生命如何來到地球——量子機械隧道效應可能發揮作用
Serge Krasnokutski 博士研究真空中低溫下生物分子的形成。圖片來源：Jens Meyer/耶拿大學
弗里德里希席勒大學耶拿和馬克斯普朗克天文學研究所的研究小組發現了肽可能來自外星的線索。
弗里德里希席勒大學耶拿分校和馬克斯普朗克天文學研究所的研究人員通過證明肽可以在外太空普遍存在的條件下在塵埃上形成，發現了尋找生命起源的新線索。這些分子是所有生命的基本組成部分之一，因此可能根本不是起源于我們的星球，而是可能起源于宇宙分子云。
氨基酸鏈
我們所知道的所有生命都由相同的化學構件組成。其中包括肽，它們在體內執行各種完全不同的功能——運輸物質、加速反應或在細胞中形成穩定的支架。肽由以特定順序排列的單個氨基酸組成。確切的順序決定了肽的最終特性。
這些多用途的生物分子是如何形成的，是生命起源的問題之一。例如，在流星體中發現的氨基酸、核堿基和各種糖類表明，這種起源在自然界中可能是外星人。然而，要從單個氨基酸分子形成肽，需要非常特殊的條件，以前認為這些條件更有可能存在于地球上。
第一步需要水，而第二步必須沒有水
耶拿大學馬克斯普朗克天文學研究所天體物理學和星團物理實驗室小組的 Serge Krasnokutski 博士說：“水在生成肽的傳統方式中起著重要作用。” 在這個過程中，單個氨基酸結合形成一條鏈。為此，每次都必須去除一個水分子。“我們的量子化學計算現在表明，氨基酸甘氨酸可以通過一種稱為氨基乙烯酮的化學前體與水分子結合形成。簡而言之：在這種情況下，第一步反應必須加水，第二步必須除去水。”
有了這些知識，由物理學家 Krasnokutski 領導的團隊現在已經能夠證明可以在宇宙條件下發生并且不需要水的反應途徑。
“我們不想走形成氨基酸的化學彎路，而是想找出是否不能形成氨基烯酮分子并直接結合形成肽，”Krasnokutski 描述了這項工作背后的基本思想。他補充說：“我們是在宇宙分子云中普遍存在的條件下做到這一點的，也就是說，在真空中的塵埃顆粒上，相應的化學物質大量存在：碳、氨和一氧化碳。”
在一個超高真空室中，作為塵埃顆粒表面模型的基板與碳、氨和一氧化碳在正常氣壓的萬億分之一和零下 263攝氏度下混合在一起。
“研究表明，在這些條件下，肽聚甘氨酸是由簡單的化學物質形成的，”Krasnokutski 說。“因此，這些是非常簡單的氨基酸甘氨酸鏈，我們觀察到不同的長度。最長的樣本由十一個氨基酸單位組成。”
在這個實驗中，德國團隊還能夠檢測到疑似氨基乙烯酮。“反應可以在如此低的溫度下發生的事實是由于氨基乙烯酮分子具有極強的反應性。它們在有效聚合中相互結合。其產物是聚甘氨酸。”
量子力學隧道效應可能起作用
“然而，在這種條件下，氨基乙烯酮的聚合反應如此容易發生，這讓我們感到驚訝，”Krasnokutski 說。“這是因為實際上必須克服能量障礙才能發生這種情況。然而，量子力學的特殊效應可能會幫助我們做到這一點。在這個特殊的反應步驟中，一個氫原子改變了它的位置。然而，它是如此之小，以至于作為一個量子粒子，它無法克服障礙，而是能夠通過隧道效應簡單地越過它。”
既然很明顯在宇宙條件下不僅可以產生氨基酸，而且可以產生肽鏈，我們在研究生命起源時可能不僅要關注地球，還要更多地關注太空。
參考資料：
SA Krasnokutski, K.-J 的“通過原子碳凝聚在空間中形成肽的途徑”。Chuang、C. J?ger、N. Ueberschaar 和 Th。亨寧，2022 年 2 月 10 日，自然天文學。
DOI: 10.1038/s41550-021-01577-9