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奇特宇宙非晶質冰或為生命物質保護層(圖)
作者 笨鳥 來源 媒體供稿 發布時間 2013-3-19 20:08:59

我們熟悉的水冰形式,比如雪花(左側),它擁有晶體結構;而非晶體冰(右側)卻沒有規則的內部結構
我們熟悉的水冰形式,比如雪花(左側),它擁有晶體結構;而非晶體冰(右側)卻沒有規則的內部結構

為了模擬太陽風粒子和宇宙射線造成的傷害,戈達德空間飛行中心的科學家們使用了粒子加速器來進行相關環境模擬。
  為了模擬太陽風粒子和宇宙射線造成的傷害,戈達德空間飛行中心的科學家們使用了粒子加速器來進行相關環境模擬。


  北京時間3月16日消息,據物理學家組織網站報道,在一座由炸彈掩體改建而成的實驗室中,美國戈達德空間飛行中心下屬的宇宙冰實驗室的佩里·基拉金斯(Perry Gerakines)教授領導的一個小組制成了一些具有奇異性質的冰。這些冰并非日常生活中所看到的冰雪物質,合成這種特殊形態的冰需要極端的低溫和極低的氣壓。這種情況在地球上難以滿足,并且這些冰被制作成非常薄的薄層,其厚度甚至遠遠小于一粒花粉。

  這種超薄冰層表面被認為非常適宜用于重現在空間環境中發生的關鍵化學反應過程。借助這一載體,科學家們幾乎可以重現太陽系誕生以來在這些冰物質中曾經發生的所有反應,其中的一些或許將有助于解釋生命的起源。瑞吉·哈德森(Reggie Hudson)是宇宙冰實驗室的負責人,他說:“這可不是人們記憶中在高中里學的化學那么簡單,這是在極端環境中發生的化學反應:極端的低溫,強烈的輻射環境,還有幾乎為零的氣壓,除此之外這些反應一般都發生于氣體或固體中,因為一般而言在星際空間根本就不存在液體物質。”www.watle.cn 生命物質

  戈達德中心的這一實驗室是全世界數家致力于研究超低溫宇宙冰化學性質的研究機構之一。借助這里擁有的強大粒子加速器,戈達德中心占據了有利條件,可以模擬幾乎所有來自太陽或宇宙深處的輻射環境,而這樣的輻射環境正是催生這些化學反應的機制。這樣的研究讓科學家們得以對一些行星以及衛星表面冰層下方的冰物質性質進行研究。

  在實驗室中,基拉金斯將一個飯盒大小的隔間中的空氣抽出,使其氣壓值降低至地球標準大氣壓的10億分之一不到,隨后將其溫度冷卻至零下258攝氏度。好了,當這些環境條件制備完成之后,只需要打開閥門放入一些水汽就好。事實上,當這些水汽分子一接觸這個小隔間內的環境它們在瞬間便被凍結了。www.watle.cn 生命物質

  在這種情況下,這些水分子幾乎立即就從原本的水汽狀態轉變為一種特殊的固體:非晶質冰。非晶質冰和地球上普通的水冰幾乎正好相反,常見的水冰是晶體,生活中我們熟悉的雪花,霜針,都是晶體形式的水。作為一種晶體,其內部結構是高度規則有有規律的,甚至它有時候會被作為一種礦物看待,其在摩氏硬度中的硬度值為2.5,這一數字和人的指甲硬度值相當。

  盡管在地球上很少聽到,然而非晶質冰在宇宙空間卻分布廣泛,事實上這種形態的冰可能是整個宇宙中水的最常見形式。在太陽系中,這些冰物質是太陽系形成初期的遺留物,它們以塵埃般大小顆粒的形式散落分布于太陽系的廣闊空間之中。科學家們也在彗星和行星的一些冰凍衛星上發現了它們的蹤跡。而要在實驗室中制備這種奇特的物質的訣竅,正如基拉金斯所介紹的那樣,便是限制其厚度,使其以極薄的形式出現,這一厚度甚至要小于一根蜘蛛絲。他說:“水是非常好的絕緣體,因此如果這種冰的厚度太大,那么便只有這一層冰物質的最底層接觸到低溫表面的部分可以保持足夠低的溫度,而其它部分的溫度就無法確保足夠低,這部分偏‘暖’的物質便會結晶。”

