研究人员揭示了生命的关键成分如何在太空中形成

马里兰大学化学家领导的团队发现了一种制造卡宾的新方法，卡宾是一类反应性极强但寿命极短且不稳定的分子。卡宾参与许多高能化学反应，例如碳水化合物的生成，是地球上生命(甚至可能是太空中生命)构成要素的重要前体。

科学家们通过用紫外线脉冲分解甲醇(一种常见于甲醛等许多工业化学品中的常见酒精)，成功形成了一种名为羟基亚甲基 (HCOH) 的卡宾。该研究结果 于 2024 年 5 月 14 日发表在《 化学学会杂志》上。

“令人惊讶的是，这种卡宾竟然来自甲醇这种常见的分子——我们各地的实验室都有这种喷雾瓶，” 马里兰大学化学与生物化学助理教授、论文资深作者Leah Dodson说道。“193 纳米波长的紫外激光也是相当标准的。这意味着卡宾可以在太空等充满甲醇和紫外线的地方自然形成。通过这一过程在太空中形成的卡宾进一步发生反应，可能会产生构成生命的生物分子。”

该论文的研究结果揭示了地球上卡宾形成和反应背后的机制的线索，从而有助于更好地理解该分子产生生命所需糖的潜力。

“已有研究表明，HCOH 可以反应形成单糖，包括一些之前在太空中检测到的糖，”该研究的主要作者 Emily Hockey (24 年博士，化学专业)说。“我们认为这种卡宾有可能是填补我们关于甲醇和单糖如何产生更大、更先进的生物分子这一知识空白的缺失部分，因为它来自一种在太空中无处不在的分子，可以在任何地方检测到。”

由于卡宾分子具有超高的反应性，其寿命通常很短。这些特性使得卡宾通常很难被科学家生成和观察，从而限制了对该分子的深入理解。但马里兰大学团队生产卡宾的新方法使他们能够对分子进行足够仔细的研究，以观察它们在毫秒时间尺度上的形成和衰变。研究人员惊讶地发现，HCOH 在室温下与氧气的反应相对较慢。

“当我们在室温系统中观察 HCOH 的反应性时，我们发现它在 15 毫秒内就衰变了，”霍基解释道。“有趣的是，由于卡宾被认为是一种超活性物质，因此可以合理地假设这种卡宾会与氧气等物质发生如此迅速的反应，以至于无法捕捉。但事实并非如此。尽管卡宾在暴露于氧气时衰变速度越来越快，但它的速度足够慢，我们仍然能够观察到这种衰变。”

研究人员认为，他们生产和研究卡宾的方法将帮助天文学家和天体化学家对生命起源以及太空生命与地球生命进化方式的不同有新的认识。他们希望通过更深入地观察甲醇分解过程中发生的情况并量化甲醇对紫外线反应产生的不同产物来进一步研究他们的发现。

“我们知道，在我们的过程中会形成像 HCOH 这样的卡宾，但我们想更深入地研究其中有多少比例最终会变成甲醛、亚甲基或其他碳氢化合物自由基，”霍基解释说。“我们最初认为所有产物都是甲氧基自由基，但我们的实验表明，这个过程和由此产生的产物比我们最初的假设更复杂。”

了解甲醇在紫外线下分解产生的产物类型和数量，将为天文学家和天体化学家提供更准确的天体物理观察以及它们数十亿年来的演化过程。

“如果关于甲醇光解离产生物质的现有数据有误，那么所传播的模型也将是错误的——我们对生命如何从这些分子进化而来的理解也可能受到影响，”多德森说。“我们的后续工作有望为这些类型的模拟奠定基础。”

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