星际之间的第一种糖
Izaskun Jiménez-Serra 讲述在银河系中心附近发现一种脆弱分子的过程,以及它可能如何抵达早期地球
现代天体化学长期以来一直将分子的形成理解为一个逐步推进的过程。简单化合物首先形成,随后通过逐个增加碳原子,产生稍大的分子。经过数百万年,分子结构逐渐变得复杂。
这样的图景井然有序,而且在许多情况下相当成功。
然而,一个小小的分子开始挑战这一传统认识。
在银河系中心附近的分子云 G+0.693−0.027 中,Izaskun Jiménez-Serra 博士的团队探测到了赤藓酮糖,首次直接证实糖分子存在于星际空间。出乎意料的是,这种四碳糖的丰度至少是此前寻找的较简单三碳糖的八倍。按照传统模型,结构较简单的三碳糖理应更早形成,却至今没有在星际介质中被探测到。
研究结果也揭示了另一种分子形成方式。赤藓酮糖并非只能依靠碳原子逐个增加而形成,两种较小的二碳分子,甘醇醛(glycolaldehyde)和乙二醇(ethylene glycol),可以直接结合生成赤藓酮糖。在星际环境中,这种反应路径的效率可能远高于此前的预期。
这项发现不仅丰富了天文学已知的有机分子种类,也为理解生命出现之前的化学演化提供了新的线索。赤藓酮糖进入水环境后可以转化为苏糖(threose),而苏糖被一些研究者视为早期核酸的潜在前体。如果类似分子在太阳系形成之前已经存在,它们可能后来被带入彗星和小行星,最终抵达早期地球,参与生命起源之前的一系列化学过程。
为了理解一个出乎意料的分子如何挑战延续数十年的传统认识,我与 Jiménez-Serra 博士讨论了发现过程、支持这一结论的证据,以及一种简单的糖在生命出现之前可能经历的漫长旅程。
对话
Izaskun Jiménez-Serra:在此前围绕这一方向开展的研究中,我一直在寻找三碳糖,但始终没有探测到。所以,当这项研究的共同作者之一 Emilio Cocinero 建议我们转而寻找赤藓酮糖时,我其实很怀疑。如果连结构更简单的三碳糖都没有找到,那么发现更复杂的四碳糖似乎更不可能。
这也符合天体化学长期以来的传统观点。人们认为,分子会按照顺序逐渐增长,每次增加一个碳原子。因此,我并没有期待能够找到赤藓酮糖。
真正查看数据时,我却发现那些信号准确地出现在它们应该出现的位置。那一刻,我意识到我们真的找到了赤藓酮糖。那种感觉令人无比激动。
Izaskun Jiménez-Serra:光。
这些分子以气体形式存在于巨大的分子云中,温度极低,有时甚至接近绝对零度。在这种环境下,它们能做的事情并不多,其中之一就是旋转。分子旋转时会发出射电频段的光,而射电望远镜观测到的正是这些信号。
我常常把这个过程比作调节一台老式模拟收音机。转动旋钮时,每个电台都在自己的频率上广播。分子的情况非常相似。每一种分子都有一组独特的射电频率,就像属于自己的指纹。
我们寻找了赤藓酮糖所有对应的频率,并且全部探测到了。正因为如此,我们才能确认这种分子确实存在。
Izaskun Jiménez-Serra:这项发现改变了我们对星际介质中分子形成方式的理解。
我们的研究表明,赤藓酮糖可以由两种更小的前体分子形成,也就是甘醇醛和乙二醇,它们都含有两个碳原子。我们进行了量子化学计算,模拟星际尘埃颗粒表面的冰层环境。当这两种分子在相应条件下相遇时,它们能够发生反应并生成赤藓酮糖。
可以把它想象成用乐高积木搭建结构。与其一块接一块地添加,不如把两个较小的结构直接组合起来,形成一个更大的结构。
与传统的逐步增长模型相比,这条反应路径似乎能够更高效地生成赤藓酮糖。
Izaskun Jiménez-Serra:我们的计算表明,在星际环境下,这一反应在化学上是可行的。
下一步需要在实验室中尽可能准确地重现相应环境,通过高真空和极低温条件,验证同样的反应能否在实验中发生。
量子化学计算通常能够相当可靠地预测实验结果,因此我预计实验会证实模拟所得出的结论。
Izaskun Jiménez-Serra:那片分子云的化学组成极其丰富,其中包含许多不同分子产生的辐射信号。
为了确认观测到的信号确实来自赤藓酮糖,而不是其他分子,我们首先识别了云中已经存在的 180 多种分子,随后将每一种分子的实验室光谱与实际观测结果逐一比对。
在逐一排除其他已知分子的信号后,我们最终确认,观测到的谱线与赤藓酮糖独特的光谱特征相吻合。
正是这一过程让我们确信,探测结果是真实的。
Izaskun Jiménez-Serra:它是目前已知最丰富的复杂有机分子储库之一,我们的团队也已经对它进行了多年的深入研究。
目前已知能够产生如此丰富化学多样性的天体源只有少数几个,不同研究团队往往会长期专注于特定的观测目标。G+0.693−0.027 尤其丰富,其中已经发现了含氧、氮、硫和磷的多种分子,因此成为寻找新型生命前分子的理想区域。
