研究人员正在探索宇宙辐射如何与冰粒相互作用形成益生元分子，这对理解宇宙中生命的起源，以及在医疗和环境领域的潜在应用具有重要意义。

宇宙起源和益生元化学

我们是谁？我们为什么在这里？正如Crosby，Stills，Nash & Young的歌曲所暗示的那样，我们是星尘，是整个星际气体和尘埃云中发生的化学反应的结果。为了更好地了解这种化学物质如何创造益生元分子 —— 地球和其他地方生命的种子 —— 研究人员研究了宇宙辐射穿过冰粒时产生的低能量电子的作用。他们的发现还可能为我们地球上的医学和环境应用提供信息。

本科生肯尼迪·巴恩斯（Kennedy Barnes）将在美国化学会（ACS）秋季会议上展示该团队的研究成果。ACS秋季2024是一个混合会议，将于8月18日至22日举行虚拟和面对面的会议；它的特色是关于一系列科学主题的大约10000个演讲。

历史洞察与研究目的

巴恩斯说：“100多年前，韦尔斯利学院的校友安妮·坎农（Annie Jump Cannon）首次探测到了太空中的分子。”巴恩斯和他的同学吴荣（Rong Wu）在化学教授克里斯托弗·阿鲁马纳亚甘（Christopher Arumainayagam）和物理学教授詹姆斯·巴特（James Battat）的指导下，领导了韦尔斯利的这项研究。自从坎农的发现以来，科学家们一直对寻找外星分子的形成方式感兴趣。巴恩斯解释说：“我们的目标是探索低能电子与光子在激发化学反应中的相对重要性，这些化学反应负责地外合成这些益生元分子。”

之前对这个问题的一些研究表明，电子和光子都可以催化同样的反应。然而，巴恩斯及其同事的研究表明，低能电子和光子产生的益生元分子在太空中可能有很大的不同。巴恩斯解释说：“我们的计算表明，宇宙冰中宇宙射线诱导的电子数量可能远远大于撞击冰的光子数量。因此，电子可能比光子在外星合成益生元分子中发挥更重要的作用。”

空间研究对地球的影响

除了宇宙冰，她对低能电子和辐射化学的研究在地球上也有潜在的应用。巴恩斯和他的同事最近研究了水的辐射分解，发现了过氧化氢和羟基自由基的电子刺激释放的证据，它们破坏平流层的臭氧，并在细胞中起到破坏活性氧的作用。

“我们的许多水放射性分解研究成果可以用于医疗应用和医疗模拟，”巴恩斯分享说，并提供了使用高能辐射治疗癌症的例子。“我曾经听过一位生物化学教授说，人类基本上就是一袋袋水。因此，其他科学家正在研究水中产生的低能电子如何影响我们的DNA分子。”

她还说，研究小组的发现适用于用高能辐射处理废水的环境修复工作，高能辐射会产生大量低能电子，这些电子被认为是破坏有害化学物质的原因。

实验室模拟和更广泛的影响

回到太空化学，为了更好地理解益生元分子合成，研究人员并没有将他们的努力局限于数学建模；他们还通过模拟实验室的空间条件来验证他们的假设。他们使用了一个超高真空室，里面有一个可以冷却到超低温的超纯铜衬底，还有一个产生低能量电子的电子枪和一个产生低能量光子的激光驱动等离子灯。然后，科学家们用电子或光子轰击纳米级的冰膜，看看会产生什么分子。

巴恩斯说：“尽管我们之前关注的是这项研究如何适用于星际亚微米冰粒子，但它也与更大范围的宇宙冰有关，比如木星的卫星木卫二，它有一个20英里厚的冰壳。”

因此，她建议他们的研究将帮助天文学家了解来自太空探索任务的数据，例如美国宇航局的詹姆斯韦伯太空望远镜，以及最初预计于2024年10月发射的木卫二快船。巴恩斯希望他们的发现能激励其他研究人员将低能电子纳入他们的天体化学模型，以模拟宇宙冰内发生的事情。

巴恩斯和他的同事们也在改变冰膜的分子组成，并探索原子加成反应，看看低能电子是否能产生其他生命起源前的化学反应。这项工作是与法国天体物理学和大气辐射和物质研究实验室的研究人员合作进行的。

巴恩斯说：“我们正处于学习的风口浪尖，我认为这真的很令人兴奋和有趣。”

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