生命的基礎成分是如何在外太空中形成的？

複雜的有機分子是生命的基礎成分，從許多天文觀測中我們得知，它們並非獨為地球所有——在恆星附近的星際介質、彗星、甚至太陽系裡的許多行星衛星上，都有著大量自然形成的有機生物分子。

然而，這些分子的形成途徑是科學家仍在研究的課題。雖然說目前我們還未在太空中發現生命的蹤跡，但通過多種探測設備（高度靈敏的射電或光學望遠鏡，或太陽系中的航天探測器）所檢測到的這些分子的多樣性與丰度，似乎暗示著它們可以合成於太空之中。

在這些複雜的有機分子中，已在星際介質、彗星和隕石中發現的甘氨酸（glycine：H?N-CH?-COOH）是蛋白質中最簡單的一種氨基酸，它對陸地生物來說必不可少的成分。目前的一種假說是，這種複雜的有機分子或許是通過各種天體物理冰的輻射和熱過程產生的。它們可以是在星際介質中那些密集且寒冷的（10-20 K）分子雲里的塵埃顆粒周圍凝聚的覆蓋物，或存在於太陽系中彗星、行星及其衛星上的結冰物體的表面。在所有的這些情況下，由水、二氧化碳、氨、甲烷等簡單分子構成的冰，都暴露於多種輻射場（紫外線，X射線或、伽馬射線、高能電子、質子、宇宙射線）之下。

迄今為止，大部分在實驗室里進行的天體化學研究，都集中在由紫外線輻射引發的化學反應的過程上。這是因為嵌入星際介質中的許多恆星會輻射出大量的紫外線，高能宇宙射線也會從豐富的氫分子中生成紫外線輻射，因而產生的H·和CH3O等自由基繼而推動了星際介質中結冰粒子的後續化學反應。

另外人們普遍認識到，當宇宙射線粒子、恆星風粒子、X射線、伽馬射線等一系列高能輻射與凝聚物相互作用時，會衍生出大量的次級非熱電子。其中大多數為能量低於100eV的低能電子，與光子相比，它們能激發出非常不同的電子態，並能展現出更大的相互作用截面。

因此，人們對低能電子在天體物理冰的輻射過程中所扮演的角色越來越感興趣。在實驗室中，研究人員可以通過在超高真空的超低溫環境下對納米級厚度的冰樣品進行照射，以模擬次級低能電子與天體物理冰的相互作用。

在一個模擬實驗中，加拿大舍布魯克大學的研究人員用電子槍照射了覆蓋著甲烷、氨和二氧化碳這些基本分子的薄冰層。他們通過使用一種名為程序升溫脫附的質譜分析法，證實了用低能電子對包含二氧化碳、氨、甲烷分子以1：1：1混合的凝聚物進行照射，能形成完整的甘氨酸。研究人員將這一發現發表於近期的《化學物理學報》上。

在此之前，他們運用相似的質譜分析方法，從甲烷和氧氣這兩種成分中製造出了乙醇。雖然這都只是些簡單的分子，遠不如生物體中的大分子那般複雜。但甘氨酸的出現證明了低能電子可以將簡單的分子轉換成為更複雜的形式，展示了生命的基礎成分如何在太空中形成，再通過彗星或隕石的撞擊送達地球。

研究人員發現，在這樣的實驗條件下，對於平均能量為70eV的低能電子來說，每260個電子對樣品冰層進行一次衝擊，就能形成一個甘氨酸分子。這個數值看起來似乎偏小，據計算，如果星際介質中，二氧化碳、甲烷和氨的混合凝聚物的比例為1：1：1，那麼次級低能電子每秒通過一平方厘米的冰晶表面能產生的甘氨酸分子數量為60個。這樣的話，要產生一片每平方厘米中含有5.5×1014個分子的甘氨酸單分子層，需要9.2×1012秒，或者說2.9×105年。

為了調查形成速率在太空中的現實程度，研究人員對一個二氧化碳分子會同時遇到甲烷分子和氨分子的概率、以及它們遇到的輻射強度進行了推算。實驗中用到的混合冰晶，在天體物理或行星冰中是極不可能存在的。據數據表明，星際空間的冰可能含有約20％的二氧化碳、約2％的甲烷和約10％的氨。

因此他們推算出，一個二氧化碳分子與甲烷和氨分子相遇的概率大約為 0.0528。這意味著要從密集的並雲中形成一層甘氨酸單層分子，需要長達5.5×106年的時間。對於有著類似組成、暴露於輻射更強的木星衛星上的冰來說，形成這樣的單層甘氨酸分子需要的時間約為30天。

作者 Huels 說：「在太空中，最不缺的就是時間。我們這樣做的目的是為了了解這一產出的可能性，即它是現實的、還是完全不合理的？而我們的結論是，對於甘氨酸或類似生物分子的形成速率來說，這一結果其實還是十分可能的。」

參考來源：

https://aip.scitation.org/doi/10.1063/1.5021596

https://www.eurekalert.org/pub_releases/2018-04/aiop-meh042518.php

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