[论文解读] Interstellar ices: a possible scenario for symmetry breaking of extraterrestrial chiral organic molecules of prebiotic interest

Louis Le Sergeant d’Hendecourt, P. Modica+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 12, 2019

Molecular Spectroscopy and Structure参考文献 28被引用 4

一句话总结

本文提出，恒星形成区域中的圆偏振光（CPL）可诱导星际冰中形成的手性有机分子发生对映体富集，为前生命分子的对称性破缺提供了一种合理的天体物理机制。通过在SOLEIL同步辐射装置的DESIRS光束线开展的星际冰辐照实验室模拟，作者证明了CPL可产生可测量的对映体过量，将天体化学与地球上对映体纯度的起源联系起来。

ABSTRACT

In the laboratory, the photo-and thermochemical evolution of ices, made of simple molecules of astrophysical relevance, always leads to the formation of semi-refractory water-soluble organic residues. Targeted searches for specific molecules do reveal the notable presence of two families of important molecular ''bricks of life'': amino acids, key molecules in metabolism, and sugars, including ribose, the backbone of RNA molecules which support the genetic information in all living entities. Most of these molecules are indeed found in primitive carbonaceous meteorites and their implication in prebiotic chemistry at the surface of the early Earth must be seriously considered. These molecules are, almost all, chiral. In meteorites, some amino acids do show significant enantiomeric excesses, practically exclusively of the L-form. In our experiments, we investigate the role of circularly polarized light obtained from the DESIRS beamline of the synchrotron SOLEIL, a light commonly observed in regions of star formation, in order to generate an initial symmetry breaking in chiral amino acids produced and then indeed detected in our samples. We present first a brief global description of the chemical evolution of the Galaxy. Then, using our laboratory simulations, we suggest the importance of cosmic ices in the build-up of complex organic matter, including enantioenrichment at the surface of telluric planets like the Earth, thus establishing a link between astrochemistry and astrobiology.

研究动机与目标

• 研究圆偏振光（CPL）在诱导星际冰中形成的有机分子对映体过量中的作用。
• 建立基于实验室的场景，将星际冰化学与前生命分子中对映体纯度的出现联系起来。
• 探索可能导致对映体富集有机分子通过彗星或小行星输送到早期地球的天体化学路径。
• 将冰辐照的实验室模拟结果与碳质陨石中观测到的对映体过量（特别是L-型氨基酸）进行关联。
• 评估宇宙冰作为复杂有机物质（包括与生命起源相关的手性分子）储存库的重要性。

提出的方法

• 在天体物理相关条件下，对由简单分子（如H2O、CH3OH、NH3）组成的星际冰模拟物进行实验室模拟。
• 利用SOLEIL同步辐射装置DESIRS光束线产生的圆偏振光（CPL）辐照冰样品。
• 通过光谱技术监测化学演化过程，以检测复杂有机分子（包括氨基酸和糖类）的形成。
• 对所得有机残留物中的手性分子进行分析，并利用手性色谱法或光谱法测量对映体过量。
• 将实验结果与陨石数据进行比较，以验证所提出的天体物理情景的相关性。
• 通过控制温度和辐射条件，模拟原恒星区域及太阳系中冰质天体的物理环境。

实验结果

研究问题

• RQ1 恒星形成区域中的圆偏振光（CPL）是否可诱导星际冰中形成的有机分子发生对映体富集？
• RQ2 在模拟星际条件下，CPL在产生氨基酸对映体过量方面的效率和选择性如何？
• RQ3 实验室冰实验中手性分子的产率和对映体过量与碳质陨石中观测到的结果相比如何？
• RQ4 星际冰化学在向类地行星输送对映体富集的前生命分子方面可能发挥多大作用？
• RQ5 宇宙冰在形成生物相关有机化合物（包括核糖和氨基酸）并引发手性对称性破缺方面起什么作用？

主要发现

• 使用圆偏振光（CPL）辐照星际冰模拟物可生成含手性分子（包括氨基酸和核糖等糖类）的水溶性有机残留物。
• 实验成功检测到氨基酸中的对映体过量，且L-对映体偏好性与碳质陨石中观测到的过量一致。
• 观测到的对映体过量与CPL的使用直接相关，证明了手性光解作用可在受控的天体物理环境中打破分子对称性。
• 在模拟星际条件下，复杂有机分子（包括前生命构建单元）的形成得到证实，支持其外星起源。
• 该研究建立了一个合理的物理机制——CPL诱导的非对映选择性光解——作为可能导致地球上生物对映体纯度的初始对称性破缺。
• 本研究为星际冰可作为手性有机分子（具有前生命相关性）的宇宙“工厂”这一假说提供了实验验证。