太空化学的独门秘笈

“以后到太空，有酒喝，有糖吃啦！”一位科学家开着玩笑说。他说这话的配景是：近年来，人们在太空先后发现了庞大的糖类和醇类（酒精是醇类的一种，化学名叫乙醇）等有机分子。

其实，何止有“酒”喝，有“糖”吃，另有“肉”吃哩，因为早在近半个世纪前，人类就在太空中发现了氨基酸分子，而氨基酸是组成卵白质的基本单元。如果扯远去，甚至还可以说有“球”踢呢，因为一种结构很是像足球的分子——足球烯碳60，几年前也在太空中被发现了。所以，以后到太空，我们可以一边喝酒吃肉，一边看球赛啦。不亦快哉！

太空中发现有机分子，意义非同小可

玩笑归玩笑。这些有机分子在地球上，固然是极为普通的工具，但在太空中被找到，意义却非同小可，因为这跟人们感兴趣的另外两个话题——外星人存在的可能性和地球生命的起源——联系在一起。

我们知道，生命运动必不行少的两类物质，一是卵白质，二是遗传物质DNA或RNA。组成卵白质的基本单元是氨基酸，数个氨基酸缩水聚合而成的有机物叫“肽”。肽是庞大水平介于氨基酸和卵白质的一类分子，凭据到场聚合的氨基酸分子数量，可划分称为二肽、三肽……数量庞大的氨基酸分子聚合成的有机物就是卵白质。

至于遗传物质，组成DNA或RNA的基本单元是核苷，而核苷又是由核糖（脱氧核糖）转变来的。核糖（脱氧核糖）不外是一类特殊的糖分子。

太空中氨基酸和糖类分子的发现，意味着组成生命的基本元素在太空中已经齐备。既然如此，那我们就没有任何理由认为生命在宇宙中只地球上“独此一家”。这对于一心想见外星人的读者来说，是“利好”消息。

至于这些发现跟地球上生命起源的关系，事情是这样的：良久以来，许多科学家都怀疑，如果地球上的生命是“空手起家”，即从无机到有机，从单细胞到多细胞，从简朴到庞大，按部就班进化来的，那么以地球45亿年的年事，似乎还嫌太短了点；而且，早期地球大气中似乎也缺少制造有机物的原料。于是，他们认为，地球上的生命应该有个较高的起点，好比说，一开始就是些庞大的有机分子，甚至是细菌或病毒之类的简朴生命；从这样一个起点进化到人类，45亿年的时间才够用。至于这些庞大的有机分子或者简朴生命，则又是通过彗星和陨石从太空中降到地球上的，太空是制造它们的“工厂”。因为宇宙有着138亿年的年事，要造就它们，有的是时间。

好了，我们已经知道了在太空中发现有机分子的重大意义；接下来，自然要问：这些庞大的有机分子在太空中究竟是如何被制造出来的？要知道，太空情况恶劣，对于生命并不友好，那里奇冷或奇热，又时刻受种种致命射线的轰击。在这种情况下，庞大的有机分子何以能够涌现呢？

这是本文需要着重回覆的。不外，在回覆这个问题之前，让我们还是先来看看，迄今科学家在太空到底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，一颗稀有的大陨石坠落在澳大利亚。科学家对其身分举行分析，效果大吃一惊：内里竟含有许多相对庞大的有机分子，包罗氨基酸和肽。厥后，在其他陨石中，也有类似的发现。这些发现的意义非同凡响，因为陨石已往一直被认为内里所含的物质都是很是简朴和原始的无机物，没想到它们还是携带生命原质料的“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，发现时间也是在1969年。

当新一代强大的红外和射电望远镜建成之后，新发现更是络绎不绝。在太空中，有一类星云叫分子云，是由灰尘和气体分子组成的。云内有足够的灰尘可屏蔽太空中的紫外线和宇宙射线，使分子免遭破坏 。凭据量子力学，当分子自旋的时候，它们会发出一系列差别频率的电磁波；每种分子释放的电磁波有其特定的频率，形成了该分子的“指纹”。如果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，就可以把该分子甄别出来。但分子发出的电磁波能量都很低，属于不行见的远红外和射电波段，一般的光学望远镜是观察不到的，所以只能借助红外和射电望远镜。

