互动科普

生命之冰

David F. Blake，Peter Jenniskens

11年前，在旅行者1号飞船即将飞出太阳系之际，美国航空航天局(NASA)的工程师把该飞船的摄像机臂转过来对准地球，为地球拍下了一幅告别快照。在这幅照片上地球呈现为一颗淡蓝色的像素，此种颜色是地球上大片海洋散射太阳光所形成的。地球是一个水的行星。无论研究人员在地球上跋涉多么远，无论他们是把探测器送到九天之上多高的地方或是五洋之底多深的地方，只要他们发现了液态水，他们就必定能发现某种形式的生命得以生存下来。

然而水也存在着种残酷的两面性。液态水点燃了生命之火，但结晶形式的固态水却是生命杀手。有机物在热喷泉或成水中都能够生活得悠闲自在，也能够消化酸，但它们对于冰却退避三舍。水分子在冰晶体中的刚性排列把杂质都赶了出去，而且也把有机组织撕裂到无法恢复的地步。这就是地球上冰的本性。然而不久前研究人员发现星际空间中到处都存在着一种地球上找不到的不寻常的冰冻水，这些发现启发研究人员改变了他们对冰的看法。星际空间中这种形态的水冰（而非冰质的二氧化碳或其它化合物）能够容纳生命从中产生的各种简单的有机分子，甚至可能促进了这些有机化合物的形成。因此，这种星际空间的冰可能的确在生命的起源中起到了一种内在的作用。

在生命起源的研究中，揭示可能曾充当生命前体的有机物质的来源早就是最激动人心的探索课题之一。从十几年前起科学家们就知道有机化合物在星际云和彗星中是大量存在的他们的研究还得出了这样一个结论：空间中任何地方，只要尘埃和气体冷得足以凝结成固体，都存在富含水冰的一种霜(主要是在冷的分子云中)(参看本刊1999年10月号Max P．Bernstein，Scott A．Saldford与Louis J. Allamandola所著《来自太空的生命原料一文)。

许多行星科学家走得更远，声称冻在冰中的有机物可能曾光临地球。这项理论认为，当一团冷的分子云在大约45亿年前坍缩后形成太阳系时，分子云中的一部分。冰聚结到彗星中，然后这些由冰和岩石构成的球状天体可能就携带着有机化合物直奔年轻的地球而来，到达地球后，这些有机物可能参与了一些导致最初的生命得以诞生的化学反应。

这样的描述为有机化合物到达地球的可能途径提出了一项令人信服的解释，但直到久前还没有任何人知道这些有机化合物最初在星际空间中是怎样形成的。现在，研究人员对接近绝对零度(此时所有的分子运动都停止了)的低温下水的性质进行的探索已经揭示，冰的结构的某些微妙变化触发了碳、氮以及其它一些对生命起着关键作用的元素的最初结合。

扑朔迷离

当我们在NASA艾姆斯研究中心的研究小组探索星际冰的神秘而出人意料的特性时，我们首先确认的事情之一就是星际冰没有任何晶体结构。换言之，星际冰是无定形的。星际冰没有任何明显的分子或原子顺序也不存在结晶表面：对于星际旅游者而言，星际冰有如窗玻璃一般透明。

大多数固体天然存在的形态都是结晶态，其分子排列成高度有序的结构。但是，当某些液体迅速冷却时，它们向结晶态的转变却受到抑制，这样液体就凝固成无定形的状态。这一过程在玻璃的生产中是最明显的（玻璃是一种无定形的二氧化硅)。虽然迅速冷却对于形成无定形的二氧化硅是起作用的，但这种方法对于液态水却不灵。水滴即使在迅速冷却的情况下通常也形成晶体。因此，科学家们只是在另一种场合——即研究真空中缓慢沉积的水蒸气的行为时——才发现了无定形冰，而这是l935年的事情了。

这一发现对于天文学家有特殊的意义，因为他们知道，水在空间的真空中的行为与在地球上的行为是不同的。大多数人都知道，水分子是由一个氧原子与两个氧原子通过化学键的结合而形成的，但是水之所以成了这样一种多变的物质，其奥妙在于它的氧原子有两个带负电的成对电子，它们能够与一个邻近的水分子的带负电氢原子形成弱键。在低于凝固点的温度下，水分子进入其最稳定的构形，因而强化了这种所谓的氢键，所得的冰形成了跨越成千上万个水分子的高度有序的结构。

水凝固成冰时产生的水分子堆积方式取决于水的压力。堆积方式形成了结晶水冰的12种已知相之一，但其中只有一种——即六方晶冰——是地球上天然存在的。六方晶冰中的氧原于形成一种六重排列，这可以从雪花的形状中看出来。在远低于凝固点的温度下，氧原于可能堆积成立疗点阵，甚至也可能无法形成任何明显的结构(如无定形冰的情形)。

