星际冰面上甘氨酰胺的形成

《ACS Central Science》：The Formation of Glycolamide on Interstellar Ices

科学家首次证实星际介质中可通过低温和辐射催化的非平衡反应高效合成甘醇酰胺，为解释天体生物学中氨基酸前体缺失之谜提供新视角。该分子可能作为生命基础有机物在星际尘埃中形成，并释放到早期行星盘中。

　　

几十年来，科学家们一直在星际空间中寻找生命的化学前体。在《ACS Central Science》的这一期中，Kaiser及其同事首次展示了糖酰胺（一种与氨基酸密切相关的分子）如何在星际介质（ISM）的严酷和寒冷条件下高效形成，从而为这一探索带来了重大进展。

尽管经过数十年的努力，最简单的氨基酸——甘氨酸（蛋白质的基本构建块）在太空中仍未被探测到。这一现象令天体化学家感到困惑，因为甘氨酸已经在陨石、彗星甚至返回地球的小行星样本中被发现。(2?5) 这一悖论为Kaiser的研究提供了背景。糖酰胺是一种小型有机分子，最近在星际介质中被检测到。(6) 虽然糖酰胺本身不是氨基酸，但它在结构上与甘氨酸有关。作者们勾勒出了一个化学家族树，其中糖酰胺是更多具有生物意义的分子的前体。通过各种反应，它可以转化为甘氨酸（这种“缺失”的氨基酸）、乙酸以及其他对生命至关重要的化合物。这意味着所谓的“缺失”甘氨酸可能只是被封存在冰中，或者不断从前体如糖酰胺中生成。Kaiser及其同事的研究重点关注可能导致糖酰胺形成的化学途径。他们结合了实验和理论方法来进行研究。在实验室中，他们重现了星际介质的关键特征：将简单的、众所周知的星际分子（甲酰胺和甲醇）的薄冰膜沉积在接近绝对零度的冷表面上，然后用高能电子对其进行辐照，这些电子模拟了银河宇宙射线产生的次级粒子。作者们进行了理论计算以帮助解释实验结果。随着时间的推移，实验表明糖酰胺可以通过这些冰中的自由基反应高效形成。

他们的发现很重要，因为它挑战了一个关于化学的直觉假设：即复杂分子需要温暖的环境、液态溶剂或漫长的反应时间。相反，作者们证明，在接近5 K的温度下，太空中的化学反应也可以相对快速、高效且富有成效。

他们发现，在冷却至5–10 K的冰上，主要的化学途径是两种含碳自由基的重组，这一过程在一个典型的密集星云的生命周期（约10^6年）内就能发生。

这表明分子复杂性可能在分子云形成初期就已出现，远早于恒星和行星的形成，而且一些生命必需的分子前体可能并不是在行星上形成的，而是在行星形成之前就已经存在。

Kaiser及其同事工作的第二个关键见解在于他们研究的实验机制。所描述的反应是“非平衡”过程，由高能辐射驱动而非缓慢的热扩散。宇宙射线会破坏简单分子，产生高度活性的自由基。当这些自由基以正确的方向相遇时，它们可以无能量障碍地重新结合。图1 在这种情况下，两个碳中心的自由基结合形成新的碳-碳键——这是构建生物分子的重要步骤之一。

图1

图1. 在5 K下，甲酰胺-甲醇冰形成第一代产物的反应示意图。碳原子显示为灰色，氢原子显示为白色，氧原子显示为红色，氮原子显示为蓝色。经参考文献(1)许可复制。采用CC-BY 4.0许可协议。版权所有：Alexandre Bergantini, Jia Wang, Ivan Antonov, Evgenia A. Batrakova, Sergey O. Tuchin, Ralf I. Kaiser。

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这一发现的意义在于，糖酰胺可以在星际介质中从第一代自由基（碳酰胺基和羟甲基）快速形成。

我们不必等到行星形成并冷却后，生命化学过程才能开始。实际上，生物所需的复杂有机分子早在恒星点燃之前就已经在星际尘埃上合成了。换句话说，太空提供了所需的原材料（自由基）和能量（通过宇宙射线），从而在密集分子云的生命周期内，大量的糖酰胺可能会在尘埃颗粒上积累。像糖酰胺这样的化合物可能是复杂氨基酸、肽和糖类的合理前体，一旦在固态中形成，它们可以在行星系统形成的早期阶段释放出来，为新生行星提供最初的复杂有机分子。

这项研究探讨了一个具有普遍意义的问题——生命的成分来自何处——它跨越了化学、物理、天文学和天体生物学的领域。研究依赖于先进的实验室设备、量子化学计算以及天文观测的数据支持。利用先进的检测方法（特别是可调谐的光电离飞行时间质谱技术），团队在缓慢加热冰的过程中实时观察了这一化学过程。

当然，需要强调的是，糖酰胺并不是甘氨酸，形成前体并不等同于形成生命。与星际冰的真正复杂性相比，这些实验受到了严格的控制和简化。例如，实验室样本中的甲酰胺和甲醇的比例约为1:1，这很可能与星际介质中这些物质的实际丰度不符。尽管如此，作为概念验证，这项工作非常有说服力。它证明了只要有足够的甲酰胺和甲醇，糖酰胺就很容易在寒冷的星际环境中形成。

总之，这项研究可以被视为一种视角的转变。它表明，氨基酸的前体可以在行星形成的非常早期阶段在冰上形成，并释放到气体中，从而为行星的形成贡献物质。