“以后到太空，有酒喝，有糖吃啦！”一位科學(xué)家開著玩笑說。他說這話的背景是：近年來，人們在太空先后發(fā)現(xiàn)了復(fù)雜的糖類和醇類（酒精是醇類的一種，化學(xué)名叫乙醇）等有機分子。
其實，何止有“酒”喝，有“糖”吃，還有“肉”吃哩，因為早在近半個世紀(jì)前，人類就在太空中發(fā)現(xiàn)了氨基酸分子，而氨基酸是組成蛋白質(zhì)的基本單元。如果扯遠去，甚至還可以說有“球”踢呢，因為一種結(jié)構(gòu)非常像足球的分子——足球烯碳60，幾年前也在太空中被發(fā)現(xiàn)了。所以，以后到太空，我們可以一邊喝酒吃肉，一邊看球賽啦。不亦快哉！
太空中發(fā)現(xiàn)有機分子，意義非同小可
玩笑歸玩笑。這些有機分子在地球上，當(dāng)然是極為普通的東西，但在太空中被找到，意義卻非同小可，因為這跟人們感興趣的另外兩個話題——外星人存在的可能性和地球生命的起源——聯(lián)系在一起。
我們知道，生命活動必不可少的兩類物質(zhì)，一是蛋白質(zhì)，二是遺傳物質(zhì)DNA或RNA。組成蛋白質(zhì)的基本單元是氨基酸，數(shù)個氨基酸縮水聚合而成的有機物叫“肽”。肽是復(fù)雜程度介于氨基酸和蛋白質(zhì)的一類分子，根據(jù)參與聚合的氨基酸分子數(shù)量，可分別稱為二肽、三肽……數(shù)量龐大的氨基酸分子聚合成的有機物就是蛋白質(zhì)。
至于遺傳物質(zhì)，組成DNA或RNA的基本單元是核苷，而核苷又是由核糖（脫氧核糖）轉(zhuǎn)變來的。核糖（脫氧核糖）不過是一類特殊的糖分子。
太空中氨基酸和糖類分子的發(fā)現(xiàn)，意味著組成生命的基本元素在太空中已經(jīng)齊備。既然如此，那我們就沒有任何理由認(rèn)為生命在宇宙中只地球上“獨此一家”。這對于一心想見外星人的讀者來說，是“利好”消息。
至于這些發(fā)現(xiàn)跟地球上生命起源的關(guān)系，事情是這樣的：很久以來，許多科學(xué)家都懷疑，如果地球上的生命是“白手起家”，即從無機到有機，從單細(xì)胞到多細(xì)胞，從簡單到復(fù)雜，按部就班進化來的，那么以地球45億年的年齡，似乎還嫌太短了點；而且，早期地球大氣中似乎也缺少制造有機物的原料。于是，他們認(rèn)為，地球上的生命應(yīng)該有個較高的起點，比如說，一開始就是些復(fù)雜的有機分子，甚至是細(xì)菌或病毒之類的簡單生命；從這樣一個起點進化到人類，45億年的時間才夠用。至于這些復(fù)雜的有機分子或者簡單生命，則又是通過彗星和隕石從太空中降到地球上的，太空是制造它們的“工廠”。因為宇宙有著138億年的年齡，要造就它們，有的是時間。
好了，我們已經(jīng)知道了在太空中發(fā)現(xiàn)有機分子的重大意義；接下來，自然要問：這些復(fù)雜的有機分子在太空中究竟是如何被制造出來的？要知道，太空環(huán)境惡劣，對于生命并不友好，那里奇冷或奇熱，又時刻受各種致命射線的轟擊。在這種情況下，復(fù)雜的有機分子何以能夠涌現(xiàn)呢？
這是本文需要著重回答的。不過，在回答這個問題之前，讓我們還是先來看看，迄今科學(xué)家在太空到底發(fā)現(xiàn)了哪些有機分子。
太空中已發(fā)現(xiàn)的有機分子一覽
太空的有機分子最早是在隕石中發(fā)現(xiàn)的。1969年9月28日，一顆罕見的大隕石墜落在澳大利亞。科學(xué)家對其成分進行分析，結(jié)果大吃一驚：里面竟含有很多相對復(fù)雜的有機分子，包括氨基酸和肽。后來，在其他隕石中，也有類似的發(fā)現(xiàn)。這些發(fā)現(xiàn)的意義非同凡響，因為隕石過去一直被認(rèn)為里面所含的物質(zhì)都是非常簡單和原始的無機物，沒想到它們還是攜帶生命原材料的“太空信使”。