结晶冰所特有的键联网在很大程度：也把液态水的分子键接起来，主要的差别——也是对生命至关重要的一点差别——在于液态水中的氢键始终不停地迅速地重新分布。因此，液态水能够调节其结构以满足生物的物理和化学要求。正如水泡能够穿过水上升但却不能穿过冰上升一样，有机分子如果要组台成更复杂的化合物，它们就必须能在水分子间穿行。

星际无定形冰的最激动人心的性质或许是当它暴露于辐射——例如深空中所存在的辐射——中时，它也能够流动，即使它的温度低到只有绝对零度以几度(绝对零度相当于摄氏零下173度)。事实上，星际无定形冰与液态水之间的这种相似性使它能够参与有机化合物的形成。研究人员最初是在20世纪70年代早期——当时他们在研究星际空间的冷分子云核心中的冰的化学性质——开始猜想到这种相似性的。开拓这个斩领域的实验科学家——荷兰莱顿大学的J. Mayo Greenberg以及ASA艾姆斯研究中心的Louis J. Allamandola——在那几年所进行的早期实验证明，多达10％的星际冰粒是由二氧化碳、一氧化碳、甲醇和氨之类的简单分子构成的。

自那以后，专门观测红外与亚毫米辐射——与可见光相比，这类辐射能够穿透更厚的尘埃与气体——的特种望远镜使天文学家得以探测到冷分子云中的100多种不同的有机化合物。通过比较空间云团的红外光谱与实验室中生成的星际冰的红外光谱，科学家们开始猜想这些有机化合物中有很大一部分起源于冻结在硅酸盐或碳核心上的星际冰粒。在浓密的分子云中，这些尘埃核心不大于一毫米的万分之一。

尽管进行了这些精心观测，研究人员仍然无法解释有机分子是怎样在冰内存在下来并发生反应的。直到1993年，当我们开始在艾姆斯研究中心的空间科学显微实验室研究低压形态的冰时，冰的反常材料特性对于有机合成的重要性才开始明显起来。我们让水蒸汽在一台特地改装了的低温透射电子显微镜内冻结，从而制出具有几百个分子厚的冰膜（见上图）。为了观察冰的形状和结构的变化，我们记录了冰在加热或冷却过程中的高放大率图像以及电子衍射图案。

当我们的低温显微镜内的温度足够低(低于30开氏度)，且水分子的沉积速率也足够缓慢时(每小时沉积厚度小于100微米)，我们就得到了一种与星际冰的结构非常相似的无定形固体(星际冰的结构是根据红外光谱判断出来的)。我们的实验表明，这种冰呈现一种特殊的高密度形态，而到当时为止，此形态的冰仅在1976年进行的一项未经证实的X射线衍射实验中观察到过。我们证明，在绝对零度以上l4度的温度下沉积的水蒸汽，其无定形结构与较高的温度下(77开氏度)形成的类似沉积不同。事实上，当我们把冰加热时，我们能够跟踪观察冰从低温形态到高温形态的转变如果我们假定某些水分子是在部分形成的近邻分子笼架内冻结的，我们就能对低温形态的冰的衍射图案做出最合理的解释氧原子的这种过度堆集生成了高密度无定形冰，它的密度约为每立方厘米1.1克，比通常冰的密度要高15％。

我们还证实了H. G. Heide 1984年作出的发现。当时，在柏林马克斯·普朗克学会的Fritz Haler研究所从事研究的Heide用高能电子轰击高密度无定形冰。当他在低于30开氏度的温度下进行这一实验时，冰的结构迅速改变：事实上，冰在流动了。这一发现——无定形冰更像液态水而不像结晶冰——大大出乎人们的意料。此前大多数科学家均认为，所有形态的水冰在冷却到数十开氏度以下时，都将几乎无限期地保持其原来形态而不发生改变。Heide发现，不管其初始结构如何，冰在受到辐照时都将转变成高密度的无定形状态。之后其它研究人员也发现，紫外光子也能通过这种方式改变冰的结构，而星际空间的冷分子云就经常受到紫外分子的照射。

根据我们在艾姆斯研究中心所作的实验，我们推想，这种辐射把大多数星际冰转化为高密度的无定形冰。现在我们认识到，这种冰中过度堆集的水分子以及分子堆集模式内所存在的缺陷促进了此结构内的分子流动性。因此，对生命有重要意义的元素——如碳、氧、氨等——最初正是在星际冰内结合起来形成了有机化合物。研究表明，让高密度无定形冰受到高能粒子或光子的辐照，将使二氧化碳和氨之类的杂质分解成一些原子团，这些原子团能够在冰内到处移动，直到与其它活性成份相结合。