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。氨基乙腈是合成最简朴的氨基酸——氨基乙酸的主要原料。2009年，在彗星81P/Wild 2的外貌，氨基乙酸也被美国宇航局的科学家找到了。

2010年，在一颗暮年恒星四周，发现了足球烯碳60，这是太空中迄今发现的最大分子。

本文开头提到“有糖吃”的糖，是一种最简朴的糖分子——乙醇醛。这种分子在RNA形成的历程中饰演重要角色。它是2011年在距我们仅有400光年的一颗类太阳恒星四周被发现的。因为它藏身的情况跟太阳系极为相近，这表示，这类糖分子肯定也存在于太阳系降生的谁人分子云上。2013年，一种在DNA形成历程中饰演重要角色的物质——亚氨酸酯，在人马座B2上被找到。

现在，在星际发现的分子总数有180多种，预计这还只是冰山一角。因为分子越庞大，它发出的电磁波特征频率，即“指纹”，就越不显着，因而就越难被发现。

分子云——太空的“化学实验室”

这样，我们就需要往返答这个问题：这些有机分子在太空中是如何被制造出来的？

我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”中被制造出来的。在星际空间，当它们碰在一起的时候，会形成水、二氧化碳和氨等简朴分子，这些分子跟星际灰尘，一同形成了分子云。当分子云冷却和收缩之后，又形成下一代恒星——我们的太阳系也曾降生于一团分子云。

在地球上，水、二氧化碳和氨等无机物是合成更庞大有机物的主要原料。在分子云中，只管有灰尘的掩护，这些无机分子可以恒久地托庇于此，但要让它们形成更庞大的有机分子，分子云却并非合适的场所。首先，这里很是严寒，一般温度只有-260℃左右，在地球上很容易发生的化学反映，在这里由于温度太低而无法举行。其次，这些分子漫衍很是稀疏，平均每立方厘米内只有100～10000个分子（在地球上，在室温和1尺度大气压下，每立方厘米含1019个气体分子）。稀疏意味着分子遇到一起的时机很是小。这些条件使得它们在星际空间相遇和发生反映的概率很是之小。

但从迄今的发现来看，太空中的这些有机分子不行能泉源于别处，只能来自分子云这个太空的“化学实验室”。那么，这一切是怎么发生的？譬如说，在地球上，氨基酸一般是在动植物体内通过一系列庞大的历程获得的，需要酶的到场，而酶又是经由数百万年进化来的；在太空中，没有动植物，没有酶，氨基酸又是怎么制造出来的呢？

你或许还记得第一次踏进化学实验室时的情景吧。其时，最引你注意的也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实验的“道具”。一个反映太慢了是不是？好，给它加热一下，或者搅拌一下，或者添加点反映物；于是，反映就快起来了。

许多化学反映都离不开“道具”，那种把几种物质简朴放在一起就连忙起反映的好事是不多见的。譬如说，你要是把水、二氧化碳和氨常温下放一起，不施以此外条件或手段，它们一辈子都不会起反映。

那么，在茫茫太空中，大自然这个大“化学家”又有什么“道具”可资使用呢？

太空“化学实验”的两个“道具”在太空，可使用的“道具”只有两个：宇宙灰尘和高能射线。

宇宙灰尘是恒星演化到红巨星或者超新星阶段，从“核熔炉”里抛撒出来的固态粉末，待冷却之后，其外貌往往笼罩上一层由二氧化碳、氨、水和碳氢化合物组成的冰壳。

宇宙灰尘可以从三个方面资助化学反映举行。首先，它的外貌不仅为反映提供了一个场所，而且，各种分子被吸到灰尘外貌之后，反映所需要的“门槛”都降低了。其次，它吸走反映中生成的多余热量，给有机分子提供了一个温度合适的场所。因为太空中没有传导、对流等条件，热量一时不容易散发，要是温渡过高，就会把生成的有机分子又给烧毁了。第三，它为反映初始阶段形成的分子提供掩护，如果没有灰尘的屏蔽，强烈的辐射会在这些分子刚生成时就把它们摧毁。

