二肽在天体物理环境电离辐射下的存活

《Physical Chemistry Chemical Physics》：Survival of dipeptides under ionizing radiation in astrophysical environmentsOpen Access

　　

沉积在ZnSe窗口上的线性二肽、环状二肽以及丙氨酸（alanine）氨基酸薄膜，用0.98 MeV u?1的12C4+束在10、80和300 K下辐照。通过原位（in situ）测量辐照前、中和后的红外（IR）吸收光谱研究辐照效应。观察到的主要效应是由离子诱导碎裂和溅射（sputtering）导致的薄膜降解；值得注意的是环状物种表现出高于线性物种的放射性抗性（radioresistance）。低温测量还证明形成了较低质量的新物种。此外，辐照后丙氨酸与原始线性丙氨酰-丙氨酸（alanyl-alanine）薄膜的IR光谱相似，提示离子诱导肽聚合（peptide polymerization），并支持环状二肽可能在早期宇宙恶劣条件下存活、为产生具有潜在前生物（prebiotic）意义更大有机分子的辐射诱导途径做出贡献的观点。

研究背景方面，肽能够催化广泛化学反应甚至自身形成肽键，因此在生命起源中可能起关键作用。当前存在两类起源场景：地球“原始汤”由无机前体演化出生物聚合物，以及地外“生命种子”通过陨石、彗星和星际环境输送。观测已在星际、系外行星、土卫六大气及贝努（Bennu）样品中发现氨基酸、核碱基、糖、胺类等前生物分子。然而，这些分子在宇宙线、太阳风和重离子电离辐射下的存活能力仍不清楚；尤其二肽作为肽链增长关键环节，其线性与环状结构在空间中如何抵抗辐射降解、是否能借辐射形成更长肽，是未解决问题。因此研究人员在《Physical Chemistry Chemical Physics》发表该项工作，以明确二肽在类空间条件下的放射性抗性与辐射化学行为。

关键技术方法方面，研究人员在GANIL的IRRSUD束线使用¹²C⁴⁺重离子束辐照样品；样品为商业粉末经乙醇:水沉积于ZnSe窗口的均质薄膜，温度设300、80、10 K以模拟地球、太阳系与分子云环境；用傅里叶变换红外（FTIR）光谱在原位每5分钟采谱，波数4000–700 cm^?1、分辨率1 cm^?1；用密度泛函理论（DFT，B3LYP@def2-QZVPP加D4色散、CPCM水隐式溶剂）计算振动模式；以骨架振动峰面积随离子注量（fluence）指数衰减提取表观破坏截面（apparent destruction cross section，σ_d）评价放射性抗性。

研究结果部分，4.1 丙氨酸氨基酸与AA二肽的放射性抗性：研究人员对丙氨酸、线性丙氨酰-丙氨酸（lAA）与环状丙氨酰-丙氨酸（cAA）薄膜辐照，用低于1400 cm^?1的C/N/O骨架模作为分子完整性指标。通过峰面积随¹²C⁴⁺注量变化拟合A=A₀e^?σ_dF，得出lAA的σ_d=(2.66±0.11)×10^?13 cm²，cAA为(1.32±0.13)×10^?13 cm²。结论为σ_d越大膜侵蚀越快、抗性越低，故线性二肽存活概率低于环状二肽。

4.2 甘氨酰-苯丙氨酸（GP）与甘氨酰-甘氨酸（GG）二肽的放射性抗性：对lGP、cGP与cGG开展同样分析。lGP的σ_d=(3.27±0.31)×10^?13 cm²，cGP为(1.36±0.11)×10^?13 cm²，cGG为(1.15±0.61)×10^?13 cm²。结果表明环状GP抗性高于线性GP，且不同二肽的环/线趋势一致；cGP中电荷离域于苯基与二酮哌嗪环，抑制碎裂，因而比无母离子信号的lGP更稳定。

4.3 放射性抗性与温度关系及新物种形成：在80 K与10 K对lAA和cAA辐照，提取σ_d显示低温下仍是lAA分解更快；温度由300降至10 K，σ_d在实验不确定度内无显著变化。低温光谱在2000–2500 cm^?1出现新带，结合前期分子动力学可归因于CO、HNCO、HCN/HNC、CN、OCN^?、CO₂及¹³CO₂等小分子；线性二肽因羧基易释CO₂，其CO₂弯曲带比环状更明显，说明低温捕集使挥发碎片留存并被观测到。

4.4 辐照诱导的化学：研究人员比较辐照后丙氨酸与辐照前lAA的IR谱，发现二者高度相似，说明丙氨酸在重离子作用下可朝线性二肽方向聚合；环状二肽则需分子重排或分子间作用才产CO₂。该现象与文献中UV辐照甘氨酸等可形成高分子量物种相呼应，支持辐射既可降解也可构建前生物分子。

讨论与结论翻译部分，研究人员讨论指出：重离子辐照同时造成碎裂、溅射与低质量产物形成；低温保留挥发物使新带可检；环状二肽凭借闭合骨架与电荷离域提高放射性抗性，线性二肽更易失CO₂与降解。结论为：环状二肽比线性二肽更耐0.98 MeV u^{?1 12}C⁴⁺辐照，该性质在300、80、10 K均成立；低温下辐照产生CO、CO₂、HCN等小分子；辐照后丙氨酸光谱近似线性丙氨酰-丙氨酸，表明离子束可驱动氨基酸向肽键形成方向反应。因此环状二肽有望在早期宇宙高能环境中存活，并为更大前生物有机分子提供辐射诱导合成路径。