一旦我们为有机化合物起源于星际冰内找到了一种相当合理的机制，我们就想进而弄清楚下面这样一个问题：这些有机化合物需要经历漫长的时间和路程才能到达地球，在这一过程中它们是如何保存下来的呢？承担这一任务的最佳候选者是彗星，即太阳系形成期间冷分子云的引力坍缩过程中聚结起来的冰质星子的残余。在这一过程中，原太阳附近的温度已经高得足以使最耐热的元素和化合物以外的其它所有元素与化合物转化为气体。但是，位于木星轨道以外的太阳星云的较冷区域中，无定形冰以及在无定形冰内产生的有机化合物可能以尘埃的形式聚结进彗星和其它的星子内，从而得以保存下来。

奔向地球

当彗星穿越内太阳系时研究人员对彗尾进行了研究，从中得出这样一个推论：彗星中的大部分水冰仍然处于无定形态。当彗星逐渐接近太阳时，它们就开始把二氧化碳和甲烷之类的气体释放进彗尾中。但是这一释放所发生的温度，要比这些化合物凝固成与冰分开的单独的沉积物时研究人员预期的释放温度高得多。(如果这些高度挥发性的化合物在彗星中冻结成单独的成分，那么彗星将会在低得多的温度下释放出这些化合物，也就是早在彗星到达内太阳系之前就释放出了。)因此这些气体必定是被封闭在冰的结构中。但这是如何发生的呢？

在彗星形成期间，冰逐渐变热，困此不可能保留其高密度的无定形结构。实际上轻微的变热将使冰的结构转变成低密度无定形形态。通过我们的低温实验我们了解到这一转变过程在35到65开氏度之间逐渐发生。在这一过程中氢键断裂而后又重新形成，使冰内的分子片段能够运动并发生重新结合的化学反应，直到冰的温度上升到足够高至形成结晶态的冰以后，挥发性分子才从水结构中排出井散逸到空间。

在研究结晶过程与时间和温度的关系时，我们发现，真正的结晶过程的第一阶段在温度达到135开氏度时开始，此时它迫使水分子堆积成立方结构(见37页图)。有机分子不可能在这种立方晶冰中存在下去，但是我们也发现，即使在冰受热时，仍然有一种明显的无定形成分继续存在下来。最终所有的冰只有大约三分之一变成晶态，其余的仍保持一种无序结构，与高密度及低密度无定形态几乎没有什么不同。

在我们进行自己的实验以前，研究人员已意识到无定形冰在125到136开氏度这一温度范围内转变为一种粘性液体。在这一温度范围内冰的变热速率急剧地改变。这是人们在研究其它无定形物质(如窗玻璃)时早就熟悉了的一种现象。这一临界温度范围称为玻璃转化温度，低于该温度时，材料将抵抗变形，其行为有如固体。而在超过这一温度范围时，材料可以模制并成形。不过，当温度刚刚超过玻璃转变温度时，液体的粘性接近于冷的糖浆的粘性，而不是通常的水的粘性。在液态水中只需花一秒钟的运动，到这种粘性液体中可能要花10万年。然而，按彗星的寿命来衡量，这一时间并不算长。

在我们的发现之前，研究人员认为这种不寻常的液态水在空间中是很罕见的。大多数研究人员此前均设想水在这一温度下将迅速结晶成立方晶冰；但我们发现，在150到200开氏度这一范围内，粘性液体能够与立方晶冰无限期地共存下去。因此，这种液体是彗星表面与近邻行星的冰质卫星表面上的一种具有潜在重要性的成分(彗星与行星的冰质卫星全都在这一温度范围内)。对于彗星来说，粘性液体与结晶冰的混合物可能把气体分子封闭在表面之下，从而有助于长期保存关键的有机化合物——甚至可能一直保存到彗星抵达地球的轨道。

这样我们又回到了地球上那种我们更为熟悉的液态水。立方晶冰和粘性液体的混合物进一步变热到大约200开氏度后(这一温度仍然是冷得刺骨的摄氏零下73度)，冰的结构将完全改变，变成地球上那种六方晶冰的形式。在这一再结晶过程中，所有剩下的杂质——包括有机化合物——全部被冰赶了出去。从此刻开始，冰就基本上变成了我们所知道的那种东西，例如雪花的冰、冰川以及冰块等。但幸运的是，有机物现在有了一个新的地方——地球上无处不在的液态水——作为它的栖身之地了。

看来，在产生并加工生命所必需的分子的过程中，每一步都少不了水。这些水经过了一段漫长的历程：它们起源于星际尘粒上的霜，最终则变成地球——或许还有宇宙中其它适于居住的星球——上的液态水。这一过程中的各种奇异形态的冰——我们才刚刚开始了解它们的物理特性和化学性质——将增进我们对宇宙历史的了解，它们提供的知识之多可能超出科学家们的预料。

【魏鹏／译 向俊／校】