1700903284
1700903285
在化学上，脱氧核糖核酸（DNA）和它的近亲核糖核酸（RNA）都是由糖构成的。两者的基本构件都是一种糖分子，叫做核糖，它由4个碳原子和1个氧原子连接在一起构成五边形环。4个碳原子中每一个都有两个自由的化学键，连接到其他原子或化学元素组。在核糖和脱氧核糖中，在氧原子的一侧，一个碳连接到一个氢原子和另一个碳原子，它们这本身又连接到CH2OH原子团。在核糖中，原子环的另外3个碳原子都连接到氢原子和羟自由基。但是，在脱氧核糖中，碳原子不是与OH羟自由基连接，而是只有一个连接到H。脱氧核糖比核糖少一个氧原子，它也因此而得名。
1700903286
1700903287
核酸中的这些基本单位都有些许的调整。在DNA和RNA中，CH2OH基团中最后的一个氢原子被一种键取代，它连接到一种化学名为磷酸基团的物质，这种物质的核心有一个磷原子。磷酸基团的另一边连接到另一个糖环，连接处是一个羟基基团中的一个氢原子。每一个磷酸基团都为两个糖环提供了连接，因此，核酸的核心是由“糖磷酸糖磷酸糖磷酸”这样的链构成的。就其本身而言，这种结构除了当支撑以外，确实很单调，也没什么用。但是，事情却并非这么简单。核酸链除了向上和向下与磷酸基团联系之外，每个糖环还与称作化学基的5个单元中的一个联系，从核酸链旁边伸出来。当然，化学基的数量大大超过5个，就像氨基酸的数量远远超过20种一样；但核酸只用到了五种。所有这5个化学基都是沿着六边形环建立，其中包括4个碳原子和2个氮原子。它们通过把连接到糖环上的一个碳原子的一个OH基团替换为连接到化学基上的其中一个氮原子的连接，而键接到核酸链上的糖环。这五个化学基称为尿嘧啶（uracil），胸腺嘧啶（thymine），胞嘧啶（cytosine），腺嘌呤（adenine）和鸟嘌呤（guanine），而且通常提到它们的时候，只用其首字母。每一个核酸只出现五个化学基中的四个。DNA包含G，A，C和T；RNA包含G，A，C，和U。不过，最重要的是，这些化学基可以在分子中以任何顺序出现。一条DNA链中，其化学特性根本“不在乎”G是靠近A、C还是T。这意味着，每一个核酸所包含的不仅仅是重复同样的糖和磷酸基团，或是同样不包含任何信息的GACTGACTGACT这样的重复。核酸包含有信息。它们所携带的“信息”用四个字母的字母表写在其基干上。这就是基因信息。
1700903288
1700903289
只要字符串足够长，就能用四个字母的字母表（或代码）写出任何讯息。其实，只要两个字母，就能写出任何讯息。比如电脑就是使用二进制代码，即一连串的1和0，描述所有的信息。此前，我们打过一个比方，拿26个字母所写的《宇宙传记》这本书，和蛋白质用21种氨基酸字母所写的信息作过对比；我们或许也同样可以说，本书是用二进制代码写的，因为这就是撰写本书的时候所用的计算机实际使用的代码。既然用一连串的0和1就可以传达一本书所有的信息，甚至比书中更多的信息，因此用一连串的G、A、C、T和U也能做到这一点（这里传递的是遗传密码）。
1700903290
1700903291
对于细胞迷人的细节——比如细胞内的分子机制，生命信息如何储存在DNA的基因编码中，如何借助RNA转录，制造氨基酸，然后再由氨基酸组装成蛋白质等——此处尚不是探讨这些的时候。73但是了解了DNA的确能够携带遗传密码这一点就足够了，可以让我们知道，要是想寻找可能是生命的先兆的分子，我们不应仅仅去寻找氨基酸和氨基酸的基本构成物质，还应该去寻找核糖以及构成核糖的物质。射电天文学家确实一直在寻找这样的生命基石，而且在进入21世纪后的最初几年中，他们已经发现了这样的物质。
1700903292
1700903293
