圖片：地出（來源：NASA）
（伏維閣主 /譯）「地出」：這張著名的「地出」照片，重新定義了整整一代人與我們地球的關系。阿波羅8號宇航員於1968年聖誕夜在月球軌道上拍攝了它。在這張照片上，我們可以看到一顆遍布雲斑的藍色星球，在那危機四伏的黑暗中閃著微光；它讓我們認識到，我們的星球是多麼孤獨——只有在地球這顆脆弱的藍色星球上，原子才能相遇，然後一點點組成分子，再以此為基礎，逐漸構造出那化學的奇跡——生命。
但也許這不過是我們的想當然而已。地球真的是一顆孤獨的星球嗎？如果轉頭望向另一邊個方向，我們或許就會得出不同的結論——我們的最新發現，已經對這一觀點提出挑戰。當然，我們並沒有發現地外生命；但是我們發現了大量證據，足以證明太空中存在著能創造出生命的、復雜的碳化合物——小分子烴、糖和醇，甚至可能還有那奇特的氨基酸。這些發現就像那幅「地出」照片一樣，可以完全顛覆我們的世界觀。「地球上正在發生什麼？宇宙中又曾經發生過什麼？這些發現會完全改變你的認知。」美國亞利桑那州圖森大學的天體化學家露西•澤裡斯（Lucy Ziurys）如是說道。而這些發現也引出了一個大問題：宇宙中的這一切分子，又是怎麼被創造出來的呢？
新發現顛覆的，並不是「外太空不可能發生化學反應」。我們早在大半個世紀以前就知道，在恆星的「核熔爐」裡誕生的碳、氧和其他元素，可以在星際空間中形成簡單的分子，比如水、一氧化碳和氨。由此形成的分子雲可以向內坍縮，形成新一代恆星，有的還能形成龐然巨物：比如位於我們銀河系中心的人馬座B2 (Sagittarius B2)，直徑就有150光年。
外星來客
但要創造出更復雜的分子，還需要經過一系列非常復雜的「化學舞蹈」， 而分子雲並不是一個理想的舞台。比如分子雲的密度太小，而且溫度太低——它們的溫度實在太低了，以至於無法為化學反應提供足夠的能量。但在我們地球上，這些化學反應就可以順利發生。在上述種種條件的限制之下，原子就很難在星際空間裡相逢、結識，然後發生反應。
但這件事也許還沒結束。在那張「地出」照片誕生短短幾個月後，一位外星來客給我們捎來了別樣的訊息。1969年9月28日，人們在澳大利亞維多利亞州的默奇森鎮（Murchison）上空看到了一顆明亮的火球——這是人類有史以來觀察到的最大的流星之一。
在接下來的幾十年裡，對默奇森隕石樣本的分析研究，給我們帶來了一系列驚人的發現：隕石中含有大量相對復雜的有機分子，其中就包括能合成蛋白質的氨基酸，甚至更復雜的多肽。科學家在其他隕石裡也發現了類似的分子。這些發現可謂至關重要。因為科學家認為，隕石中含有的化學成分，跟最初形成太陽系的物質中所包含的成分非常相似。澤裡斯說：「我們的太陽系形成於分子雲中，而隕石就像是那分子雲派來的信使。」
但只有在新一代大功率紅外線和射電望遠鏡投入使用之後，科學家才開始仔細觀察這些分子雲。這些望遠鏡可以測量氣態雲裡分子旋轉時發出的低能量電磁波——根據量子力學理論，分子會在旋轉時發出特定頻率的電磁波。正因如此，在太空不同區域的光譜中，也就隱藏著關於其化學組成的蛛絲馬跡。
隨著我們對這些蛛絲馬跡的了解越來越深，我們也收獲了接二連三的驚喜。科學家在太空中發現的最大分子就是富勒烯了。這種大質量的碳分子，是個由60個碳原子組成的布基球。2010年時，NASA的斯皮策太空望遠鏡在一顆衰老的恆星周圍發現了它們的蹤影。除此之外，還有許多由從2到13個原子組成的小分子——其中有些只差一點點就能變成生命的基石。
例如2008年時，科學家在人馬座B2發現了氨基乙腈（aminoacetonitrile）。它是甘氨酸——最簡單的氨基酸——的前體。2009年時，NASA的「星塵」任務又在維爾特二號彗星（81P/Wild 2）表面發現了甘氨酸——盡管人們對甘氨酸是否存在於星際空間仍存爭議。
另一種被明確鑑定出來的分子，是類糖分子乙醇醛（glycolaldehyde）。它的發現得益於坐落在智利安第斯山脈的大型射電望遠鏡陣列「阿塔卡馬大型毫米波/亞毫米波陣列」（Atacama Large Millimeter/sub-millimeter Array, ALMA）。ALMA於2011年啟動。它在一顆距離地球只有400光年遠的恆星附近發現了乙醇醛，意味著這種分子很可能存在於我們太陽系誕生的那個分子雲裡。2013年時，科學家又在人馬座B2上發現了亞氨基乙烷（ethanimine），這是DNA某種鹼基的前體。