甲醛是最早通過射電望遠鏡在太空發(fā)現(xiàn)的有機分子，發(fā)現(xiàn)時間也是在1969年。
當(dāng)新一代強大的紅外和射電望遠鏡建成之后，新發(fā)現(xiàn)更是紛至沓來。在太空中，有一類星云叫分子云，是由塵埃和氣體分子組成的。云內(nèi)有足夠的塵?？善帘翁罩械淖贤饩€和宇宙射線，使分子免遭破壞 。根據(jù)量子力學(xué)，當(dāng)分子自旋的時候，它們會發(fā)出一系列不同頻率的電磁波；每種分子釋放的電磁波有其特定的頻率，形成了該分子的“指紋”。如果科學(xué)家在光譜中發(fā)現(xiàn)了與某種分子對應(yīng)的特定頻率電磁波，就可以把該分子甄別出來。但分子發(fā)出的電磁波能量都很低，屬于不可見的遠紅外和射電波段，一般的光學(xué)望遠鏡是觀測不到的，所以只能借助紅外和射電望遠鏡。
2008年，科學(xué)家在分子云“人馬座B2”上發(fā)現(xiàn)了一種叫“氨基乙腈”的有機分子。氨基乙腈是合成最簡單的氨基酸——氨基乙酸的主要原料。2009年，在彗星81P/Wild 2的表面，氨基乙酸也被美國宇航局的科學(xué)家找到了。
2010年，在一顆老年恒星附近，發(fā)現(xiàn)了足球烯碳60，這是太空中迄今發(fā)現(xiàn)的最大分子。
本文開頭提到“有糖吃”的糖，是一種最簡單的糖分子——乙醇醛。這種分子在RNA形成的過程中扮演重要角色。它是2011年在距我們僅有400光年的一顆類太陽恒星附近被發(fā)現(xiàn)的。因為它藏身的環(huán)境跟太陽系極為相近，這暗示，這類糖分子肯定也存在于太陽系誕生的那個分子云上。2013年，一種在DNA形成過程中扮演重要角色的物質(zhì)——亞氨酸酯，在人馬座B2上被找到。
現(xiàn)在，在星際發(fā)現(xiàn)的分子總數(shù)有180多種，估計這還只是冰山一角。因為分子越復(fù)雜，它發(fā)出的電磁波特征頻率，即“指紋”，就越不明顯，因而就越難被發(fā)現(xiàn)。
分子云——太空的“化學(xué)實驗室”
這樣，我們就需要來回答這個問題：這些有機分子在太空中是如何被制造出來的？
我們在半個世紀(jì)前就知道，碳、氧和其他一些元素，都是在恒星的“核熔爐”中被制造出來的。在星際空間，當(dāng)它們碰在一起的時候，會形成水、二氧化碳和氨等簡單分子，這些分子跟星際塵埃，一同形成了分子云。當(dāng)分子云冷卻和收縮之后，又形成下一代恒星——我們的太陽系也曾誕生于一團分子云。
在地球上，水、二氧化碳和氨等無機物是合成更復(fù)雜有機物的主要原料。在分子云中，盡管有塵埃的保護，這些無機分子可以長久地托庇于此，但要讓它們形成更復(fù)雜的有機分子，分子云卻并非合適的場所。首先，這里非常寒冷，一般溫度只有-260℃左右，在地球上很容易發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)，在這里由于溫度太低而無法進行。其次，這些分子分布非常稀疏，平均每立方厘米內(nèi)只有100～10000個分子（在地球上，在室溫和1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，每立方厘米含1019個氣體分子）。稀疏意味著分子碰到一起的機會非常小。這些條件使得它們在星際空間相遇和發(fā)生反應(yīng)的概率非常之小。
但從迄今的發(fā)現(xiàn)來看，太空中的這些有機分子不可能來源于別處，只能來自分子云這個太空的“化學(xué)實驗室”。那么，這一切是怎么發(fā)生的？譬如說，在地球上，氨基酸一般是在動植物體內(nèi)通過一系列復(fù)雜的過程得到的，需要酶的參與，而酶又是經(jīng)過數(shù)百萬年進化來的；在太空中，沒有動植物，沒有酶，氨基酸又是怎么制造出來的呢？
