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数千光年外的手性分子,或将解锁生命起源之谜

时间:2019-03-22|栏目: 天文 • 物理 |点击:7

    数千光年外的手性分子,或将解锁生命起源之谜

    这种新发现的有机分子是环氧丙烷(CH3CHOCH2),它具有手性——也就是说它有左手性和右手性两种构型,两种构型互为镜面对称(见下图),它们具有完全相同的物理性质。对于上过生物学入门的人而言,手性分子并不是一个陌生的概念,它们是构成DNA和蛋白质的基础。但奇怪的是,生物体内的手性分子都是单一手性的,或“左”或“右”,从来没有同时存在过。

    地球生命的这种“单手性”现象是如何出现的?这一直是一个谜。不过现在,在太阳系外第一次发现的手性分子可能会给这个问题一个答案。

    “对于生命体来说,手性是非常重要的,”这项研究(发表于6月14日的Science)的第一作者之一Brandon Carroll说,“地球上所有氨基酸都是左手性的,它们可以组合形成众多体量庞大且功能多样的蛋白质分子,而DNA之所以能形成双螺旋结构,也完全依赖于它的骨架全都由右手性的脱氧核糖构成。”

    数千光年外的手性分子,或将解锁生命起源之谜

    第一次在太阳系外被发现的手性分子——环氧丙烷的两种构型。图片来源:B. Saxton/NRAO/AUI/NSF

    “单手性”(homochirality)的生物学优势是显而易见的,但对于这种特殊性质是如何产生的,以及为什么同种分子只存在单一手性,我们还知之甚少。鉴于构成生命体的简单碳氢氧链可能来源于外太空,那么研究地外的手性分子便是窥视地球过去的一种新方法。

    目前为止,天体生物学家已经在陨石中和彗星表面发现了手性分子。“从陨石中发现的左手性氨基酸比右手性氨基酸略多,这让我们将太空中与地球生命中的手性分子联系了起来,”Carroll说,“如果你想知道多出来的左手性氨基酸从何而来,研究星云将是第一步。”

    “如果你在其他星球吃了一个由与地球上手性相反的分子组成的奶酪汉堡,你可能会中毒,也可能只是消化不良,总之,它和我们的身体不兼容。”

    这就是Carroll和这篇论文的共同作者Brett McGuire近几年在做的事情,他们把研究重点放在Sagittarius B2上,这是一片距银河系中心28000光年,质量为太阳250000倍的星云。从某种意义上说,SagB2是天体生物学家追求的“圣杯”,因为天文学家此前发现的所有星际分子中,大多数都能在这个星云的悬臂和尘埃中找到。“这是已知宇宙中发现分子的最好地点。”McGuire说。

    得益于美国国家射电天文台近几年收集的SagB2星云的无线电数据,Carroll和McGuire开始寻找环氧丙烷这种小而简单的手性分子。通过将澳大利亚帕克斯射电望远镜收集的光谱与数据库中的进行比对,他们证实了环氧丙烷分子的存在。

    “如果把已发现的所有环氧丙烷分子的质量相加,大概相当于五分之四个地球。”Carroll补充说,这虽然听起来很多,但和SagB2星云的大小相比实为沧海一粟,而且这已经是设备目前能够检测的极限。更大且更复杂的手性分子更少,并且更难被发现。

    但我们也没必要在宇宙中寻找更大、更复杂的手性分子。“即使我们不能探测到其他手性分子的存在,如果可以检测出某种手性的环氧丙烷比另一种手性多,对我们理解手性单一化的进程也是至关重要的。”Carroll说。

    或许星际尘埃中产生有机分子的方式就影响了生命形成的过程,使生物分子偏向某一种手性模式;也许左手性的蛋白质和右手性的遗传物质是整个宇宙中所有生命所共有的基本特性,但也有可能地球生命产生的过程更多地受到地球本身的影响,或者地球的生命选择了这一种手性只是随机结果。

    为了区分每种假设的可能性,McGuire和Carroll开始着手测量他们所观测到的环氧丙烷的手性。“即便现有技术是可以实现的,观测也将花费许多时间和精力。”McGuire说。在实验室,化学家们一直运用偏振光来确定有机分子的手性,不过目前为止还没有人将其应用在天文学领域。

    但这项挑战是值得的,不仅因为它可以帮助了解我们的过去,也因为它可以影响我们的未来。如果我们发现了宇宙中的其他生命,它们产生并演化的蓝图和我们是相同还是不同?或者说,它们会与我们在生物学上“兼容”么?

    这些问题是科幻作家津津乐道多年的,而问题的答案关乎我们能否较为容易地在其他星球上生存下来。就像Carroll所说:“如果你在其他星球吃了一个由与地球上手性相反的分子组成的奶酪汉堡,你可能会中毒,或者只是消化不良,但总之,它和我们的身体不兼容。”

    “手性单一化是很实用的工具,所以我们可以很自然地设想任何生命都会善加利用它,”McGuire说,“通过研究这些天体物理过程,我们或许最终可以仔细观测一颗恒星,并揭示它周围行星上的生命是由哪种手性构成的,以及为什么。”

    想象一下,在未来这样的研究或许能够告诉我们哪些行星系统适合居住,哪些行星上只有难以消化的午餐肉,你也会觉得这是很靠谱的投资吧!

    原文链接:https://gizmodo.com/a-strange-new-molecule-in-space-could-solve-a-major-mys-1781918444

    撰文 Maddie Stone

    翻译 牛天宇

    审校 程翔

    论文链接:

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

    DOI:10.1126/science.aae0328

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