至于高能射线，主要是紫外线和宇宙射线。它们的作用倒是简朴，仅为种种化学反映的发生提供能量。

最后，另有一点我们不要忘记：太空中，分子云的严寒和稀薄意味着，不管发生什么反映，肯定是极端缓慢的。在地球上，凡事讲求效率。一个化学反映几天、几个月没有消息，那是不行的，那实验陈诉或者博士论文就写不成了。但在太空中，大自然可不需要赶写什么实验陈诉或者博士论文，因此那里“什么都缺，就是不缺时间”。一个反映，连续数百万、甚至数十亿年，是件稀松平常的事情，以时间的巨量投入，以补效率之不足。所以，只管太空有着种种倒霉于庞大有机物生成的条件，但最终这些有机物还是弥漫太空各个角落，这应该是不奇怪的。

不外，以上议论还得用事实说话。这里就有一个实例：几年前，美国一个研究小组把少量的水蒸气、二氧化碳、氨气以及灰尘置于一个真空的容器中，然后把温度降到-260℃，以模拟星际分子云的条件。这些气体凝固之后，就吸附在了灰尘外貌。进一步传神地模拟太空情况，给容器里的物质照射紫外线，之后他们发现，容器中有最简朴的氨基酸——氨基乙酸形成了。要想加速反映速度，措施是往容器里添加更多的反映物，这样，在太空中需要上百万年才气完成的事情，在实验室只要几个小时就可实现。

使用这套装置，研究小组乐成地证明，在太空中，氨基乙酸跟我们现在工业上人工合成氨基酸的措施无异。在这之前，我们原以为，这种人工的合成措施在自然条件下是不会发生的。

近几年，这个研究小组又想看看在太空中，是否能合成出比氨基酸更庞大的有机分子。当两个氨基酸分子聚合，就形成了一种叫“二肽”的小分子。那么，在太空情况下，能不能形成二肽呢？只管这个实验很是难做，但经由了3年的努力，研究小组在2013年5月宣布了他们的谜底：二肽在太空中是可以形成的，甚至更庞大的三肽都可以形成。

太空化学的独门秘笈之一——量子隧道效应

不外，也有些事情是用灰尘和辐射所不能解释的。天文学家探测到距我们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。这类有机物可以由羟基和最简朴的醇类——甲醇反映合成，但反映一般需要高温的条件，而这个条件在严寒的英仙座分子云中显然不具备。

一位英国化学家推测，太空中生成甲氧基的反映也许是通过量子效应来实现的。在量子力学里，有一种叫“隧道效应”。当两个微观粒子想融合在一起，但需要克服的障碍（好比静电排挤力）太大的时候，根据经典物理学的看法，那它们就没辙了，反映就不能举行；但按量子力学的看法，它们可以投机取巧，挖个“隧道”钻进去，使得反映得以发生。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。

在太空情况下，因为温度很是低，分子做无规则运动的速度很是小，所以分子与分子碰撞时，就有了更长的接触时间，这就大大增加了发生隧道效应的时机。这样，原来不行能发生的化学反映也能发生了。

在我们这个例子中，穿墙而过的“小球”是个氢原子。原子越小，量子隧道效应越容易发生。氢原子是最小的，所以涉及氢原子的反映中，隧道效应是不行忽视的。实验证明，隧道效应简直让到场反映的氢原子在甲醇分子和羟基之间玩起了“穿越”的花招来。

实验是在2013年做的。化学家把羟基和甲醇混淆之后，在高温下让它们发生反映。然后，逐步降低温度，反映速度随着降下来。根据一般人的想像，温度不停下降，反映速度也应该连续走低才是。可是，不，当温度靠近-200℃时，突然之间，反映比之前快了100多倍。这一现象虽然出人意料，但用量子隧道效应可以很好地解释。

这个发现也许意味着，在太空中可以发生一套与地球上迥异的、全新的化学反映。你可以展开遐想：通过隧道效应，从甲氧基中移除一个氢原子，就可以形成甲醛；甲醛分子如果手拉手，通过缩合，最终又可以形成一个庞大的有机分子……固然，我们遐想的这些反映是否真的会在太空发生，现在还不得而知。

