图片：地出（来源：NASA）
（伏维阁主 /译）“地出”：这张著名的“地出”照片，重新定义了整整一代人与我们地球的关系。阿波罗8号宇航员于1968年圣诞夜在月球轨道上拍摄了它。在这张照片上，我们可以看到一颗遍布云斑的蓝色星球，在那危机四伏的黑暗中闪着微光；它让我们认识到，我们的星球是多么孤独——只有在地球这颗脆弱的蓝色星球上，原子才能相遇，然后一点点组成分子，再以此为基础，逐渐构造出那化学的奇迹——生命。
但也许这不过是我们的想当然而已。地球真的是一颗孤独的星球吗？如果转头望向另一边个方向，我们或许就会得出不同的结论——我们的最新发现，已经对这一观点提出挑战。当然，我们并没有发现地外生命；但是我们发现了大量证据，足以证明太空中存在着能创造出生命的、复杂的碳化合物——小分子烃、糖和醇，甚至可能还有那奇特的氨基酸。这些发现就像那幅“地出”照片一样，可以完全颠覆我们的世界观。“地球上正在发生什么？宇宙中又曾经发生过什么？这些发现会完全改变你的认知。”美国亚利桑那州图森大学的天体化学家露西•泽里斯（Lucy Ziurys）如是说道。而这些发现也引出了一个大问题：宇宙中的这一切分子，又是怎么被创造出来的呢？
新发现颠覆的，并不是“外太空不可能发生化学反应”。我们早在大半个世纪以前就知道，在恒星的“核熔炉”里诞生的碳、氧和其他元素，可以在星际空间中形成简单的分子，比如水、一氧化碳和氨。由此形成的分子云可以向内坍缩，形成新一代恒星，有的还能形成庞然巨物：比如位于我们银河系中心的人马座B2 (Sagittarius B2)，直径就有150光年。
外星来客
但要创造出更复杂的分子，还需要经过一系列非常复杂的“化学舞蹈”， 而分子云并不是一个理想的舞台。比如分子云的密度太小，而且温度太低——它们的温度实在太低了，以至于无法为化学反应提供足够的能量。但在我们地球上，这些化学反应就可以顺利发生。在上述种种条件的限制之下，原子就很难在星际空间里相逢、结识，然后发生反应。
但这件事也许还没结束。在那张“地出”照片诞生短短几个月后，一位外星来客给我们捎来了别样的讯息。1969年9月28日，人们在澳大利亚维多利亚州的默奇森镇（Murchison）上空看到了一颗明亮的火球——这是人类有史以来观察到的最大的流星之一。
在接下来的几十年里，对默奇森陨石样本的分析研究，给我们带来了一系列惊人的发现：陨石中含有大量相对复杂的有机分子，其中就包括能合成蛋白质的氨基酸，甚至更复杂的多肽。科学家在其他陨石里也发现了类似的分子。这些发现可谓至关重要。因为科学家认为，陨石中含有的化学成分，跟最初形成太阳系的物质中所包含的成分非常相似。泽里斯说：“我们的太阳系形成于分子云中，而陨石就像是那分子云派来的信使。”
但只有在新一代大功率红外线和射电望远镜投入使用之后，科学家才开始仔细观察这些分子云。这些望远镜可以测量气态云里分子旋转时发出的低能量电磁波——根据量子力学理论，分子会在旋转时发出特定频率的电磁波。正因如此，在太空不同区域的光谱中，也就隐藏着关于其化学组成的蛛丝马迹。
随着我们对这些蛛丝马迹的了解越来越深，我们也收获了接二连三的惊喜。科学家在太空中发现的最大分子就是富勒烯了。这种大质量的碳分子，是个由60个碳原子组成的布基球。2010年时，NASA的斯皮策太空望远镜在一颗衰老的恒星周围发现了它们的踪影。除此之外，还有许多由从2到13个原子组成的小分子——其中有些只差一点点就能变成生命的基石。
例如2008年时，科学家在人马座B2发现了氨基乙腈（aminoacetonitrile）。它是甘氨酸——最简单的氨基酸——的前体。2009年时，NASA的“星尘”任务又在维尔特二号彗星（81P/Wild 2）表面发现了甘氨酸——尽管人们对甘氨酸是否存在于星际空间仍存争议。
另一种被明确鉴定出来的分子，是类糖分子乙醇醛（glycolaldehyde）。它的发现得益于坐落在智利安第斯山脉的大型射电望远镜阵列“阿塔卡马大型毫米波/亚毫米波阵列”（Atacama Large Millimeter/sub-millimeter Array, ALMA）。ALMA于2011年启动。它在一颗距离地球只有400光年远的恒星附近发现了乙醇醛，意味着这种分子很可能存在于我们太阳系诞生的那个分子云里。2013年时，科学家又在人马座B2上发现了亚氨基乙烷（ethanimine），这是DNA某种碱基的前体。
