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搜寻宇宙中的生命分子 | 赛先生天文

2022/09/23

导读

氨基酸、糖类、醇类……我们还能找到哪些生命存在的基础材料？

遥远的星系中，能否找到那些蕴含生命分子的信号？图片来源：NASA/JPL-Caltech

导读：

氨基酸、蛋白质、糖类、醇类……这些地球上生命的基本分子元素看似再平常不过，但往深一层追问：这些生命相关的分子，又是从何而来呢？问题的答案，却很少有人能说得清楚。或者说，我们在尝试搜索地外生命的过程中，如果找不到外星人本人，是否能通过生命分子的搜索而窥见生命的端倪？本期赛先生天文，让我们看看科学家如何搜寻宇宙中的生命印记。

撰文 | 王均智（广西大学）责编 | 王馨心、吕浩然

生命的起源是人类最关心的几个核心科学问题之一。

虽然人类在几十年来一直都在努力进行外星文明的搜寻（感兴趣的读者可以参阅SETI@home[1]），但是目前还无法直接确认太阳系外的生命是否真实存在。按照地球上的生命构成要素，复杂的有机分子（特别是形成蛋白质及核酸等相关的分子）是形成生命的关键。本文将主要介绍星际空间中与生命相关的分子的探测方法及其进展。

图1，外星人长啥样？图片来源：1982年的科幻电影《外星人E.T.》电影海报

星际分子的发现和搜寻

星际分子的探测，可以通俗地理解为用指纹去找人。主要分为两个步骤：首先，在理论计算的基础上，对目标分子在实验室里准确测定其谱线发射频率（通常在微波到远红外波段）以及不同谱线跃迁之间的相对强度，即找出不同分子的“指纹”特征；然后，在目标频率范围，进行特定分子的谱线发射（或者吸收）的天文观测搜寻。

在星际空间中探测分子，需要在一定的区域内有大量的同样的分子存在，发射出同样频率的辐射而被望远镜所探测到，通过探测到的辐射的强度以及所在的距离信息，可以计算出这种分子的数目以及质量。

作为20世纪60年代的四大天文发现之一，从1963年第一次利用射电光谱发现了星际分子（OH吸收线，图2）到2022年8月为止，已有大约270种分子在星际空间被探测到，其中73种分子在银河系外的星系中被探测到[3]。而关于这些分子如何在星际空间形成，也激发了天文学中一个非常新的研究方向：天体化学（astro-chemistry）。

图2，首个在射电波段被发现的星际分子曲线——OH吸收线，图片来源：参考文献[2]

搜寻氨基酸和它的“表亲”

蛋白质是组成地球上生命的基石，但是，这种生物大分子本身很难以气态存在（非气态的“指纹”特征不明显)，无法通过分子光谱进行天文探测。因此，能够进一步反应生成蛋白质的相关小分子所受到的关注非常之多。

蛋白质是由氨基酸（即含有氨基 -NH₂ 和羧基 -COOH 的有机化合物）发生缩合反应形成的，在星际空间找到氨基酸是很多热爱探索太空生命的人的梦想。2003年曾经有一个小组[4]宣称在多个热分子云核中探测到了最简单的氨基酸——甘氨酸（Glycine，结构简式NH₂CH₂COOH）。然而，很快就有另一个研究小组非常严肃地指出这个探测结果不可靠，并给出了进行类似复杂有机分子探测的标准[5]。这些探测标准主要包括：

（1）探测到的谱线频率与实验室所测得的静止频率的准确符合（基于实验室测定而非通过其他频段测得的跃迁频率进行的推算）；

（2）不同跃迁的视向速度要一致；

（3）考虑了不同空间分辨率的波束稀释效应后，同一分子的多条谱线强度比应该可以用合理的物理参数解释。

非常遗憾的是，到目前为止，并无任何公认的氨基酸探测结果足以服众。但是，科学家在陨石中发现了超过70种氨基酸，这说明星际空间环境就可以形成足够多品种的氨基酸，无需在地球上通过无机物形成[6]。