具体来说，他们发现人马座的星际云的无线电频谱具有这些物质的痕迹，其光谱对应的是一种称作羟乙醛（CH2OHCHO）的糖。这些星际云距离地球2.6万光年。74在这些星际云的温暖地区以及寒冷地区（温度低到8K），都检测到存在有大量的这种糖。它之所以能形成，可能是在新的恒星形成时的震荡波穿越这些星际云，提供了所需的能量，使得相应的化学反应得以发生。很显然，那些化学反应还并不止于此，因为观测还揭示出，同一星际云中还存在乙二醇。乙二醇是一种由10个原子组成的分子，是在羟乙醛的基础上增加了两个氢原子，比cyanoPentacetylene更有趣。这是在宇宙空间已经发现的最大的分子，是最常见的防冻剂中的活性成分。
1700903294
1700903295
发现羟乙醛也具有双重意义。从总体上看，这为我们提供了另一个例子，说明现在在太空中发现的分子，与实验里专门设计用来合成前生物分子的试验中所获得的，是一样的分子；尤其是，尽管羟乙醛是围绕两个碳原子构成的核心构建的，但是众所周知，它随时可以与三碳糖反应，形成核糖。迄今所有的证据都表明，银河系里各处的巨分子云中发生的化学反应都是相同的，正是这些化学反应，导致产生了包括氨基酸和核酸在内的复杂生物分子。剩下的两个问题是：
1700903296
1700903297
巨分子云中的复杂性演化能走多远？
1700903298
1700903299
以及
1700903300
1700903301
复杂分子是如何到达地球这样的行星表面的？
1700903302
1700903303
第一个问题的答案比较耐人寻味，它与星际云中含有碳元素有直接关系。宇宙中的碳之所以如此普遍，原因之一是因为碳燃烧只发生在质量为太阳的8倍的恒星内部。约有95%的恒星的质量都小于这一尺度，所以其内部的核燃烧从来未能超出将氦原子核变为碳原子核这一阶段。在恒星内部生成碳是一回事，但是让碳来到恒星表面并喷射到宇宙空间就是另一回事了。恒星看来确实完成了这种“戏法”，因为研究光谱发现，在许多处于特定生命阶段的恒星周围存在的不断扩张的星际云中，存在有气态分子和尘埃微粒。这一阶段表明恒星的外层发生膨胀，变成了红巨星。由于历史的原因，人们称这种恒星处于“渐进巨星分支”（asymPtoticgiantbranch），75有时简称为AGB星。由于AGB星周围的物质运动得太快了，它们必定是在数千年的时间内扩散开的，现在证明在那些云中有分子和尘埃，表明这些复杂的结构以天文时间的尺度看，必定产生得相当快。
1700903304
1700903305
对于像太阳这样的恒星（即所谓的星族Ⅰ恒星），其AGB阶段开始的时候氧比碳要多。计算机模拟表明，恒星核心生成的碳通过对流到达表面，然后在恒星薄薄的外层聚积，直到碳原子的数目超过了氧原子。76只要条件合适，碳原子可以与其他碳原子以各种方式连接。正是这一奇特之处，使得碳对于生命具有了如此重要的意义。所以尽管大部分的碳与氧结合形成了一氧化碳（CO），另一些与氮形成了CN，仍有一些剩下的碳形成了C2和C3。光谱特征表现出含有这些物质的恒星称为碳星（carbon star）——当然，它们并非完全由碳构成。
1700903306
1700903307
在其生命的这一阶段，一个典型的AGB星会膨胀到太阳直径的数百倍，亮度达到太阳的几千倍。在如此大的规模下，该恒星表面的重力会非常微弱，而恒星的辐射造成的向外的压力则非常强。因此，从恒星表面逃逸的材料形成恒星风，每年会带走相当于太阳质量万分之一的物质。这听起来似乎不多——但每经过1000年，就意味着该恒星会失去太阳质量十分之一的物质，相当于地球质量的33000倍。由于扩张的星云温度很低，许多稳定的分子能够在里面形成。研究人员在AGB星的光谱中已经发现了60多种不同类型的分子，其中包括简单的有机化合物，如H2CO和CH3CN；环分子如三角亚丙基（triangularProPynylidine）（C3H2，）以及我们那位有点乏味的老朋友HC11N。