迄今为止，科学家一共在星际空间发现了180种分子（如图）。可以说，它们不过是巨大的冰山露出的一角。因为分子越复杂，发现它就越困难。
图片：宇宙空间的分子——科学家目前为止在宇宙空间发现的这180种左右的分子，大多都很小。除去最简单的分子（比如水）之外，还有类糖分子、简单的酒精分子、碳氢化合物，以及蛋白质和DNA的前体。（来源：New Scientist）
“我们现在有了灵敏度极高的射电望远镜，我们取得的光谱拥有细密的光谱线：一条紧挨着另一条。”泽里斯说，“但要鉴定一种复杂分子，仍然是件非常困难的事。因为它们的光谱线很微弱，而且它们藏身于混沌的密林之中。”
分子越大，它的结构就越松散——所以你很难确定它的预期光谱。泽里斯说，甘氨酸的存在与否，为什么仍有争议？部分原因在于，甘氨酸的特征光谱究竟是什么样子，就连实验室的研究人员都无法取得一致。
即便如此，从我们目前的发现来看，宇宙空间中确实可以形成相对较大的分子，而且这些分子跟我们在地球上发现的大分子拥有惊人的相似性。这又是怎么一回事？在我们地球上，氨基酸分子需要在植物或动物体内经过一系列复杂的化学反应才能形成，而且需要酶的催化调节——酶在此之前已经演化了数百万年之久，才能胜任这样的工作。
但是宇宙空间十分疏阔寒冷。不管是什么反应创造出了这些大分子，其过程必然都极为缓慢。用望远镜观察星空的人，可能要等上数千年之久，才能看出分毫变化。美国夏威夷大学马诺阿分校的拉尔夫•凯撒（Ralf Kaiser）说：“发生化学变化的速率实在太慢了，不可能进行实时观测。”
但凯撒是位喜欢自己动手处理的研究者。他和他的同事们在温度只比绝对零度多10度的真空室中浓缩化合物（例如水、二氧化碳和氨），从而在实验室里重建了类似于星际空间的环境。有了这个大环境，那么要想缩短反应时间，只需要把更多物质放进这个真空室里就行了。所以在宇宙空间需要花数百万年时间才能相遇的原子，在这里只要花几个小时就能碰面。凯撒说：“我的实验室多少有些像是时间机器。”
拉尔夫·凯撒在他的实验室中。（来源：hawaii.edu）
在此条件之下，该研究团队最终设法证明，宇宙中的甘氨酸很可能是通过施特雷克合成反应（Strecker synthesis）被制造出来的。该反应从19世纪开始就被化工厂用来合成氨基酸。但我们此前认为，这一反应并不会自然发生。
在我们地球上，你需要把完全正确的化学“素材”——醛、氨和氰化物——放在一起，加热到合适的温度，再加上某些酸，才能促发施特雷克合成反应。但在宇宙空间里，地球上那位化工专家的工作，似乎是由另外两样东西完成的：一个是高能辐射，另一个是尘埃。激烈的电离辐射呼啸着穿过宇宙空间，提供的能量促发了一系列化学反应，启动了施特雷克合成反应。
至于宇宙尘埃——由恒星喷出的固体碎屑，上面覆盖着由二氧化碳、氨和碳氢化合物组成的冰冷外壳——则从三个方面来辅助施特雷克合成反应。首先，它给化学反应提供了“舞台”：被它吸收到表面的分子，一般只需要少得多的能量就能发生反应。第二，它可以吸收反应产生的多余能量。第三，它的冰冷外层可以为反应最初阶段形成的分子提供保护——如果这些分子直接暴露于宇宙辐射之中，那么它们刚一合成就很可能被破坏殆尽。
凯撒最近在和美国加州大学伯克利分校的研究人员展开合作。他们希望知道，“宇宙化学”是否能创造出更超出氨基酸的东西。他说：“我们想看看氨基酸是否能在模拟冰粒上进一步链结起来。”如果两个氨基酸结合在一起，就能形成一个二肽——也就是一个非常小的蛋白质。如果科学家能在实验室的模拟冰粒上发现蛋白质，就意味着生命的最基本构建模块确实可以在宇宙空间中形成。
