厨师熟悉的化学反应如何帮助创造了地球上的生命

厨师熟悉的化学反应如何帮助创造了地球上的生命美拉德反应每年锁住400万吨有机碳过程有助于稳定复杂生命进化的条件.用于使食物褐变并赋予其独特气味和味道的化学过程很可能发生在海洋深处,它帮助创造了生命所需的条件。该过程被称为美拉德反应,以发现该反应的法国科学家命名,该过程将小分子有机碳转化为较大分子,即聚合物。在厨房中,利用美拉德反应从糖中产生风味和香气。利兹大学卡罗琳·皮科克教授领导的一个研究小组认为,在海底,美拉德反应发挥了更根本的作用。具体来说,它有助于提高大气中的氧气含量和减少二氧化碳含量,从而为地球上复杂生命形式的出现和繁衍创造条件。海洋中的有机碳主要来自微生物。当这些生物体死亡时,它们会沉入海底并被细菌吞噬。衰变过程使用氧气并将二氧化碳释放到海洋中,最终进入大气中。科学家认为,近岸环境是大多数有机碳埋藏的地方。图片来源:利兹大学由于美拉德反应,较小的分子转化为较大的分子。这些较大的分子更难被微生物分解,并且可以在沉积物中储存数万年(如果不是数百万年)。科学家们将这种现象描述为“有机碳的保存”。有机碳在海底的长期储存或保存对地球表面的发展状况产生了重大影响。它限制了二氧化碳的释放,让更多的氧气进入地球大气层,并将过去4亿年来地球陆地表面变暖的变化限制在平均约5摄氏度。奥利弗·摩尔博士。图片来源:利兹大学该研究的第一作者、利兹地球与环境学院生物地球化学研究员OliverMoore博士说:“早在1970年代就有人提出美拉德反应可能发生在海洋沉积物中,但该过程人们认为速度太慢,无法影响地球上存在的条件。“我们的实验表明,当海水中存在关键元素,即铁和锰时,反应速率会提高数十倍。在地球漫长的历史中,这可能有助于为复杂生命在地球上栖息创造必要的条件。”作为研究的一部分,科学家们模拟了有多少有机碳因美拉德反应而被锁定在海底。他们估计,每年约有400万吨有机碳被锁在海底。这相当于大约50座伦敦塔桥的重量。为了验证他们的理论,研究人员在实验室中10摄氏度(即海底温度)下观察了简单有机化合物与不同形式的铁和锰混合时发生的变化。分析显示,经过美拉德反应的实验室样本的“化学指纹”与从世界各地海底采集的沉积物样本的“化学指纹”相匹配。这种“指纹”分析是在英国牛津郡的钻石光源进行的,这是英国的同步加速器,它产生强烈的光能光束,以揭示样品的原子结构。DiamondLightSource扫描X射线显微镜光束线(I08-SXM)首席光束线科学家BurkhardKaulich博士表示:“我们先进的I08-SXM仪器具有高稳定性、高能量和光学分辨率,经过开发和优化,可用于帮助探测环境系统中发生的碳化学和反应。我们非常自豪能够为更好地理解地球上复杂生命形式和气候创造所涉及的基本化学过程做出贡献。”来自利兹的皮科克教授说:“发现海洋中由铁和锰制成的活性矿物有助于创造地球上生命进化所需的稳定条件,这是非常令人兴奋的。”从更好地了解地球化学过程中汲取的经验教训可用于利用新方法来应对现代气候变化。伦敦玛丽女王大学环境科学家、该论文的作者之一詹姆斯·布拉德利博士表示:“了解影响沉积在海底的有机碳命运的复杂过程对于查明地球气候如何变化至关重要。响应自然过程和人类活动,并帮助人类更好地管理气候变化,因为碳捕获技术的应用和长期成功依赖于碳以稳定的形式被锁定,而不是转化为二氧化碳。”...PC版:https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1377171.htm手机版:https://m.cnbeta.com.tw/view/1377171.htm

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地球上的生命是如何起源的?新技术提供新见解

地球上的生命是如何起源的?新技术提供新见解有人假设,含有尿素(一种对形成核碱基至关重要的有机化合物)的小水坑暴露在这种强烈的辐射下,导致尿素转化为反应产物。这些产物就是生命的组成元素:DNA和RNA。但要进一步了解这一过程,科学家们需要进一步深入研究尿素电离和反应背后的机理,以及反应途径和能量消耗。研究人员利用创新的X射线光谱技术了解了电离的尿素分子可能如何促进了地球生命的起源,从而为原子化学的发展铺平了道路。上图显示了尿素水溶液中两个尿素分子之间光离子化诱导的质子转移。资料来源:LudgerInhester由通讯作者、现任东北大学同步辐射创新智能国际中心(SRIS)副教授的尹中,以及来自日内瓦大学(UNIGE)、苏黎世联邦理工学院(ETHZ)和汉堡大学的同事们组成的国际合作小组,通过一种创新的X射线光谱学方法,揭示了更多的信息。这项技术利用了高次谐波发生光源和亚微米级液体平面喷射器,使研究人员能够以无与伦比的时间精确度检查液体中发生的化学反应。最重要的是,这种开创性的方法使研究人员能够在飞秒级别(即一秒的四万亿分之一)研究尿素分子的复杂变化。Yin说:"我们首次展示了尿素分子在电离后的反应。电离辐射会破坏尿素生物分子。但在消散辐射能量的过程中,尿素经历了一个发生在飞秒时间尺度上的动态过程"。以前对分子反应的研究仅限于气相。为了将这一研究扩展到水环境(即生物化学过程的自然环境),研究小组必须设计一种装置,能够在真空中产生厚度小于百万分之一米的超薄液体射流。较厚的液流会吸收部分X射线,从而妨碍测量。担任首席实验员的殷认为,他们的突破不仅回答了地球上的生命是如何形成的。它还在新颖的原子化学科学领域开辟了一条新途径。"更短的光脉冲是实时了解化学反应和推动attochemistry领域发展所必需的。我们的方法使科学家能够观察分子电影,沿途跟踪这一过程的每一步"。...PC版:https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1383315.htm手机版:https://m.cnbeta.com.tw/view/1383315.htm

