宇宙冰中隐藏的 DNA 大小的晶体可能会改写水和生命本身
根据伦敦大学学院（UCL）和剑桥大学（University of Cambridge）科学家的一项新研究，“太空冰”包含微小的晶体，并不像以前假设的那样是像液态水那样完全无序的材料。 太空中的冰与地球上的结晶（高度有序）冰不同。 几十年来，科学家们一直认为它是无定形的（没有结构），较低的温度意味着它在冻结时没有足够的能量来形成晶体。 在发表在《物理评论 B》上的这项新研究中，研究人员研究了宇宙中最常见的冰形式，即低密度无定形冰，它以块状物质的形式存在于彗星、冰冷的卫星以及恒星和行星形成的尘埃云中。 他们发现，如果冰不是完全无定形的，但含有微小的晶体（约 3 纳米宽，比单链 DNA 略宽），那么这种冰的计算机模拟最符合以前实验的测量值嵌入其无序的结构中。 在实验工作中，它们也重新结晶（即 预热了）以不同方式形成的无定形冰的真实样本。 他们发现，最终的晶体结构根据无定形冰的起源而变化。 研究人员得出结论，如果冰是完全无定形的（完全无序的），它不会保留其早期形式的任何印记。 的主要作者 Michael B. 博士。 戴维斯在伦敦大学学院攻读博士学位时完成了这项工作物理与天文学和剑桥大学说：“我们现在对宇宙中最常见的冰在原子水平上的样子有了很好的了解。 “这很重要，因为冰参与许多宇宙学过程，例如行星如何形成、星系如何演化以及物质如何围绕宇宙运动。” 这些发现也对一种关于地球上生命如何开始的推测理论产生了影响。 根据这个被称为 Panspermia 的理论，该建筑生命块被冰彗星带到这里，低密度无定形冰是航天飞机材料，其中运输了简单的氨基酸等成分。 戴维斯博士说：“我们的研究结果表明，这种冰对于这些生命起源分子来说是一种不太好的运输材料。 这是因为部分结晶结构可能嵌入这些成分的空间较小。 “不过，这个理论仍然适用，因为生命的组成部分可以被困住和储存的冰块。 的合著者、伦敦大学学院化学系的 Christoph Salzmann 教授说：“由于我们温暖的温度，地球上的冰是一种宇宙学上的奇观。 您可以在雪花的对称性中看到它的有序性质。 “长期以来，宇宙其余部分的冰一直被认为是液态水的快照——即固定到位的无序排列。 我们的研究结果表明，这并不完全正确。 “我们的结果也引发了问题关于非晶态材料的一般介绍。 这些材料在许多先进技术中具有重要用途。 例如，长距离传输数据的玻璃纤维需要是无定形的或无序的，才能实现其功能。 如果它们确实含有微小的晶体，我们可以去除它们，这将提高它们的性能。 在这项研究中，研究人员使用了两个计算机模型的水。 他们通过以不同的速率冷却到 -120 摄氏度来冻结这些虚拟的水分子“盒子”。不同的冷却速率导致结晶冰和非结晶冰的比例不同。 他们发现，高达 20% 结晶（和 80% 无定形）的冰似乎与 X 射线衍射研究中发现的低密度无定形冰的结构非常匹配（即研究人员向冰发射 X 射线并分析这些射线如何偏转）。 使用另一种方法，他们创造了许多小冰晶紧密挤压在一起的大型“盒子”。 模拟然后扰乱冰晶之间的区域，与第一种方法（含 25% 结晶冰）相比，达到非常相似的结构。 在额外的实验工作中，研究小组以多种方式创建了低密度无定形冰的真实样本，从将水蒸气沉积到极冷的表面（冰如何在星际云中的尘埃颗粒上形成）到加热所谓的高密度无定形冰（已被压碎的冰） 极冷温度）。 ：然后，该团队轻轻加热这些无定形的冰，以便它们有能量形成晶体。 他们注意到冰的结构因来源而异——具体来说，以六重（六边形）排列堆叠的分子比例存在变化。 他们说，这是低密度无定形冰含有晶体的间接证据。 他们得出结论，如果冰是完全无序的，那么冰就不会保留其早期形态的任何记忆。 研究小组表示，他们的发现提出了许多关于无定形冰性质的其他问题——例如，晶体的大小是否根据无定形冰的形成方式而变化，以及真正的无定形冰是否可能。 无定形冰于 1930 年代首次以低密度形式被发现，当时科学家将水蒸气凝结在冷却至 -110 摄氏度的金属表面上。 它的高密度状态是在 1980 年代被发现的，当时普通冰是在接近 -200 摄氏度时压缩。 最新论文背后的研究团队位于伦敦大学学院和剑桥大学，于 2023 年发现了中密度无定形冰。 发现这种冰的密度与液态水相同（因此既不会下沉也不会漂浮在水中）。 的合著者、剑桥大学的 Angelos Michaelides 教授说：“水是生命的基础，但我们仍然没有完全了解它。 无定形的冰可以容纳这是解释水的许多异常的关键。 Davies 博士说：“冰在太空中可能是一种高性能材料。 它可以保护航天器免受辐射或提供氢和氧形式的燃料。 因此，我们需要了解它的各种形式和特性。