你大概還記得第一次踏進化學(xué)實驗室時的情景吧。當(dāng)時，最引你注意的也許莫過于架子上那些瓶瓶罐罐，什么燒杯、燒瓶、酒精燈、石棉網(wǎng)等等。這些都是化學(xué)家做化學(xué)實驗的“道具”。一個反應(yīng)太慢了是不是？好，給它加熱一下，或者攪拌一下，或者添加點反應(yīng)物；于是，反應(yīng)就快起來了。
很多化學(xué)反應(yīng)都離不開“道具”，那種把幾種物質(zhì)簡單放在一起就立刻起反應(yīng)的好事是不多見的。譬如說，你要是把水、二氧化碳和氨常溫下放一起，不施以別的條件或手段，它們一輩子都不會起反應(yīng)。
那么，在茫茫太空中，大自然這個大“化學(xué)家”又有什么“道具”可資利用呢？
太空“化學(xué)實驗”的兩個“道具”在太空，可利用的“道具”只有兩個：宇宙塵埃和高能射線。
宇宙塵埃是恒星演化到紅巨星或者超新星階段，從“核熔爐”里拋撒出來的固態(tài)粉末，待冷卻之后，其表面往往覆蓋上一層由二氧化碳、氨、水和碳?xì)浠衔锝M成的冰殼。
宇宙塵?？梢詮娜齻€方面幫助化學(xué)反應(yīng)進行。首先，它的表面不僅為反應(yīng)提供了一個場所，而且，各類分子被吸到塵埃表面之后，反應(yīng)所需要的“門檻”都降低了。其次，它吸走反應(yīng)中生成的多余熱量，給有機分子提供了一個溫度合適的場所。因為太空中沒有傳導(dǎo)、對流等條件，熱量一時不容易散發(fā)，要是溫度過高，就會把生成的有機分子又給燒毀了。第三，它為反應(yīng)初始階段形成的分子提供保護，如果沒有塵埃的屏蔽，強烈的輻射會在這些分子剛生成時就把它們摧毀。
至于高能射線，主要是紫外線和宇宙射線。它們的作用倒是簡單，僅為各種化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生提供能量。
最后，還有一點我們不要忘記：太空中，分子云的寒冷和稀薄意味著，不管發(fā)生什么反應(yīng)，必定是極度緩慢的。在地球上，凡事講究效率。一個化學(xué)反應(yīng)幾天、幾個月沒有動靜，那是不行的，那實驗報告或者博士論文就寫不成了。但在太空中，大自然可不需要趕寫什么實驗報告或者博士論文，因此那里“什么都缺，就是不缺時間”。一個反應(yīng)，持續(xù)數(shù)百萬、甚至數(shù)十億年，是件稀松平常的事情，以時間的巨量投入，以補效率之不足。所以，盡管太空有著種種不利于復(fù)雜有機物生成的條件，但最終這些有機物還是彌漫太空各個角落，這應(yīng)該是不奇怪的。
不過，以上議論還得用事實說話。這里就有一個實例：幾年前，美國一個研究小組把少量的水蒸氣、二氧化碳、氨氣以及塵埃置于一個真空的容器中，然后把溫度降到-260℃，以模擬星際分子云的條件。這些氣體凝固之后，就吸附在了塵埃表面。進一步逼真地模擬太空環(huán)境，給容器里的物質(zhì)照射紫外線，之后他們發(fā)現(xiàn)，容器中有最簡單的氨基酸——氨基乙酸形成了。要想加快反應(yīng)速度，辦法是往容器里添加更多的反應(yīng)物，這樣，在太空中需要上百萬年才能完成的事情，在實驗室只要幾個小時就可實現(xiàn)。
利用這套裝置，研究小組成功地證明，在太空中，氨基乙酸跟我們現(xiàn)在工業(yè)上人工合成氨基酸的辦法無異。在這之前，我們原以為，這種人工的合成辦法在自然條件下是不會發(fā)生的。