氨基酸的探测困难重重，但是，人们并没有放弃相关的研究，而是转向在星际空间搜寻氨基酸的“表亲”们——与氨基酸在某些方面有共同特征的分子。大部分的氨基酸有两个重要的特征：手性以及存在支链。手性分子以及含支链的分子的搜寻也在近些年都取得了重要的进展。

除甘氨酸以外，其它氨基酸都有两种手性对映体，它们类似于左右手一样呈镜面对称，但无法重合，因此氨基酸也被分为左旋（L-型）和右旋（D-型）光学异构体。所以，找到手性分子对于理解氨基酸在星际空间的存在有很强的借鉴意义。

星际空间中首个手性分子（环氧丙烷，Propylene oxide，结构简式CH₃CHCH₂O，图3）于2016年在银河系中心通过吸收线探测到[7]。这类分子的发现说明在星际空间环境的天体化学反应过程可以满足手性分子的形成，进而出现足够的对映体过量（其中一种光学异构体偏多）。而地球上生命体所有组成蛋白质的氨基酸，均是L-型分子。

图3，首个在星际空间发现的手性分子（环氧丙烷）的两种手性结构，其中灰色圆球表示碳、白色小球表示氢、红色圆球表示氧。图片来源：参考文献[7]

蛋白质中有三种常见的支链氨基酸（直链碳骨架上具有一个支链）: 亮氨酸、缬氨酸和异亮氨酸，它们对于构成生命十分重要。在星际空间搜寻具有支链的分子，对于理解与生命相关的氨基酸可以起到重要的作用。

虽然在地球上非常常见，但第一次在星际空间（银河系中心附近的大质量恒星形成区Sgr B2）探测到具有支链的分子——异丁腈（或者2-甲基丙腈，iso-propyl cyanide，结构简式C₃H₇CN），却是最近几年才发现的重要研究进展[8]。它是正丁腈（propyl cyanide，结构简式C₃H₇CN）的同分异构体，区别是它的氰基（-CN）是接在碳链的3个碳原子的中间的那个之上，而丙氰的氰基是在边上的碳原子上的。

这个分子的探测结果表明这种含有支链的分子与其直链的同分异构体相比，有比较高的丰度（即总体占比比较高），这对于理解在星际空间形成含支链的氨基酸起到了很大的帮助。

肽键：从氨基酸到蛋白质的桥梁

然而，即使氨基酸能够在太空中被探测到，从氨基酸到蛋白质的过程中也还缺少了非常关键的一步：氨基酸之间需要通过肽键（-CO-NH-，氨基和羧基脱水缩合而形成的化学键）形成蛋白质。

肽键是蛋白质中普遍存在的特殊结构，也是蛋白质的特征结构，因此类肽键分子的探测对于星际蛋白质形成的研究具有重要科学意义。到目前为止，在星际空间一共只探测到了5种含肽键分子（见图4）。其中，最大的肽键分子为丙酰胺（Propionamide，结构简式C₂H₅CONH₂ ），在Sgr B2中探测到[9]。作为一个包括了12个原子的含肽键的分子，丙酰胺分子在星际空间的存在很可能不是特例，更大的类肽键分子，甚至更复杂的生命相关分子，可能在恒星形成过程中形成并稳定存在，只是由于信号太弱以及其它分子的发射的影响，目前还未曾探测到。

图4，目前在星际空间探测到的含肽键的分子的结构图：（a）甲酰胺；（b）乙酰胺；（c）N-甲基甲酰胺；（d）尿素；（e）丙酰胺。图片来源：参考文献[9]