但是实验证明，要想发生反应，实在太困难了：合成出来的成品数量极其稀少。但在3年之后，经过了40次重复实验、无数次交叉检查和光谱分解，该研究团队终于在2013年3月找到了答案。二肽确实可以在宇宙空间中合成；甚至就连更复杂的化学结构——比如三肽——都有可能合成。欧洲航天局的“罗塞塔”任务计划于2014年登陆“67P/楚留莫夫-格拉希门克”彗星（67P/Churyumov-Gerasimenko）。它或许可以帮助我们确证这件事——至少是在彗星表面。（罗塞塔任务探测器“菲莱”于2014年11月12日登陆67P。目前结果仍在分析之中。——译者注）
但是宇宙里还有其他分子，仅凭星尘的薄雾和电离射线的辐射，还无法得出令人满意的解释。比如2012年时，科学家在星际空间里发现了甲氧基。这些小分子比甲醇——最简单的醇——少一个氢原子，所以需要从甲醇拿走一个氢原子才能形成。在地球的大气层里，当甲醇遇到一个由单一氢原子和单一氧原子组成的羟基时，就会发生这一化学反应。但是实验表明，在星际云的尘埃颗粒上，甲醇在反应中被拿走的是“错误”的氢原子，所以该反应就会产生另一种分子，名为“羟甲基”。也就是说，在自由空间（free space。编者注：一种理论的完美真空）中漂浮的甲醇和羟基，似乎不太可能形成甲氧基——就是没有足够的能量让它们发生反应。
2013年，英国利兹大学的德韦恩•赫德（Dwayne Heard）和他的同事在无意之间解决了这个悖论。赫德说：“我们的目标原本是研究羟基在我们地球大气中的化学反应。”但是他们的设备碰巧让他们降低了反应的温度。当温度到达-200℃，反应速度突然加快了100倍。
赫德说：“反应速度提升得太快了，我们只能惊呼：‘天哪！一定还发生了别的什么！”
量子来助阵
后来科学家发现，是量子力学在背后搞鬼。低温会让化学反应平缓下来，所以分子可以在一起待上足够长的时间，发生“量子隧穿效应”。来自德国斯图加特大学的理论化学家约翰尼斯•卡斯特纳（Johannes Kästner）这么解释量子隧穿效应：就好比你把球往墙上扔，但是球没有反弹回来，而是径直穿过墙壁去。与之类似，参与化学反应的原子，有时候并不需要攻克能量的壁垒（有限位势垒——译者注）——根据量子力学理论，原子的位置拥有不确定性；虽然可能性很小，但是它仍有一定可能穿过位势垒。
参与反应的原子越小，就越容易出现这样的情况。卡斯特纳说：“这就是为什么隧穿效应在氢原子的反应中最为重要。”研究发现，正是在这种量子效应的协助之下，在低温自由空间里参与甲醇和羟基反应的氢原子才能重新定位，组成甲氧基。
或许一个全新的星际化学反应网络正准备由此开端。而你唯一需要做的，只是从甲氧基中再拿走一个氢原子，制造出甲醛。甲醛会一次又一次发生反应，最终“成长”为一个复杂的有机分子。
不过，这一反应真的能在自由空间里发生吗？科学家目前还在猜测之中。但最近在太空中发现的有机分子，再次掀起了那场久已有之的讨论：地球是否真的是生命的前体分子最初形成的地方？一种关于生命起源的理论认为，地球上的第一个多肽是由3到8个氨基酸组成的；它会进一步诱发反应，形成较大的分子，并最终形成大型蛋白质、酶和其它生命必需的分子。但至于那些小多肽是怎么在地球上形成的呢？答案仍然暗昧不明，而且矛盾重重。比如在地球早期的大气之中，似乎并不存在可以发生上述化学反应的成分。
然而现在看来，创造出生命的化学反应并不一定是在地球上发生的——太阳和围绕它运行的行星们，可能一开始就诞生于一个拥有有机分子的环境之中，而且某些有机分子至少像二肽那么大。也许在地球的化学条件渐臻佳境的时候，这些有机分子随彗星来到地球。泽里斯介绍说，在距今大约40-35亿年前的某个时候，地球曾经历了一次彗星和陨星的疯狂轰炸。“我们找到的关于生命起源的最早证据，就来自那之后不久。”
这也许是个巧合，但也许给我们提供了另一种解释。2013年9月发表的一项研究证明，氨基酸可以在冰彗星的表面形成——只要这颗冰慧星拥有像地球一样的岩石表面就行了。当然，就算出现在地球上的分子并不完全是地球自己的发明，我们的星球仍然大大推动了宇宙化学的进程——而且就我们目前所知，远远超越了其他任何地方。所以我们有足够的理由，去珍惜这颗独一无二的蓝色星球——在我们眺望环绕四周的宇宙时，我们不妨停下来想一想：至少我们的分子并不孤独。 （编辑：游识猷）