近幾年，這個研究小組又想看看在太空中，是否能合成出比氨基酸更復(fù)雜的有機分子。當(dāng)兩個氨基酸分子聚合，就形成了一種叫“二肽”的小分子。那么，在太空環(huán)境下，能不能形成二肽呢？盡管這個實驗非常難做，但經(jīng)過了3年的努力，研究小組在2013年5月宣布了他們的答案：二肽在太空中是可以形成的，甚至更復(fù)雜的三肽都可以形成。
太空化學(xué)的獨門秘笈之一——量子隧道效應(yīng)
不過，也有些事情是用塵埃和輻射所不能解釋的。天文學(xué)家探測到距我們600光年之外的英仙座分子云中含有一種叫“甲氧基”的有機物。這類有機物可以由羥基和最簡單的醇類——甲醇反應(yīng)合成，但反應(yīng)一般需要高溫的條件，而這個條件在寒冷的英仙座分子云中顯然不具備。
一位英國化學(xué)家猜測，太空中生成甲氧基的反應(yīng)也許是通過量子效應(yīng)來實現(xiàn)的。在量子力學(xué)里，有一種叫“隧道效應(yīng)”。當(dāng)兩個微觀粒子想融合在一起，但需要克服的障礙（比如靜電排斥力）太大的時候，按照經(jīng)典物理學(xué)的看法，那它們就沒轍了，反應(yīng)就不能進行；但按量子力學(xué)的觀點，它們可以投機取巧，挖個“隧道”鉆進去，使得反應(yīng)得以發(fā)生。有人把這種效應(yīng)類比做：你朝墻上扔一個球，它非但沒彈回來，反而穿墻而過了。
在太空環(huán)境下，因為溫度非常低，分子做無規(guī)則運動的速度非常小，所以分子與分子碰撞時，就有了更長的接觸時間，這就大大增加了發(fā)生隧道效應(yīng)的機會。這樣，本來不可能發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)也能發(fā)生了。
在我們這個例子中，穿墻而過的“小球”是個氫原子。原子越小，量子隧道效應(yīng)越容易發(fā)生。氫原子是最小的，所以涉及氫原子的反應(yīng)中，隧道效應(yīng)是不可忽視的。實驗證明，隧道效應(yīng)的確讓參加反應(yīng)的氫原子在甲醇分子和羥基之間玩起了“穿越”的把戲來。
實驗是在2013年做的?；瘜W(xué)家把羥基和甲醇混合之后，在高溫下讓它們發(fā)生反應(yīng)。然后，慢慢降低溫度，反應(yīng)速度隨著降下來。按照一般人的想像，溫度不斷下降，反應(yīng)速度也應(yīng)該持續(xù)走低才是?？墒牵?，當(dāng)溫度接近-200℃時，突然之間，反應(yīng)比之前快了100多倍。這一現(xiàn)象雖然出人意料，但用量子隧道效應(yīng)可以很好地解釋。
這個發(fā)現(xiàn)也許意味著，在太空中可以發(fā)生一套與地球上迥異的、全新的化學(xué)反應(yīng)。你可以展開聯(lián)想：通過隧道效應(yīng)，從甲氧基中移除一個氫原子，就可以形成甲醛；甲醛分子如果手拉手，通過縮合，最終又可以形成一個復(fù)雜的有機分子……當(dāng)然，我們聯(lián)想的這些反應(yīng)是否真的會在太空發(fā)生，目前還不得而知。
太空化學(xué)的獨門秘笈之二——生命的火花在撞擊中產(chǎn)生
太空中還有另一項制造有機物的獨門秘笈，這是人們?nèi)f萬想不到的，那就是天體的碰撞。
一提到碰撞，我們總會下意識地想到：糟了，什么東西要被撞壞了。除了“思想的火花”能在碰撞中產(chǎn)生，碰撞似乎沒干過什么好事。
但誰知道呢，也許生命的火花也是在碰撞中產(chǎn)生的。
眾所周知，彗星中經(jīng)常攜帶一些復(fù)雜的有機分子，譬如氨基酸?，F(xiàn)在，一位英國科學(xué)家通過簡單的實驗證明，宇宙中的氨基酸很容易通過彗星與其他天體的碰撞制造出來。
這位科學(xué)家通過把水、二氧化碳、氨和甲醇混合，冷凍成冰塊，以模擬彗星，因為彗星一般也由這些材料組成；然后，他向這塊冰發(fā)射以每秒7千米的速度運動的鋼球子彈，以模擬彗星與行星的碰撞。對碰撞產(chǎn)物進行分析，他發(fā)現(xiàn)里面竟然含有了氨基酸。
