土星卫星上的意外发现挑战生命诞生前的化学认知

瑞典查尔姆斯理工大学和美国国家航空航天局（NASA）的研究人员有一项意外发现，该发现挑战了化学的基本规则之一，并为土星神秘卫星泰坦提供了新认知。

在其极寒环境中，通常不相容的物质仍能混合。这一发现拓宽了我们对生命出现前化学的理解。

长期以来，科学家们一直对土星最大的橙色卫星泰坦感兴趣，因为它的演化能让我们更多地了解我们自己的星球以及生命最初的化学步骤。泰坦寒冷的环境，以及其浓厚的充满氮气和甲烷的大气层，与数十亿年前年轻地球被认为存在的条件有许多相似之处。因此，通过研究泰坦，研究人员希望找到有关生命起源的线索。

查尔姆斯理工大学化学与化学工程系副教授马丁·拉姆（Martin Rahm）长期致力于更深入地了解泰坦上正在发生的事情。他现在希望研究小组令人惊讶的发现，即某些极性和非极性物质可以结合，能为未来对泰坦的研究提供参考。

“这些发现非常令人兴奋，能帮助我们从宏观层面理解一些事情，比如像水星那么大的卫星，” 他说。

对极端环境中生命基石的新见解

研究人员发表在《美国国家科学院院刊》（PNAS）上的论文表明，大量存在于泰坦大气层和表面的甲烷、乙烷和氰化氢，能够以一种此前未被认为可能的方式相互作用。

氰化氢是一种极性极强的分子，它能与甲烷和乙烷等完全非极性的物质形成晶体，这令人惊讶，因为这类物质通常像油和水一样严格分离。

“这些物质之间意外相互作用的发现，可能会影响我们对泰坦地质及其湖泊、海洋和沙丘奇特地貌的理解，” 该研究的负责人马丁·拉姆说。

“此外，氰化氢可能在生命的几种基石的非生物合成中发挥重要作用，例如用于构建蛋白质的氨基酸，以及遗传密码所需的核碱基。因此，我们的工作也为生命出现前的化学以及在极端恶劣环境中化学过程可能如何进行提供了见解。”

一个悬而未决的问题促成与NASA的合作

查尔姆斯理工大学这项研究的背景，是一个关于泰坦的悬而未决的问题：氰化氢在泰坦大气层中产生后会发生什么？是有几米厚的氰化氢沉积在表面，还是它以某种方式与周围环境相互作用或发生了反应？

为了寻找答案，加利福尼亚州美国国家航空航天局喷气推进实验室（JPL）的一个小组开始进行实验，他们在低至90开尔文（约 -180摄氏度）的温度下，将氰化氢与甲烷和乙烷混合。在这些温度下，氰化氢是晶体，而甲烷和乙烷是液体。

当他们使用激光光谱法（一种在原子层面检测材料和分子的方法）研究这些混合物时，他们发现分子完好无损，但仍发生了一些变化。为了弄清楚是怎么回事，他们联系了查尔姆斯理工大学马丁·拉姆的研究小组，该小组对氰化氢进行过广泛研究。

“这促成了查尔姆斯理工大学和美国国家航空航天局之间令人兴奋的理论与实验合作。我们问自己的问题有点疯狂：这些测量结果能否用一种晶体结构来解释，即甲烷或乙烷与氰化氢混合在一起？这与化学中的 ‘相似相溶’ 规则相矛盾，该规则基本意味着这些极性和非极性物质不应能够结合，” 拉姆说。

拓展化学边界

查尔姆斯理工大学的研究人员使用大规模计算机模拟，测试了数千种不同的固态分子排列方式，以寻找答案。

在分析中，他们发现碳氢化合物渗透到了氰化氢的晶格中，形成了一种称为共晶的稳定新结构。

“这种情况可以在非常低的温度下发生，比如泰坦上的温度。我们的计算不仅预测了这种意外混合物在泰坦的条件下是稳定的，而且还预测了与美国国家航空航天局测量结果非常吻合的光谱，” 他说。

这一发现挑战了化学中最著名的规则之一，但马丁·拉姆认为现在还不是改写化学教科书的时候。

“我把它看作是一个很好的例子，说明化学边界何时被突破，以及一个普遍接受的规则并不总是适用，” 他说。

2034年，美国国家航空航天局的太空探测器 “蜻蜓号” 预计将抵达泰坦，目的是调查其表面情况。在此之前，马丁·拉姆和他的同事们计划继续探索氰化氢化学，部分与美国国家航空航天局合作。

“氰化氢在宇宙中的许多地方都有发现，例如在大型尘埃云、行星大气层和彗星中。我们研究的结果可能有助于我们理解太空中其他寒冷环境中发生的事情。而且我们或许能够弄清楚其他非极性分子是否也能进入氰化氢晶体，如果可以，这对生命出现前的化学意味着什么，” 他说。

2028年，美国国家航空航天局计划发射 “蜻蜓号” 太空探测器，预计2034年抵达泰坦。其目标是研究生命起源前的化学，即生命出现之前的化学，并寻找生命迹象。