具有地球可能性的外星化学

我们是谁?我们为什么在这里?正如克罗斯比、斯蒂尔斯、纳什和杨的歌曲所暗示的那样，我们是星尘，是巨大的星际气体和尘埃云中发生的化学反应的结果。为了更好地理解这种化学反应如何产生前生命分子——地球和可能其他地方生命的种子——研究人员研究了宇宙辐射穿过冰粒时产生的低能电子的作用。他们的发现也可能为我们家园星球的医疗和环境应用提供参考。

本科生肯尼迪·巴恩斯将在美国化学学会(ACS)秋季会议上展示该团队的成果。ACS2024年秋季会议是一场线上线下混合会议，将于8月18日至22日举行;会议将涵盖一系列科学主题，约10,000场演讲。

“一百多年前，韦尔斯利学院的校友安妮·坎农首次发现了太空中的分子，”巴恩斯说。他与同为本科生的吴荣一起领导了韦尔斯利学院的这项研究，指导老师是化学教授克里斯托弗·阿鲁马纳亚加姆和物理学教授詹姆斯·巴塔特。自从坎农发现以来，科学家们一直对外星分子的形成方式很感兴趣。

“我们的目标是探索低能电子与光子在引发化学反应中的相对重要性中的相对重要性。”

此前探讨这一问题的少数研究表明，电子和光子都能催化相同的反应。然而，Barnes及其同事的研究暗示，低能电子和光子在太空中产生的前生命分子产量可能存在显著差异。

“我们的计算表明，宇宙冰中宇宙射线诱导电子的数量可能比撞击冰的光子数量多得多，”巴恩斯解释说。“因此，在外星生命起源分子的合成中，电子可能比光子发挥更重要的作用。”

除了宇宙冰，她对低能电子和辐射化学的研究在地球上也有潜在的应用。巴恩斯和同事最近研究了水的辐射分解，发现了电子刺激释放过氧化氢和氢过氧化物自由基的证据，这些自由基会破坏平流层臭氧，并充当细胞中破坏性的活性氧物质。

“我们的许多水辐射分解研究成果可用于医学应用和医学模拟，”巴恩斯指出，并举了使用高能辐射治疗癌症的例子。“我曾经听一位生物化学教授说过，人类基本上就是一袋水。因此，其他科学家正在研究水中产生的低能电子如何影响我们的DNA分子。”

她还表示，该团队的研究结果适用于环境修复工作，即用高能辐射处理废水，产生大量低能电子，这些电子被认为是破坏危险化学物质的原因。

回到太空化学，为了更好地理解生命起源前的分子合成，研究人员并没有将他们的努力局限于数学建模;他们还通过在实验室中模拟太空条件来测试他们的假设。他们使用一个超高真空室，里面有一个可以冷却到超低温的超纯铜基板，以及一个产生低能电子的电子枪和一个产生低能光子的激光驱动等离子灯。然后，科学家用电子或光子轰击纳米级冰膜，看看会产生什么分子。

巴恩斯说：“尽管我们之前专注于这项研究如何应用于星际亚微米冰颗粒，但它也与更大规模的宇宙冰有关，比如木星的卫星木卫二，它的冰壳厚20英里。”