生命的第一次握手：星际空间中探测到手性分子

一个科学家团队使用高度敏感的射电望远镜在星际空间中发现了第一个复杂的有机手性分子。这个环氧丙烷（CH3CHOCH2）分子是在我们银河系中心附近一个被称为射手座B2（SgrB2)的巨大恒星形成的尘埃和气体的云发现的。...





科学家们因为在星际空间中第一次探测到“手性”分子（环氧丙烷）而欢呼雀跃。它主要是通过NSF的绿岸射电望远镜(GreenBank Telescope)在我们银河系中心附近的射手座（Sgr）B2位置——一个巨大的恒星形成区——被探测到的。环氧丙烷是一类所谓的“手性”分子——手性分子具有相同的化学成分，但具有右旋和左旋两种不同的版本。手性分子对于生命来说必不可少，在深空中发现他们可以帮助科学家们了解为什么地球上的生命依赖于特定的手性来执行关键的生物学功能。在这个图像中的SgrA*指示的是在我们银河系中心的超大质量黑洞。该合成图片中的白色部分是用射电望远镜巨阵（Very Large Array，VLA)看到的在银河系中心明亮的射电源。而背景图片来自斯隆数字巡天（SloanDigital Sky Survey）。图中显示了这两种版本的“手性”环氧丙烷。“R”和“S”代表的是拉丁语中的右和左。图片来源：B.Saxton，国家射电天文台（NRAO）/AUI/国家科学基金会（NSF）；Kassim，海军研究实验室，斯隆数字巡天（SloanDigital Sky Survey）

像人类的一双手，某些有机分子具有自己的镜像版本，这是一种被称为手性的化学性质。这些所谓的“手性”分子对于生物来说是必不可少的，有趣的是在在地球上的陨石和我们太阳系的彗星中发现了它们。然而，以前从来没有在广阔的星际空间中探测到它们，直到现在。

一个科学家团队使用高度敏感的射电望远镜在星际空间中发现了第一个复杂的有机手性分子。这个环氧丙烷（CH3CHOCH2）分子是在我们银河系中心附近一个被称为射手座B2（SgrB2)的巨大恒星形成的尘埃和气体的云发现的。

本研究作为生命起源前星际分子调查（Interstellar MolecularSurvey）的一部分，主要由美国国家科学基金会位于西弗吉尼亚州的绿岸望远镜（Green Bank Telescope，GBT）来完成。用澳大利亚的Parkes射电望远镜进行了补充的支持性观测。

“这是在星际空间中检测到的第一个具有手性性质的分子，使得它成为在我们理解在我们的宇宙中生命起源前的分子是如何被制造的以及它们对生命起源可能有的影响上的一个先驱性的飞跃，”BrettMcGuire说，他是位于弗吉尼亚州Charlottesville的国家射电天文台（NRAO）的一位化学家和Jansky博士后研究员。

“环氧丙烷是目前在太空中检测到的最复杂和结构最繁复的分子，”位于加州Pasadena的加州理工学院的化学研究生BrandonCarroll说。“检测到这种分子打开了进一步的实验的大门，以确定手性特性是如何以及在何处出现的和为什么其中一种手性形式的分子可能比另一种形式的分子要更丰富一些。

McGuire和Carroll是一篇发表在今天的《科学》杂志上的论文的共同第一作者。在加利福尼亚圣迭戈举行的美国天文学会会议上，他们也就他们的成果进行了演讲。

太空中的分子形成与探测

在例如射手座B2这样的星云中的复杂有机分子的形成有几种方式。最基本的途径是通过气相化学，在粒子碰撞和合并中产生越来越复杂的分子。但是，一旦像甲醇（CH3OH）一样大的有机化合物产生了之后，这一过程就会变得不那么有效了。

为了形成更复杂的分子，如环氧丙烷，天文学家们相信，尘粒上的薄冰膜会帮助小分子链合为更长和更大的结构。然后这些分子可以从尘粒的表面蒸发，并在周围云的气体中进一步反应。

到目前为止，已经在太空中发现了超过180个分子。每一个分子，当其在星际介质的近真空中自然翻滚和振动时，会发出一种独特的识别标志——在无线电频谱中的一系列信号尖峰。更大，更复杂的分子具有一个相对更复杂的识别标志，使它们更难以检测。



在我们银河系中心附近的一个巨大的恒星形成区域中发现了环氧丙烷手性分子的左旋(S,拉丁文sinister代表左）和右旋（R,拉丁文rectus代表右）版本。这是在星际空间中第一次探测到“手性”分子。图片来源：B.Saxton（NRAO/AUI/NSF）

要宣称一个明确的检测，科学家必须观察到与这个相同分子有关的多条光谱谱线。对于环氧丙烷这个例子来说，该研究小组用绿岸望远镜检测到了两条这样的谱线。由于卫星无线电的干扰，第三条谱线的频率很难在北半球观察到。Carroll,McGuire和他们的同事使用Parkes望远镜来找出最后一条谱线来验证他们的结果。

然而，目前的数据，没有区分该分子的左旋和右旋的版本。除了具有相同的化学成分之外，手性分子还具有相同的熔点，沸点和冰点，以及相同的光谱。“这些光谱就像你的手的影子，”Carroll说。“要区分是右手还是左手投影出这个影子是不可能的。”这对于研究人员试图确定一个版本的环氧丙烷是否比另一个版本的含量更丰富一些提出了挑战。

太空中的手性——伸向地球上的生物的援助之手

地球上所有的生物都使用且只使用各种类型的手性分子中的一种手性特性。这个特质，称为纯手性，对于生命来说至关重要并且对许多生物结构具有重要意义，包括DNA的双螺旋结构。科学家们还不了解生物是怎样变成都要依赖一种手性而不是另一种的。研究人员推测，答案可能是，这些分子在被纳入小行星和彗星之前在太空中自然形成，随后被沉积在年轻的行星上。

“在我们太阳系的陨石中含有手性分子，其比地球本身还早，以及最近在彗星中发现了手性分子，”Carroll说。“这样的小物体可能就是使生物形成我们今天所看到的手性习惯的原因。”

“通过在太空中发现手性分子，我们终于有了一条研究这些分子在进入小行星和彗星之前是如何形成的以及理解它们在纯手性以及生命的起源中所扮演的角色，”McGuire说。

研究人员认为，最终可能可以通过检查在太空中偏振光与手性分子之间的相互作用而确定其中一种手性的环氧丙烷的含量是否比另一种要更丰富。

“生命起源前星际分子调查是一项使用绿岸望远镜进行的近十年之久的研究运动的顶点，”AnthonyRemijan说，他是国家射电天文台的一名天体化学家和该研究小组的负责人。“这是一个非常宝贵的资源，有助于我们了解这个以及其他类似的难以捉摸的分子的宇宙起源。”

长和宽达100米的绿岸望远镜是世界上最大的全可动射电望远镜。

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