手性有機分子之最新天文觀測

2021-01-19 中科院物理所

在全球最精密的望遠鏡的幫助下，兩名天文學家在數千光年外一片正在形成恆星的星雲中發現了一種新型有機分子。這項史無前例的發現可能會幫助揭開地球上生命起源的神秘面紗。




我們所在的銀河系中心的複合視圖。圖片來源:NASA/JPL-Caltech/ESA/CXC/STScI


這種新發現的有機分子是環氧丙烷（CH3CHOCH2），它具有手性——也就是說它有左手性和右手性兩種構型，兩種構型互為鏡面對稱（見下圖），它們具有完全相同的物理性質。對於上過生物學入門的人而言，手性分子並不是一個陌生的概念，它們是構成DNA和蛋白質的基礎。但奇怪的是，生物體內的手性分子都是單一手性的，或「左」或「右」，從來沒有同時存在過。


地球生命的這種「單手性」現象是如何出現的？這一直是一個謎。不過現在，在太陽系外第一次發現的手性分子可能會給這個問題一個答案。


 「對於生命體來說，手性是非常重要的，」這項研究（發表於6月14日的Science）的第一作者之一Brandon Carroll說，「地球上所有胺基酸都是左手性的，它們可以組合形成眾多體量龐大且功能多樣的蛋白質分子，而DNA之所以能形成雙螺旋結構，也完全依賴於它的骨架全都由右手性的脫氧核糖構成。」



第一次在太陽系外被發現的手性分子——環氧丙烷的兩種構型。圖片來源：B. Saxton/NRAO/AUI/NSF


 「單手性」（homochirality）的生物學優勢是顯而易見的，但對於這種特殊性質是如何產生的，以及為什麼同種分子只存在單一手性，我們還知之甚少。鑑於構成生命體的簡單碳氫氧鏈可能來源於外太空，那麼研究地外的手性分子便是窺視地球過去的一種新方法。


目前為止，天體生物學家已經在隕石中和彗星表面發現了手性分子。「從隕石中發現的左手性胺基酸比右手性胺基酸略多，這讓我們將太空中與地球生命中的手性分子聯繫了起來，」Carroll說，「如果你想知道多出來的左手性胺基酸從何而來，研究星雲將是第一步。」


 「如果你在其他星球吃了一個由與地球上手性相反的分子組成的奶酪漢堡，你可能會中毒，也可能只是消化不良，總之，它和我們的身體不兼容。」


這就是Carroll和這篇論文的共同作者Brett McGuire近幾年在做的事情，他們把研究重點放在Sagittarius B2上，這是一片距銀河系中心28000光年，質量為太陽250000倍的星雲。從某種意義上說，SagB2是天體生物學家追求的「聖杯」，因為天文學家此前發現的所有星際分子中，大多數都能在這個星雲的懸臂和塵埃中找到。「這是已知宇宙中發現分子的最好地點。」McGuire說。


得益於美國國家射電天文臺近幾年收集的SagB2星雲的無線電數據，Carroll和McGuire開始尋找環氧丙烷這種小而簡單的手性分子。通過將澳大利亞帕克斯射電望遠鏡收集的光譜與資料庫中的進行比對，他們證實了環氧丙烷分子的存在。


 「如果把已發現的所有環氧丙烷分子的質量相加，大概相當於五分之四個地球。」Carroll補充說，這雖然聽起來很多，但和SagB2星雲的大小相比實為滄海一粟，而且這已經是設備目前能夠檢測的極限。更大且更複雜的手性分子更少，並且更難被發現。


但我們也沒必要在宇宙中尋找更大、更複雜的手性分子。「即使我們不能探測到其他手性分子的存在，如果可以檢測出某種手性的環氧丙烷比另一種手性多，對我們理解手性單一化的進程也是至關重要的。」Carroll說。


或許星際塵埃中產生有機分子的方式就影響了生命形成的過程，使生物分子偏向某一種手性模式；也許左手性的蛋白質和右手性的遺傳物質是整個宇宙中所有生命所共有的基本特性，但也有可能地球生命產生的過程更多地受到地球本身的影響，或者地球的生命選擇了這一種手性只是隨機結果。


為了區分每種假設的可能性，McGuire和Carroll開始著手測量他們所觀測到的環氧丙烷的手性。「即便現有技術是可以實現的，觀測也將花費許多時間和精力。」McGuire說。在實驗室，化學家們一直運用偏振光來確定有機分子的手性，不過目前為止還沒有人將其應用在天文學領域。


但這項挑戰是值得的，不僅因為它可以幫助了解我們的過去，也因為它可以影響我們的未來。如果我們發現了宇宙中的其他生命，它們產生並演化的藍圖和我們是相同還是不同？或者說，它們會與我們在生物學上「兼容」麼？


這些問題是科幻作家津津樂道多年的，而問題的答案關乎我們能否較為容易地在其他星球上生存下來。就像Carroll所說：「如果你在其他星球吃了一個由與地球上手性相反的分子組成的奶酪漢堡，你可能會中毒，或者只是消化不良，但總之，它和我們的身體不兼容。」


 「手性單一化是很實用的工具，所以我們可以很自然地設想任何生命都會善加利用它，」McGuire說，「通過研究這些天體物理過程，我們或許最終可以仔細觀測一顆恆星，並揭示它周圍行星上的生命是由哪種手性構成的，以及為什麼。」


想像一下，在未來這樣的研究或許能夠告訴我們哪些行星系統適合居住，哪些行星上只有難以消化的午餐肉，你也會覺得這是很靠譜的投資吧！


翻譯 牛天宇

審校 程翔

原文連結：

http://gizmodo.com/a-strange-new-molecule-in-space-could-solve-a-major-mys-1781918444


論文連結：

http://science.sciencemag.org/content/352/6292/1449

DOI：10.1126/science.aae0328


本文由微信公眾號「環球科學」（ID：ScientificAmerican）授權轉載


編輯：HWQ


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