通过高分辨率原子力显微镜直接观测小行星龙宫中的有机分子

近距离的古老太空化学

早在地球成为一个有生命的世界之前，复杂的富碳分子就已在太空中漂浮。其中一部分古老物质最终被封存于小行星中。本研究聚焦这些原始构件，直接取自小行星龙宫并带回地球。研究者使用一种能“触摸”单个原子的超高灵敏显微镜，揭示了先前从未如此详尽看到的惊人大型复杂有机分子，为我们理解太阳系的化学史以及可能促成地球宜居性的成分提供了新线索。

来自原始天体的洁净样本

关于地外有机物的大部分认识来自坠落到地球的陨石。这些样本极其宝贵，但存在污染风险：它们很容易沾染地球大气、土壤和生命的痕迹。日本的隼鸟2号（Hayabusa2）任务改变了这一点：它在严格的洁净条件下采集了来自昏暗富碳小行星龙宫的原封样品并带回。先前对龙宫可溶性有机物的研究，使用高分辨质谱已揭示出成千上万种不同的化学式，包括氨基酸、核碱基、酸类和由少数融合碳环构成的小型多环芳烃（PAHs）。然而，这些总体分析技术主要检测相对较小且丰度较高的物种，罕见的大分子因此常被淹没在噪声中。

能“感知”原子的显微镜

为揭示被遗漏的成分，研究团队转向高分辨率原子力显微镜（AFM）。该方法通过微尖端与样品表面之间的力的细微感应来描绘分子结构。通过在探针端功能化一个一氧化碳分子并在极低温及超高真空条件下工作，AFM 能够勾勒出单个分子中各环的轮廓。研究者用溶剂提取龙宫的有机物，将极少量沉积在金属表面上，然后在微米级区域耐心搜索以寻找到来自小行星的孤立分子。专门的“多遍扫描”模式使他们能够追踪三维分子的轮廓，而不仅限于平面分子，从而揭示出常规方法会遗漏的细节。

巨大且形状奇特的碳骨架

仅从22个详细成像的分子中，就展现出令人震撼的图景。所有分子都类似多环芳烃结构，由多个融合环构成，但在尺寸和形状上变化巨大，没有两个具有相同的构型。有些分子规模适中，约由五到六个碳环组成；而有些则异常庞大，估计含有超百个环，分子量超过3000道尔顿——远大于以往对龙宫通过常规分析确认的一到六环PAHs。环网络并非简单的平面蜂巢结构：除熟悉的六元环外，许多分子还包含五元、七元甚至八元环，使其碳骨架弯曲并偏离平面。芳香核心周围的亮起突起提示存在短侧链，可能为甲基等基团，进一步增加了这些古老有机物的复杂性。

连接实验室样品与星际空间

这些出乎意料的大型三维PAHs有助于弥合天文学家在天体中推断与化学家在手中样品中观察到之间的长期差距。对星际云的红外观测表明，含有数十到约一百个碳原子的PAHs在太空中很常见，然而使用集合性方法在陨石或小行星物质中确认此类巨型分子一直较困难。AFM 绕过了常见的检测限制：即便样品中实际只有单个分子，它也能对其成像，而且其灵敏度不依赖于分子的质量。研究团队在龙宫样品中观测到的分子可能与太空中观测到的大型弯曲碳结构（例如类富勒烯物种）为同源或中间体，提供了关于复杂碳如何从星际云演化到固态天体乃至最终行星表面的新见解。

对我们宇宙起源的意义

对非专业读者而言，关键信息是：像龙宫这样的天体携带着一批被早期方法几乎无法察觉的大型复杂有机分子。通过逐个分子地直接“看见”其碳骨架，这项工作表明太空化学不仅能合成氨基酸和小环等简单成分，还能构建巨大的扭曲骨架，这些骨架或许是通向更复杂有机物的垫脚石。研究证明了单分子AFM是观察地外化学的强有力新窗口，并暗示未来对更多小行星与陨石样品的分析将继续精化我们对先于地球生命的原始物质的认识。

引用: Iwata, K., Oba, Y., Naraoka, H. et al. Direct observation of organic molecules in asteroid ryugu revealed by high-resolution atomic force microscope. Nat Commun 17, 3416 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-71484-y

关键词: 小行星龙宫, 地外有机物, 多环芳烃, 原子力显微镜, 生命起源