迄今為止，科學家一共在星際空間發現了180種分子（如圖）。可以說，它們不過是巨大的冰山露出的一角。因為分子越復雜，發現它就越困難。
圖片：宇宙空間的分子——科學家目前為止在宇宙空間發現的這180種左右的分子，大多都很小。除去最簡單的分子（比如水）之外，還有類糖分子、簡單的酒精分子、碳氫化合物，以及蛋白質和DNA的前體。（來源：New Scientist）
「我們現在有了靈敏度極高的射電望遠鏡，我們取得的光譜擁有細密的光譜線：一條緊挨著另一條。」澤裡斯說，「但要鑑定一種復雜分子，仍然是件非常困難的事。因為它們的光譜線很微弱，而且它們藏身於混沌的密林之中。」
分子越大，它的結構就越松散——所以你很難確定它的預期光譜。澤裡斯說，甘氨酸的存在與否，為什麼仍有爭議？部分原因在於，甘氨酸的特征光譜究竟是什麼樣子，就連實驗室的研究人員都無法取得一致。
即便如此，從我們目前的發現來看，宇宙空間中確實可以形成相對較大的分子，而且這些分子跟我們在地球上發現的大分子擁有驚人的相似性。這又是怎麼一回事？在我們地球上，氨基酸分子需要在植物或動物體內經過一系列復雜的化學反應才能形成，而且需要酶的催化調節——酶在此之前已經演化了數百萬年之久，才能勝任這樣的工作。
但是宇宙空間十分疏闊寒冷。不管是什麼反應創造出了這些大分子，其過程必然都極為緩慢。用望遠鏡觀察星空的人，可能要等上數千年之久，才能看出分毫變化。美國夏威夷大學馬諾阿分校的拉爾夫•凱撒（Ralf Kaiser）說：「發生化學變化的速率實在太慢了，不可能進行實時觀測。」
但凱撒是位喜歡自己動手處理的研究者。他和他的同事們在溫度只比絕對零度多10度的真空室中濃縮化合物（例如水、二氧化碳和氨），從而在實驗室裡重建了類似於星際空間的環境。有了這個大環境，那麼要想縮短反應時間，只需要把更多物質放進這個真空室裡就行了。所以在宇宙空間需要花數百萬年時間才能相遇的原子，在這裡只要花幾個小時就能碰面。凱撒說：「我的實驗室多少有些像是時間機器。」
拉爾夫·凱撒在他的實驗室中。（來源：hawaii.edu）
在此條件之下，該研究團隊最終設法證明，宇宙中的甘氨酸很可能是通過施特雷克合成反應（Strecker synthesis）被制造出來的。該反應從19世紀開始就被化工廠用來合成氨基酸。但我們此前認為，這一反應並不會自然發生。
在我們地球上，你需要把完全正確的化學「素材」——醛、氨和氰化物——放在一起，加熱到合適的溫度，再加上某些酸，才能促發施特雷克合成反應。但在宇宙空間裡，地球上那位化工專家的工作，似乎是由另外兩樣東西完成的：一個是高能輻射，另一個是塵埃。激烈的電離輻射呼嘯著穿過宇宙空間，提供的能量促發了一系列化學反應，啟動了施特雷克合成反應。
至於宇宙塵埃——由恆星噴出的固體碎屑，上面覆蓋著由二氧化碳、氨和碳氫化合物組成的冰冷外殼——則從三個方面來輔助施特雷克合成反應。首先，它給化學反應提供了「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發生反應。第二，它可以吸收反應產生的多余能量。第三，它的冰冷外層可以為反應最初階段形成的分子提供保護——如果這些分子直接暴露於宇宙輻射之中，那麼它們剛一合成就很可能被破壞殆盡。
凱撒最近在和美國加州大學伯克利分校的研究人員展開合作。他們希望知道，「宇宙化學」是否能創造出更超出氨基酸的東西。他說：「我們想看看氨基酸是否能在模擬冰粒上進一步鏈結起來。」如果兩個氨基酸結合在一起，就能形成一個二肽——也就是一個非常小的蛋白質。如果科學家能在實驗室的模擬冰粒上發現蛋白質，就意味著生命的最基本構建模塊確實可以在宇宙空間中形成。