1700903308
1700903309
在AGB星中分辨出的确定无疑存在的固体颗粒包括硅酸盐和碳化硅（SiC）。这些固体颗粒会吸收星光，并将其中的一部分能量以红外光再辐射出去；AGB星周围环绕着如此多的尘埃，使用光学望远镜无法观测到它们，只有使用红外望远镜才能判断出它们是否存在。然而由于地球大气会吸收红外辐射，这样的恒星只能通过红外卫星探测仪或是位于高山顶端的望远镜才能看到。因此，观测研究AGB星周围星云中的各种分子及（尤其是）固体颗粒是一个新的天文学分支，发现的证据仍然会有各种不同的解释，对观测结果尚无明确的单一的解释。研究星周物质，我们还需对其恒星的红外光谱与实验室中研究的矿物光谱进行比较。但总是有这样的可能性，即星际环境可能会产生地球上未知的物质。不过，我们仍然可以推断出这些星云中进行的许多演化。虽然这里所呈现的结论中，有一些还只是主观的推论，是我们自认为知道的，但它们对生命的起源问题提供了诱人的线索。
1700903310
1700903311
并非所有巨星的大气都是碳占据主要位置。在某些情况下，碳原子的数量根本就没有超过氧原子。不论在哪种情况下，较少的物质都锁定到了二氧化碳中，虽然它最终可能参与其他反应。在富氧恒星中，产生的化合物大多是氧化物，而在富碳恒星中，产生的则多是有机化合物。不过，这两种物质都会扩散到空间，与原始的氢和氦混合，形成下一代的行星和恒星所需的原料。
1700903312
1700903313
最重要的氧化物（除了水以外）是硅酸盐，这是一种硅（有时加上其他元素）的氧化物。普通的沙子主要是由最简单的硅酸盐即二氧化硅（SiO2）构成的。硅酸盐是地壳中最常见的矿物。而且在4000多个AGB星的光谱中，也已经发现了它。因此，它的来源没有什么神秘之处。使用轨道红外观测仪发现的与AGB星密切相关的其他氧化物，包括刚玉（是一种由氧化铝的结晶形成的宝石，其硬度在天然矿石中仅次于金刚石，大家更熟悉的名称是“红宝石”和“蓝宝石”），77此外还有尖晶石，这是铝、镁和铁的混合氧化物。虽然这些发现很有意思，但是，这里我们真正感兴趣的是与富含碳的恒星相关的有机化合物。
1700903314
1700903315
即使在富含碳的AGB星中，在尘埃颗粒中最常见的且确定无疑的固体是碳化硅。人们已经在700个碳星中发现了它。但是，年龄越大的碳星，其碳化硅的光谱特征越弱，这说明，在那些恒星上，碳化硅已不再是尘埃的一个主要组成部分。从这里开始，许多内容就属于我们的臆测了。在一部分超越了AGB阶段的碳星的光谱中，仍然有强劲并尚未查明其内容的光谱特征存在。到2004年，人们只发现了具备这些尚未查明的特征中的第一种特征的12颗恒星。而且对于这种光谱特征，除了知道它是由某种形式的碳造成的以外，并没有其他明显的解释。但这一特点分布于红外波段中较大的范围内，而且没有包含某种分子的鲜明的谱线，如碳化硅。第二个特点存在于碳星光谱的不同波长范围（也可以说是分散在不同的波长范围内），显示的许多特点和第一种特点类似。这两种特征也许可以解释为许多环碳分子连在一起发出的红外辐射的综合效应，尽管目前尚无证据表明事实的确如此。
1700903316
1700903317
含有这些碳环的化合物称为芳香族化合物，因为它们往往有明显的气味——当然这样的气味未必总是令人感到愉悦。典型的例子是苯。苯分子（C6H6）由6个碳原子连成六边形，每个碳原子连接到一个氢原子。这一结构被称为苯环，是所有化学家叫做芳烃的分子的核心，有时是由一个不同的元素的原子替换掉碳环中的一个碳原子。
1700903318
1700903319