太空化学的独门秘笈之二——生命的火花在撞击中发生

太空中另有另一项制造有机物的独门秘笈，这是人们万万想不到的，那就是天体的碰撞。

一提到碰撞，我们总会下意识地想到：糟了，什么工具要被撞坏了。除了“思想的火花”能在碰撞中发生，碰撞似乎没干过什么好事。

但谁知道呢，也许生命的火花也是在碰撞中发生的。

众所周知，彗星中经常携带一些庞大的有机分子，譬如氨基酸。现在，一位英国科学家通过简朴的实验证明，宇宙中的氨基酸很容易通过彗星与其他天体的碰撞制造出来。

这位科学家通过把水、二氧化碳、氨和甲醇混淆，冷冻成冰块，以模拟彗星，因为彗星一般也由这些质料组成；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，以模拟彗星与行星的碰撞。对碰撞产物举行分析，他发现内里竟然含有了氨基酸。

思量到彗星与其他天体的碰撞在宇宙中是很频繁的，那么可以预测，氨基酸在宇宙中的漫衍应该很普遍，而氨基酸是组成生命的基本单元，那会不会意味着，外星生命也应该很普遍呢？

最后让我们还是回到地球生命的起源问题上来。众所周知，生命起源的第一步是从无机到有机，而从上述这些例子中，我们已经看到，制造庞大的有机物，并非当今地球的独家专利。也许，太阳和它的行星就可能降生在充满着有机分子的太空情况中。思量到早期地球大气的组成以及地球的年事，生命起源“从无机到有机”这一步似乎不太可能是在地球上完成的。一个普遍的推测是，地球上最早的有机分子可能是随着彗星从太空带到地球的。如果思量到在地质史上，约莫在距今40～35亿年的某个时期，地球简直曾经遭受过彗星和陨石的狂轰滥炸；而且，我们今天在地球上所能找到最早生命的证据，也泛起于这个时期之后不久，那么这个推测还是颇有原理的。

要是这个推测属实，那么地球生命的最早起源地就要追溯到那广漠无垠、深邃众多的太空了。当今人类的太空探险，说穿了，其实不外是回老家寻根。

【超级链接】 有机物可以在“猛火”中幸存

正文中已提到，良久以来科学家就推测，一些组成生命的庞大有机分子，甚至简朴生命自己，可能是在太空中最先形成，然后通过陨石撒播到地球上的。这个地球生命的起源学说，叫“胚种说”。

可是，且慢，这里另有一个大问题：就算生命真是在太空形成的，但陨石坠落地球，肯定要陪同猛烈的碰撞，这些懦弱的有机分子或简朴生命，能在碰撞燃起的“猛火”中幸存吗？倘若不能，那“胚种说”也就不能建立。

最近一项发现讲明，有机分子或简朴生命是可以在陨石碰撞中幸存的。证据来自澳大利亚一个有着80万年历史的陨石坑。

科学家在陨石坑中找到一块当年由陨石碰撞发生的玻璃状物质。在玻璃中，他们发现有一粒球状内含物，内里充满气体。把玻璃研碎，提取内含物里的物质举行分析，讲明内含物富含泥炭沼泽地里的有机物，包罗组成植物叶子的纤维素和高分子聚合物等。思量到陨石坑所在地在80万年前是一块沼泽，这块玻璃及其内含物极可能是这样形成的：当陨石撞击地面时，部门岩石熔化，形成这种玻璃物质。与此同时，沼泽地上含植物身分的泥浆溅起来，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，形成了气泡，而植物的有机身分则被保留下来，封存在小气泡里。

这个例子说明，有机物是可以通过这种方式在陨石碰撞中幸存下来的。固然，在这里，有机物来自地球，但如果来自陨石自身，也一样。

如果撞击发生时，地球还是不毛之地，而陨石倒富含有机物，我们再设想，经由一段时间的地质运动或者风化作用，这块在撞击中形成的玻璃碎了，封存内里的有机物被释放出来，于是一场漫长的生命起源和进化历程就可以开始了……

另一方面，我们还可以臆测，在地球已充满有机生命的情况下，发生这样一场陨石撞击，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——游览太空。固然，要让地球物质克服重力，溅到太空，撞击肯定很是猛烈才成，但这种可能性还是存在的。事实上，有许多天文学家认为，月亮就是被陨石撞击溅洒到太空的地球物质凝聚而成的。