  這種超薄冰可以與在太空中發現的所有有趣的化學物質相互結合。目前基拉金斯所感興趣的化學物質是氨基酸,這種物質在生命現象中占據著關鍵地位。科學家們花費了數十年時間鑒定出隕石中所含的各種氨基酸成分,并對從彗星取樣返回的樣本進行了同樣的分析工作。基拉金斯表示:“由于水是星際空間和外太陽系冰凍物質中占據最主要地位的種類,在這些區域中的氨基酸物質或多或少都會和這些水物質相互接觸。”在近期的實驗中,基拉金斯制備了三種不同的冰,每一種都混入了一種不同的氨基酸物質,分別是甘氨酸,丙胺酸以及苯丙氨酸。這些氨基酸種類都是組成蛋白質的材料之一。

  保護層www.watle.cn 生命物質

  而真正的反應發生在當基拉金斯使用輻射轟擊這些冰物質的時候。在此之前已經有其他科學家研究了冰在紫外線照射下的反應。而基拉金斯此次則考察了冰物質對宇宙射線的反應,由于宇宙射線的能量極高,它可以抵達行星或衛星地表下方的冰層。為了模擬這種輻射,研究組使用了一臺高能粒子加速器發射的一束質子束,這個加速器位于一間地下室,外面則用巨厚的混凝土墻進行隔離以確保安全。

  借助這一質子束,研究組可以在半小時時間內重現這些冰物質在太空環境中數百萬年間遭受的破壞作用。此外,只要對這一輻射源的強度和計量進行適當的調整,基拉金斯的小組便可以模擬這些冰被埋藏在彗星,冰衛星或行星地表下方不同深度的情況。隨后他分別對由水和氨基酸混合的冰樣進行測試,并將結果與純粹由氨基酸形成的冰得到的結果進行比對。每進行一次輻射轟擊,研究組便會使用儀器查看這些氨基酸的分子是否被打斷,以及是否有新的物質產生。

  正如預料的那樣,隨著輻射劑量的不斷上升,越來越多的氨基酸分子鏈被打斷。不過基拉金斯的研究組也發現,那些水和氨基酸混合物形成的冰面對輻射的耐受性要比純粹由氨基酸形成的冰要好得多。這是一個非常讓人意外的結果,因為當水分子在輻射轟擊下分解時,其產生的產物之一便是羥基(氫氧根),這是非常活躍的極性基團,極容易對其它化合物造成破壞。


  光譜分析證明在輻射照射過程中的確產生了一些羥基。但是總體而言,正如基拉金斯所言:“水基本上承擔了阻擋輻射的保護層的作用,或許它吸收了輻射粒子的很大一部分能量,其發揮的阻隔作用就和一層巖石或土壤層相類似。”www.watle.cn 生命物質

  當基拉金斯在兩種更高溫度環境下重復他的實驗時,他驚喜地發現氨基酸的表現甚至比此前的實驗結果更好。基于這些初步結果,基拉金斯和哈德森計算了在擁有水冰保護層的情況下,在不同的溫度條件下氨基酸能夠保持不受損傷的時間長度。

  基拉金斯表示:“我們發現,與水冰混合的氨基酸可以在冥王星或者火星表面安全經過上千萬乃至數億年,;而如果在彗星上,只要它被埋藏于表層之下1厘米以上,便同樣可以安全經歷這樣長的時間段而不受影響。”他說:“而在那些遭受強烈輻射的地方,比如木衛二,則需要相應更深一些的埋深。”

  哈德森表示:“這對于考察項目而言是一個好消息,因為看起來氨基酸在冥王星,木衛二以及火星等天體上的典型溫度環境下似乎要比人們原先設想的更加穩定。


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