考慮到彗星與其他天體的碰撞在宇宙中是很頻繁的，那么可以預(yù)測，氨基酸在宇宙中的分布應(yīng)該很普遍，而氨基酸是組成生命的基本單元，那會不會意味著，外星生命也應(yīng)該很普遍呢？
最后讓我們還是回到地球生命的起源問題上來。眾所周知，生命起源的第一步是從無機到有機，而從上述這些例子中，我們已經(jīng)看到，制造復(fù)雜的有機物，并非當(dāng)今地球的獨家專利。也許，太陽和它的行星就可能誕生在充滿著有機分子的太空環(huán)境中?？紤]到早期地球大氣的組成以及地球的年齡，生命起源“從無機到有機”這一步似乎不太可能是在地球上完成的。一個普遍的猜測是，地球上最早的有機分子可能是隨著彗星從太空帶到地球的。如果考慮到在地質(zhì)史上，大約在距今40～35億年的某個時期，地球的確曾經(jīng)遭受過彗星和隕石的狂轟濫炸；而且，我們今天在地球上所能找到最早生命的證據(jù)，也出現(xiàn)于這個時期之后不久，那么這個猜測還是頗有道理的。
要是這個猜測屬實，那么地球生命的最早發(fā)源地就要追溯到那廣漠無垠、深邃浩瀚的太空了。當(dāng)今人類的太空探險，說穿了，其實不過是回老家尋根。
【超級鏈接】 有機物可以在“烈火”中幸存
正文中已提到，很久以來科學(xué)家就猜測，一些組成生命的復(fù)雜有機分子，甚至簡單生命本身，可能是在太空中最先形成，然后通過隕石撒播到地球上的。這個地球生命的起源學(xué)說，叫“胚種說”。
但是，且慢，這里還有一個大問題：就算生命真是在太空形成的，但隕石墜落地球，必定要伴隨劇烈的碰撞，這些脆弱的有機分子或簡單生命，能在碰撞燃起的“烈火”中幸存嗎？倘若不能，那“胚種說”也就不能成立。
最近一項發(fā)現(xiàn)表明，有機分子或簡單生命是可以在隕石碰撞中幸存的。證據(jù)來自澳大利亞一個有著80萬年歷史的隕石坑。
科學(xué)家在隕石坑中找到一塊當(dāng)年由隕石碰撞產(chǎn)生的玻璃狀物質(zhì)。在玻璃中，他們發(fā)現(xiàn)有一粒球狀內(nèi)含物，里面充滿氣體。把玻璃研碎，提取內(nèi)含物里的物質(zhì)進行分析，表明內(nèi)含物富含泥炭沼澤地里的有機物，包括組成植物葉子的纖維素和高分子聚合物等?？紤]到隕石坑所在地在80萬年前是一塊沼澤，這塊玻璃及其內(nèi)含物極可能是這樣形成的：當(dāng)隕石撞擊地面時，部分巖石熔化，形成這種玻璃物質(zhì)。與此同時，沼澤地上含植物成分的泥漿濺起來，以很高的速度射進熔化的玻璃里。泥漿所含的水分瞬間就氣化了，形成了氣泡，而植物的有機成分則被保留下來，封存在小氣泡里。
這個例子說明，有機物是可以通過這種方式在隕石碰撞中幸存下來的。當(dāng)然，在這里，有機物來自地球，但如果來自隕石自身，也一樣。
假如撞擊發(fā)生時，地球還是不毛之地，而隕石倒富含有機物，我們再設(shè)想，經(jīng)過一段時間的地質(zhì)運動或者風(fēng)化作用，這塊在撞擊中形成的玻璃碎了，封存里面的有機物被釋放出來，于是一場漫長的生命起源和進化過程就可以開始了……
另一方面，我們還可以揣測，在地球已充滿有機生命的情況下，發(fā)生這樣一場隕石撞擊，也可能把地球上的有機物帶到太空。地球生命將坐上玻璃“馬車”——即濺到太空的熔融玻璃——遨游太空。當(dāng)然，要讓地球物質(zhì)克服重力，濺到太空，撞擊必定非常劇烈才成，但這種可能性還是存在的。事實上，有許多天文學(xué)家認(rèn)為，月亮就是被隕石撞擊濺灑到太空的地球物質(zhì)凝聚而成的。
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