但是實驗證明，要想發生反應，實在太困難了：合成出來的成品數量極其稀少。但在3年之後，經過了40次重復實驗、無數次交叉檢查和光譜分解，該研究團隊終於在2013年3月找到了答案。二肽確實可以在宇宙空間中合成；甚至就連更復雜的化學結構——比如三肽——都有可能合成。歐洲航天局的「羅塞塔」任務計劃於2014年登陸「67P/楚留莫夫-格拉希門克」彗星（67P/Churyumov-Gerasimenko）。它或許可以幫助我們確證這件事——至少是在彗星表面。（羅塞塔任務探測器「菲萊」於2014年11月12日登陸67P。目前結果仍在分析之中。——譯者注）
但是宇宙裡還有其他分子，僅憑星塵的薄霧和電離射線的輻射，還無法得出令人滿意的解釋。比如2012年時，科學家在星際空間裡發現了甲氧基。這些小分子比甲醇——最簡單的醇——少一個氫原子，所以需要從甲醇拿走一個氫原子才能形成。在地球的大氣層裡，當甲醇遇到一個由單一氫原子和單一氧原子組成的羥基時，就會發生這一化學反應。但是實驗表明，在星際雲的塵埃顆粒上，甲醇在反應中被拿走的是「錯誤」的氫原子，所以該反應就會產生另一種分子，名為「羥甲基」。也就是說，在自由空間（free space。編者注：一種理論的完美真空）中漂浮的甲醇和羥基，似乎不太可能形成甲氧基——就是沒有足夠的能量讓它們發生反應。
2013年，英國利茲大學的德韋恩•赫德（Dwayne Heard）和他的同事在無意之間解決了這個悖論。赫德說：「我們的目標原本是研究羥基在我們地球大氣中的化學反應。」但是他們的設備碰巧讓他們降低了反應的溫度。當溫度到達-200℃，反應速度突然加快了100倍。
赫德說：「反應速度提升得太快了，我們只能驚呼：『天哪！一定還發生了別的什麼！」
量子來助陣
後來科學家發現，是量子力學在背後搞鬼。低溫會讓化學反應平緩下來，所以分子可以在一起待上足夠長的時間，發生「量子隧穿效應」。來自德國斯圖加特大學的理論化學家約翰尼斯•卡斯特納（Johannes Kästner）這麼解釋量子隧穿效應：就好比你把球往牆上扔，但是球沒有反彈回來，而是徑直穿過牆壁去。與之類似，參與化學反應的原子，有時候並不需要攻克能量的壁壘（有限位勢壘——譯者注）——根據量子力學理論，原子的位置擁有不確定性；雖然可能性很小，但是它仍有一定可能穿過位勢壘。
參與反應的原子越小，就越容易出現這樣的情況。卡斯特納說：「這就是為什麼隧穿效應在氫原子的反應中最為重要。」研究發現，正是在這種量子效應的協助之下，在低溫自由空間裡參與甲醇和羥基反應的氫原子才能重新定位，組成甲氧基。
或許一個全新的星際化學反應網絡正准備由此開端。而你唯一需要做的，只是從甲氧基中再拿走一個氫原子，制造出甲醛。甲醛會一次又一次發生反應，最終「成長」為一個復雜的有機分子。
不過，這一反應真的能在自由空間裡發生嗎？科學家目前還在猜測之中。但最近在太空中發現的有機分子，再次掀起了那場久已有之的討論：地球是否真的是生命的前體分子最初形成的地方？一種關於生命起源的理論認為，地球上的第一個多肽是由3到8個氨基酸組成的；它會進一步誘發反應，形成較大的分子，並最終形成大型蛋白質、酶和其它生命必需的分子。但至於那些小多肽是怎麼在地球上形成的呢？答案仍然暗昧不明，而且矛盾重重。比如在地球早期的大氣之中，似乎並不存在可以發生上述化學反應的成分。
然而現在看來，創造出生命的化學反應並不一定是在地球上發生的——太陽和圍繞它運行的行星們，可能一開始就誕生於一個擁有有機分子的環境之中，而且某些有機分子至少像二肽那麼大。也許在地球的化學條件漸臻佳境的時候，這些有機分子隨彗星來到地球。澤裡斯介紹說，在距今大約40-35億年前的某個時候，地球曾經歷了一次彗星和隕星的瘋狂轟炸。「我們找到的關於生命起源的最早證據，就來自那之後不久。」
這也許是個巧合，但也許給我們提供了另一種解釋。2013年9月發表的一項研究證明，氨基酸可以在冰彗星的表面形成——只要這顆冰慧星擁有像地球一樣的岩石表面就行了。當然，就算出現在地球上的分子並不完全是地球自己的發明，我們的星球仍然大大推動了宇宙化學的進程——而且就我們目前所知，遠遠超越了其他任何地方。所以我們有足夠的理由，去珍惜這顆獨一無二的藍色星球——在我們眺望環繞四周的宇宙時，我們不妨停下來想一想：至少我們的分子並不孤獨。 （編輯：游識猷）
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