我们对它的兴趣其实可以追溯到 21 世纪初。当时我的博士导师绘制了银河系中心复杂有机分子的分布图。在所有接受观测的分子云中,G+0.693−0.027 是最明亮的一个,因此自然成为进一步深入研究的重点目标。
这片分子云位于银河系中心超大质量黑洞附近。我们观测到的化学过程受到多种高能机制影响,包括超音速冲击波和宇宙射线辐射。这些过程很可能会将赤藓酮糖等分子从尘埃颗粒表面的冰层中释放出来,使其重新进入气相,从而能够被射电望远镜探测到。
Izaskun Jiménez-Serra:糖大致可以分为两类,酮糖和醛糖,生命体系中两者都会使用。赤藓酮糖属于酮糖。不过,一旦进入水环境,它可以重新排列分子结构并转化为苏糖,而苏糖属于醛糖。
苏糖是苏糖核酸(TNA)中的糖组分。TNA 是目前提出的最简单核酸形式之一。一些研究者认为,在化学演化的早期阶段,它可能先于 RNA 出现。
这意味着,如果赤藓酮糖曾经抵达年轻的地球,它可能参与了某些最早期核酸的形成。这是一个非常值得探索的可能性,不过仍需要大量实验研究加以验证。
Izaskun Jiménez-Serra:虽然糖分子比较脆弱,但我们的观测表明,赤藓酮糖一类的分子即使处于银河系中心附近的高能环境中,面对冲击波和强烈的宇宙射线辐射,仍然能够存留下来。
我们认为,这些分子在恒星和行星尚未出现时,就已经在分子云内部形成。随后,随着行星系统逐渐形成,它们被纳入小行星、彗星和陨石之中。
大约在 41 亿至 38 亿年前的晚期重轰炸时期,大量此类物质抵达早期地球表面,同时带来了种类丰富的有机分子。
实验室研究已经表明,类似化合物能够在穿越大气层的过程中存留下来,并在之后继续参与反应,形成更加复杂的有机分子。例如,研究已经证明甘醇醛能够在撞击过程中存留,并继续参与后续化学反应。
如果赤藓酮糖具有类似的性质,那么在生命最初开始出现时,它可能直接为当时可利用的分子库提供了原料。
Izaskun Jiménez-Serra:核糖当然是最令人期待的目标之一。
我们已经知道,陨石以及从小行星贝努(Bennu)带回的样本中都存在核糖,因此很自然会进一步追问,它是否也能形成于孕育行星系统的分子云之中。
核糖构成 RNA 骨架的重要组成部分。如果能够确认它存在于星际空间,将进一步支持一种可能性,也就是生命所需的一些关键分子原料,在行星形成之前就已经存在。
不过,核糖只是整个研究的一部分。我们还会继续寻找其他糖类、糖醇和糖酸,以便更全面地理解这些分子云内部正在发生的化学过程。
与此同时,我们的团队最近获得了新的研究经费,可以将更多相关工作带入实验室。我们将与埃斯特雷马杜拉大学的有机化学家、论文共同作者 Juan García de la Concepción 合作,把这些糖置于类似早期地球的环境条件下,观察随后会发生哪些化学反应。
Izaskun Jiménez-Serra:是的。
在一片分子云中发现赤藓酮糖,让我们开始思考,类似的糖是否也广泛存在于银河系的其他分子云中,尤其是那些正在孕育恒星和行星系统的区域。
由此看来,生命所需的化学原料或许并非太阳系独有。早在行星形成之前,一些重要的有机分子可能已经存在于星际空间。
这样的可能性让我感到非常兴奋。
Izaskun Jiménez-Serra:我们当然会继续寻找各种糖类,同时也在把研究范围扩展到其他生命前分子,尤其是氨基酸。
尽管科学家已经寻找了很多年,迄今仍没有任何一种氨基酸在星际空间中得到直接探测。
很长一段时间以来,我一直在寻找最简单的氨基酸,也就是甘氨酸,但始终没有成功。
我认为,这将成为我们接下来最重要的研究方向之一。
结语
赤藓酮糖的发现并没有告诉我们生命究竟如何起源。
它揭示的内容或许更为有限,却可能更加深远。
它提醒我们,构成生命的一部分化学过程,或许早在生物学出现之前就已经开始。
几十年来,科学家设想分子的复杂性通过逐步累积而产生,一个碳原子接着一个碳原子加入已有结构。如今,星际空间中首次发现的糖提示我们,自然有时可能选择另一条路径,把已经存在的较小分子直接组合起来,形成更大的结构。化学路径上的这一变化看似细微,却为理解生命的分子历史打开了全新的思路。
同样值得关注的是这项发现本身的过程。Jiménez-Serra 博士的团队原本并不是在寻找赤藓酮糖。他们期待找到一种更简单的分子,最终却发现了更复杂的分子。科学进展常常以这样的方式发生。重要的并不总是验证已有预期,而是在意外信号出现时,意识到它真正意味着什么。
寻找仍在继续。寻找核糖,寻找甘氨酸,也寻找那些仍隐藏在古老气体与尘埃云中的其他分子。
每一次新的探测,都在扩展我们对宇宙化学组成的认识。
当这些发现逐渐汇聚起来,我们也离人类最古老的问题之一更近了一步。问题或许不仅是宇宙其他地方是否存在生命,而是生命的故事,究竟可以追溯到多么久远的过去。