是不行忽视的。试验证明,地道效应确实让参与反响的氢原子在甲醇分子和羟基之间玩起了“穿越”的把戏来。

试验是在2013年做的。化学家把羟基和甲醇混合之后,在高温下让它们产生反响。然后,渐渐下降温度,反响速度跟着降下来。依照一般人的想像,温度不断下降,反响速度也应该继续走低才是。可是,不,当温度挨近-200℃时,突然之间,反响比之前快了100多倍。这一现象尽管出其不意,但用量子地道效应能够很好地解说。

这个发现或许意味着,在太空中能够产生一套与地球上悬殊的、全新的化学反响。你能够打开联想:通过地道效应,从甲氧基中移除一个氢原子,就能够构成甲醛;甲醛分子假设手拉手,通过缩合,终究又能够构成一个杂乱的有机分子……当然,咱们联想的这些反响是否真的会在太空产生,现在还不得而知。

太空化学的独门秘笈之二——生命的火花在碰击中产生

太空中还有另一项制作有机物的独门秘笈,这是人们万万想不到的,那便是天体的磕碰。

一说到磕碰,咱们总会下意识地想到:糟了,什么东西要被撞坏了。除了“思维的火花”能在磕碰中产生,磕碰好像没干过什么功德。

但谁知道呢,或许生命的火花也是在磕碰中产生的。

众所周知,彗星中常常带着一些杂乱的有机分子,比如氨基酸。现在,一位英国科学家通过简略的试验证明,世界中的氨基酸很简略通过彗星与其他天体的磕碰制作出来。

这位科学家通过把水、二氧化碳、氨和甲醇混合,冷冻成冰块,以模仿彗星,由于彗星一般也由这些资料组成;然后,他向这块冰发射以每秒7千米的速度运动的钢球子弹,以模仿彗星与行星的磕碰。对磕碰产品进行剖析,他发现里边居然含有了氨基酸。

考虑到彗星与其他天体的磕碰在世界中是很频频的,那么能够猜想,氨基酸在世界中的散布应该很遍及,而氨基酸是组成生命的根本单元,那会不会意味着,外星生命也应该很遍及呢?

终究让咱们仍是回到地球生命的来源问题上来。众所周知,生命来源的第一步是从无机到有机,而从上述这些比如中,咱们现已看到,制作杂乱的有机物,并非当今地球的独家专利。或许,太阳和它的行星就可能诞生在充溢着有机分子的太空环境中。考虑到前期地球大气的组成以及地球的年纪,生命来源“从无机到有机”这一步好像不太可能是在地球上完结的。一个遍及的猜想是,地球上最早的有机分子可能是跟着彗星从太空带到地球的。假设考虑到在地质史上,大约在距今40~35亿年的某个时期,地球确实从前遭受过彗星和陨石的狂轰滥炸;并且,咱们今天在地球上所能找到最早生命的依据,也呈现于这个时期之后不久,那么这个猜想仍是颇有道理的。

要是这个猜想事实,那么地球生命的最早发源地就要追溯到那广阔无垠、深邃众多的太空了。当今人类的太空探险,说穿了,其实不过是回老家寻根。

【超级链接】 有机物能够在“烈火”中幸存

正文中已说到,好久以来科学家就猜想,一些组成生命的杂乱有机分子,乃至简略生命本身,可能是在太空中最早构成,然后通过陨石撒播到地球上的。这个地球生命的来源学说,叫“胚种说”。

可是,且慢,这儿还有一个大问题:就算生命真是在太空构成的,但陨石掉落地球,必定要随同剧烈的磕碰,这些软弱的有机分子或简略生命,能在磕碰燃起的“烈火”中幸存吗?假使不能,那“胚种说”也就不能成立。

最近一项发现标明,有机分子或简略生命是能够在陨石磕碰中幸存的。依据来自澳大利亚一个有着80万年前史的陨石坑。

科学家在陨石坑中找到一块当年由陨石磕碰产生的玻璃状物质。在玻璃中,他们发现有一粒球状内含物,里边充溢气体。把玻璃研碎,提取内含物里的物质进行剖析,标明内含物富含泥炭沼地地里的有机物,包含组成植物叶子的纤维素和高分子聚合物等。考虑到陨石坑所在地在80万年前是一块沼地,这块玻璃及其内含物极可能是这样构成的:当陨石碰击地上时,部分岩石熔化,构成这种玻璃物质。与此同时,沼地地上含植物成分的泥浆溅起来,以很高的速度射进熔化的玻璃里。泥浆所含的水分瞬间就气化了,构成了气泡,而植物的有机成分则被保存下来,封存在小气泡里。

这个比如阐明,有机物是能够通过这种方法在陨石磕碰中幸存下来的。当然,在这儿,有机物来自地球,但假设来自陨石本身,也相同。

假设碰击产生时,地球仍是穷山恶水,而陨石倒富含有机物,咱们再想象,通过一段时刻的地质运动或许风化效果,这块在碰击中构成的玻璃碎了,封存里边的有机物被开释出来,所以一场绵长的生命来源和进化进程就能够开端了……

另一方面,咱们还能够推测,在地球已充溢有机生命的情况下,产生这样一场陨石碰击,也可能把地球上的有机物带到太空。地球生命将坐上玻璃“马车”——即溅到太空的熔融玻璃——遨游太空。当然,要让地球物质战胜重力,溅到太空,碰击必定十分剧烈才成,但这种可能性仍是存在的。事实上,有许多天文学家以为,月亮便是被陨石碰击溅洒到太空的地球物质凝集而成的。

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