蛋白质以外的有机分子：糖、醇等

目前，在星际空间探测到的约270个分子中，除了前面提到的含支链的分子、手性分子、含肽键的分子等约10种分子外，还有很多是和生命相关的有机分子。比如糖和醇类分子。

醇类分子里，最简单的甲醇（methanol，结构简式CH₃OH）在星际空间大量存在，除了有热辐射之外，还经常会有非常强的脉泽（微波波段的激光）辐射。乙醇（ethanol，结构简式CH₃CH₂OH，俗称酒精）、乙醇醛（Glycolaldehyde，结构简式CH₂OHCHO，最小的糖分子）、乙二醇（Ethylene Glycol，结构简式HOCH₂CH₂OH，生命起源相关的糖合成过程中的核心分子）都在Sgr B2中被探测到[10]。

利用中国科学院上海天文台65米天马望远镜，我国天文学家对Sgr B2进行了后续的大尺度成图观测并研究发现，乙醇醛（见图5）和乙二醇大量而广泛地在其中存在[11]。最近，丙醇（n-propanol，结构简式C₃H₇OH）[12]及其同分异构体（i-propanol）[13]也在星际空间被探测到了。星际空间探测到的大量的复杂有机分子（原子个数大于6）说明，生命所需的糖、醇等分子在星际空间可以大量形成并通过恒星及行星的形成过程进入行星系统，不需要在行星形成后再在行星表面通过简单的分子合成。

图5，Sgr B2中乙醇醛分子发射（黄色等值线）的空间分布，彩色的背景图为示踪电离气体的射电复合线H78ɑ，结果表明乙醇醛这种大有机分子空间分布十分延展而非集中在最活跃的恒星形成区域（电离气体附近）。图片来源：参考文献[11]

天体化学的未来

探索生命的起源一直是科学家的梦想。随着科学的发展和进步，我们虽然离最终答案的揭秘还很遥远，但是一直在越来越接近它。同时，与探索生命起源相关但是涵盖范围更广的一个新兴天文学分支——天体化学，也给了相关天文学研究提供了广阔的舞台。除了搜寻新分子，天体化学的研究还包括化学反应网络（气相、尘埃表面、激波、光化学等）的建立及相关计算，对关键的化学反应网络相关分子的空间分布的观测研究等。

我国的科研人员在积极投入精力开展搜索星际空间的新分子（包括生命相关的有机分子）的两个必要的手段：实验室准确测量分子的发射频率以及相对强度，以及利用天文望远镜进行谱线观测及证认等相关研究。前者如重庆大学正在进行有机分子的转动光谱相关的实验室测量，后者则使用我国自己的望远镜设备（比如上海天文台65米望远镜、中国天眼FAST等）以及国际上的先进望远镜设备（比如智利阿塔卡玛毫米/亚毫米波阵列望远镜ALMA、法国及西班牙的毫米波射电望远镜IRAM、以及未来的平方公里射电阵SKA等）开展复杂分子的搜寻以及相关的天体化学过程的观测研究。

对于天体化学相关的观测和理论研究，国内也已有不少科研人员在积极开展，我们可以满怀期待地展望在未来的天体化学及生命起源探索研究方面体现出更多的中国元素。揭开星际空间生命分子的来龙去脉，探索生命的起源。

作者简介

王均智，广西大学教授。于北京大学获得天体物理学士、硕士及博士学位。中国科学院紫金山天文台博士后，曾任南京大学副教授及中国科学院上海天文台研究员。主要从事射电天文观测研究，研究兴趣包括：银河系及近邻星系中的恒星形成及分子气体性质、星系核活动对宿主星系的反馈、分子天体化学、超脉泽等。

注：本文的写作过程中，得到了重庆大学勾茜教授、中国科学院上海天文台李娟研究员及吕行研究员、东肯塔基大学（美国）全冬晖教授的帮助。

参考文献：

[1] SETI@home, 网址：https://setiathome.berkeley.edu/[2] Weinreb, S., et al., “Radio Observations of OH in the Interstellar Medium”, 1963, Nature, 200, 829[3] CDMS, 网址：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

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