在这种分子的一个例子中，多出来的一个碳原子被一个氧原子取代，形成了吡喃环（Pyran ring，C5O）。吡喃环容易形成长链，其中每个环，由一个氧原子作为两者之间的桥梁，附在其相邻的环的任意一端。一般情况下，这种长链被称为聚合物。在这一特殊情况下则称作多糖。一旦存在少数这样的链，它们就会倾向于结合更多的碳原子和氧原子，使它们成为更多的吡喃环。此外，如果一个环断开了，就会产生两个多糖链。生命的关键特性在于能够成长和繁殖，尽管多糖还算不上有生命，但这说明生命的这种关键特性，可以随着化学反应变得更为复杂而自然地产生。
1700903320
1700903321
最重要的是，乙炔（c2H2），即苯和其他芳香族化合物的基本组成物，是在这些星云中已经确认存在的分子之一。碳星光谱的广泛特征恰恰处于与苯环的CH和CC键的拉伸和弯曲相联系的红外光谱部分，它们所产生的特点被统称为芳香族红外波段，或AlBs。在实验室中，要想测量其光谱，很难模拟这些复杂的结构在深空存在的环境。然而，接近真空的环境下，温度接近绝对零度，通过激光束探测合成物化学结构，奈梅亨大学在2002年进行了一系列实验，提供了迄今最好的证据，证明我们的判断是正确的。但是，要想解释从太空获取的光谱的特征，只能是很多苯环连在一起，形成一整片或是六边形的环，成为大量的碳材料，含有至少数以百计的碳原子。这种许多苯环的组合被称为多环芳烃，或者PAH。它们也可与碳基链连成规模较小的分子，这些链又可以作为桥梁，构成其他的成片的多环芳烃。地球上有一种非常常见的物质，基本上就是这种结构，那就是煤。
1700903322
1700903323
我们所看到的碳星的宽频红外辐射带，其实是来自我们自己的太阳系。有强有力的间接证据表明，这是正确的解释。陨石是太阳系形成阶段遗留下来的碎片，有时会落到地球上，其所含的物质可能代表了太阳系形成时期，星云气体和尘埃中所含有的固体物质。陨石中最常见的有机物质是油母质，这是一种像煤的材料，是油页岩的固体有机组成部分，加热后会产生类似石油加热所产生的碳氢化合物。这并不意味着煤和石油来自宇宙空间。我们认为多环芳香烃可能是生命产生的基本元素之一，而煤和石油则是曾经存在过的生命的残留，因此它们是在生命故事的另一端——生命真可谓是“本是煤炭，仍要归于煤炭”，而不是像圣经里说的那样“本是尘土，仍要归于尘土”。78
1700903324
1700903325
2005年，NASA的“深度撞击”太空探测器故意撞向坦普尔1号彗星，使用地球上的斯皮策望远镜在红外波段分析了撞击所激起的彗星物质。结果令许多天文学家感到惊讶（但不包括那些一直研究这里所叙述的话题的人），从彗星材料所获得的光谱揭示了那里存在有硅酸盐、碳酸盐，黏土状的材料、含铁化合物，以及类似于烧烤火堆中或汽车尾气中所具有的芳香烃化合物。一直关注我们这里所描述的研究的人，对这些发现感到满意。这就像将拼图的又一块完美地拼合上了，让我们对产生生命所不可或缺的物质是如何来到地球上的有了进一步的了解。
1700903326
1700903327
陨石还能为我们揭示生命起源的其他方面的奥秘。我们已经提到，生命大量使用碳、氢、氧和氮这四种最常见的反应元素。在生命分子中，其他元素的含量要少得多。它们本来相对也较匮乏，因此这不难理解。但是有一个奇怪的例外。我们已经看到，磷是核酸的一个重要组成部分，而且在其他的生命分子中，它的含量也出奇的高。为了更好地理解这一点，可以看一下这一比例：在整个宇宙中，每有1400个氧原子才有一个磷原子；但在细菌中（单细胞有机体，从许多方面讲，它们是生命的基本单位），每72个氧原子就有一个磷原子，从质量方面考虑这使磷成为生命中处于第五位的最重要的生物元素。其原因在于，磷具有不同寻常的机制，能够与其他原子形成联系。由于在磷原子中，量子力学的一种奇怪现象会影响其中的电子，使一个磷原子有时可能同时与其他五个其他原子产生化学键。