[论文解读] Can DNA bases be produced during molecular cloud collapse?

Sonali Chakrabarti, Sandip K. Chakrabarti|arXiv (Cornell University)|Jan 6, 2000

Origins and Evolution of Life被引用 6

一句话总结

本研究探讨了在分子云坍缩过程中，通过包含421种物种的大型化学网络，腺嘌呤等DNA碱基是否能够形成。利用流体动力学与化学演化模型，研究发现腺嘌呤在1 AU处的质量分数可累积至约6×10⁻¹¹，表明前生命分子可能在行星形成期间污染了地球，从而有助于生命的起源。

ABSTRACT

Using a reasonably large chemical reaction network consisting of 421 species, we show that along with normal chemical evolution of molecular cloud during collapse and star formation, significant amount of adenine, a DNA base, may be produced after an evolution of 10^{6-7} years. This findings may shed light on whether life on earth had to begin from scratch or these molecules could have contaminated the earth from the beginning.

研究动机与目标

• 探究在分子云坍缩的化学演化过程中，腺嘌呤等DNA碱基是否能够形成。
• 评估前生命分子是否可能在行星形成之前被输送至地球，从而缩短生命出现所需的时间。
• 评估分子云坍缩在天体物理上合理的条件下产生复杂有机分子的作用。
• 确定在低密度、等温区域长期时间尺度下，腺嘌呤形成是否可行。
• 探索星际化学在行星形成之前向行星系统输送生物分子的潜力。

提出的方法

• 使用流体动力学模拟模型对分子云坍缩进行建模，初始参数为：半径3×10¹⁸ cm，温度10 K，角速度10⁻¹⁶ rad s⁻¹。
• 通过包含421种物种的反应网络追踪化学演化，扩展了UMIST数据库，新增了腺嘌呤、氨基酸（甘氨酸、丙氨酸）、尿素和羟基酸的反应。
• 新反应的速率常数采用标准形式估算：k = α(T/300)^β exp(−γ/T)，其中两体反应的α = 10⁻¹⁰，β = γ = 0。
• 初始元素丰度基于MFW97设定，H:He:C:N:O:Na:Mg:Si:P:S:Cl:Fe的质量分数。
• 利用Shu et al. (1987) 和 Hartmann (1998) 的模型计算密度、温度和速度分布，r_tr以外区域采用绝热坍缩，r_c处存在离心势垒。
• 化学演化模拟从r = 3×10¹⁸ cm下探至10¹² cm，通过径向距离和吸积率追踪时间演化。

实验结果

研究问题

• RQ1 腺嘌呤作为关键DNA碱基，是否能在分子云坍缩过程中的化学演化中合成？
• RQ2 在坍缩云环境中，腺嘌呤形成的 timescale 和径向分布如何？
• RQ3 在低密度、等温区域中，10⁶年内腺嘌呤的形成是否具有显著意义？
• RQ4 坍缩过程中的物理条件（密度、温度、速度）如何影响前生命分子的产率？
• RQ5 分子云中腺嘌呤的存在是否可能对地球的前生命物质组成产生贡献？

主要发现

• 在1 AU处，腺嘌呤的质量分数达到X_adenine ≈ 6×10⁻¹¹，对应地球质量中约2.4×10¹⁷ g的腺嘌呤，表明可能存在前生命污染。
• 即使在静态、低密度云中（ρ = 1.6×10⁻¹⁹ g cm⁻³，T = 10 K），经过10⁶年时间，腺嘌呤也能显著形成，其丰度约为5×10⁻¹²。
• 复杂分子如腺嘌呤、尿素和甘氨酸的质量分数在云内区域逐渐增加，尤其在1 AU附近显著提升，该区域条件为还原性（C/O > 1）。
• 腺嘌呤的形成通过逐步的HCN加成实现：HCN → CH(NH)CN → NH₂CH(CN)₂ → NH₂(CN)C=C(CN)NH₂ → H₅C₅N₅（腺嘌呤）。
• 轻元素（H、N、C、O）的耗竭发生较早，但复杂分子在中等密度区域和长时间尺度下高效形成。
• 结果表明，前生命分子如腺嘌呤可在星际环境中自然生成，并被输送至形成中的行星系统。