这使它能够形成大量的分子的组成部分，并将其他化学单位以复杂而有趣的方式链接起来。一旦知道了这一点，我们就会毫不奇怪地发现，磷是复杂性生命的一个重要组成部分。它能够形成多种化学键的这一特性，弥补了其数量的不足。79任何一名园丁或农民都能会告诉你，磷肥对于植物有多么重要。那么这和陨石有什么关系呢？这是因为许多陨石含有磷，而且通常是与铁和镍形成某种矿物形式。2004年，亚利桑那大学的研究人员进行了一个简单的实验，使用了这样一种矿物，称为磷铁镍陨石，将其在室温下投入普通的水中。由此产生的化学反应产生了各种各样的磷化合物，其中包括氧化氮P2O7。多个生化过程会用到这种化合物，它和一种称为三磷酸腺苷（ATP）的化合物类似，后者用来储存所有生命细胞中的能量。三磷酸腺苷的其中一个作用是为肌肉收缩提供动力。这样，我们再一次在宇宙空间找到了存在生命产生所需的基石的证据。此外人们还发现陨石也含有氨基酸（这确定了构成蛋白质的这些基本构件已经存在于太阳系形成时所用的基本物质中）、羧酸和糖类，包括甘油（这是现在地球上的所有细胞在形成细胞壁的时候所需的一种糖）和葡萄糖（一种六角形环分子C6H12O6，对于呼吸有重要作用）。
1700903328
1700903329
关于陨石中的分子还有其他的一些发现，提供了如今地球上的生命和起源于宇宙空间的分子之间的联系。诸如氨基酸以及更有趣的糖等分子具有独特的三维形状，而且通常能以两种镜像的形式中的任意一种存在，就像一副手套的左右两只一样对称。这些通常被称为左旋（左手）和右旋（右手）分子异构体。而左右旋是根据分子对偏振光的影响判断的。我们可以将偏振光想象成沿伸展开的绳索传递的垂直涟漪。左手和右手异构体的影响，是改变涟漪的角度，因此，本来垂直的涟漪出现了向左或向右的倾斜。化学家用组成它们的基本原子合成这些分子得到了同等数量的“左手”和“右手”形式的异构体。量子化学的定律不偏向任何一方。但是，地球上的生命却有偏好，它们几乎完全使用左旋氨基酸制造蛋白质，用右旋糖制造核酸。一个DNA分子不可能使用左旋脱氧核糖，就好像左手的手套没办法戴到右手上。80
1700903330
1700903331
这样一件事首先告诉我们（确认了其他的证据），现在地球上所有的生命都是来自一个共同的祖先。如果这一祖先的生命形式——可能是原始的细胞——正好利用了这一类异构体，其所有的后代将继续这样做，而根本不管周围的环境中还存在这些分子的镜像版本。所以，直到最近，人们觉得似乎存在某种比较好玩的可能性，那就是如果我们在附近的行星上发现与我们类似的生命形式，可能会发现它们可能使用右旋氨基酸和左旋糖，或是使用同样方向的两种分子。这引发产生了不少的科幻小说，故事中提到滞留在其他星球的旅客虽然周围的食物很多，但却不得不挨饿，因为他们的代谢系统无法吸收外部世界的食品。但在20世纪90年代末，天文生物学家发现，陨石中的氨基酸也是左旋的。在太阳系形成之前，不对称性已经存在于生命的分子之中了。
1700903332
1700903333
有两种方法可以让一种分子的数量超过另一种。要么是一开始就制造更多的某一类型的同分异构体，要么就在制造出它们后，把另外一种破坏掉。在实验室中，人们可以用圆偏振光效应去除某种异构体。81天文学家使用建在澳大利亚赛丁·斯普林（SidingSPring）山的英澳望远镜发现了来自猎户座分子云的圆偏振光（在红外光谱部分），这就把拼图的最后一块拼合上了。这是一个恒星正在形成的区域，而且在这里发现了有机分子。看来这一区域的圆偏振光肯定会在星云崩坍，形成新的恒星和行星之前，在这一区域的有机分子上留下印记，使得其中的一类多于另一类。
[
上一页 ]
[ :1.700903284e+09 ]
[
下一页 ]