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科学家发现地球生命的潜在星际起源

科学家发现地球生命的潜在星际起源在地球上出现生命之前,基本的有机分子是由氮、硫、碳和磷等稀缺元素形成的。新的研究表明,富含这些元素的宇宙尘埃可能通过在地球上,特别是在冰原融洞中的高浓度积累,启动了前生物化学,从而有可能导致生命组成元素的形成。资料来源:NASA/JPL-Caltech事实上,生命的基本组成元素是如此稀少,以至于化学反应很快就会耗尽,如果它们真的能够进行的话。地球组成岩石的侵蚀和风化等地质过程也无法确保充足的供应,因为地壳中包含的这些元素实在太少了。尽管如此,在地球历史的前5亿年里,发生了一种前生物化学反应,产生了诸如RNA、DNA、脂肪酸和蛋白质等有机分子,所有生命都是在这些有机分子的基础上诞生的。所需数量的硫、磷、氮和碳从何而来?地质学家、诺米斯研究员克雷格-沃尔顿坚信,这些元素主要是以宇宙尘埃的形式来到地球的。这些尘埃是在太空中产生的,例如当小行星相互碰撞时。即使在今天,每年仍有约3万吨尘埃从太空落到地球上。然而,在地球诞生的早期,尘埃的数量要大得多,每年高达数百万吨。然而,最重要的是,尘埃粒子含有大量的氮、碳、硫和磷。因此,它们有可能引发化学级联反应。然而,灰尘的散布范围很广,在任何一个地方都只能发现极少量的灰尘,这一事实与上述说法相悖。沃尔顿说:"但如果把运输过程包括在内,情况就会不同。风、雨或河流在大范围内收集宇宙尘埃,并以浓缩的形式沉积在某些地方。"澄清问题的新模式为了弄清宇宙尘埃是否可能是启动前生物化学(反应)的源头,沃尔顿与剑桥大学的同事们一起建立了一个模型。研究人员利用该模型模拟了在地球历史的最初5亿年里,有多少宇宙尘埃落到了地球上,以及这些尘埃可能在地球表面的哪些地方积聚。他们的研究现已发表在科学杂志《自然-天文学》上。该模型是与剑桥大学的沉积专家和天体物理学家合作开发的。英国研究人员专门从事行星和小行星系统的模拟研究。模拟显示,早期地球上可能存在宇宙尘埃浓度极高的地方。而且,来自太空的补给源源不断。然而,地球形成后,尘埃雨迅速锐减:5亿年后,尘埃流比零年小了一个数量级。研究人员将偶尔出现的上升高峰归因于小行星碎裂并向地球发送了尘埃尾流。冰原上的融化洞是尘埃陷阱大多数科学家和普通人都认为,地球被岩浆海洋覆盖了数百万年;这将在很长一段时间内阻止宇宙尘埃的迁移和沉积。沃尔顿说:"然而,最近的研究发现,有证据表明地球表面冷却和凝固的速度非常快,并形成了大面积的冰原。"根据模拟结果,这些冰原可能是宇宙尘埃积聚的最佳环境。冰川表面的融化孔--即所谓的冷冻孔--不仅会使沉积物积聚,也会使来自太空的尘粒积聚。随着时间的推移,尘埃粒子中释放出相应的元素。当它们在冰川水中的浓度达到临界值时,化学反应就会自动开始,从而形成有机分子,这就是生命的起源。即使在熔洞冰冷的温度下,化学过程也有可能开始进行。沃尔顿说:"低温并不会破坏有机化学,相反,低温下的反应比高温下的反应更有选择性和特异性。其他研究人员已经在实验室中证明,简单的环形核糖核酸(RNA)会在冰点附近的温度下自发地在这种融水汤中形成,然后进行自我复制。该论点的一个弱点可能是,在低温条件下,形成有机分子所需的元素只能非常缓慢地从尘埃粒子中溶解出来。"启动关于生命起源的辩论沃尔顿提出的理论在科学界并非没有争议。这项研究肯定会引发一场有争议的科学辩论,但它也会引发关于生命起源的新观点。早在18和19世纪,科学家们就确信陨石将沃尔顿所说的"生命元素"带到了地球。即使在当时,研究人员也在来自太空的岩石中发现了大量这些元素,但在地球的基岩中却没有发现。沃尔顿说:"然而,从那时起,几乎没有人考虑过前生物化学主要是由陨石引发的这一观点。"沃尔顿解释说:"陨石的想法听起来很有吸引力,但有一个问题。一块陨石只能在有限的环境中提供这些物质;陨石撞击地面的位置是随机的,而且无法保证进一步的供应。我认为,生命的起源不太可能依赖于几块广泛而随机散落的岩石。"另一方面,我认为富集的宇宙尘埃是一个可信的来源。"沃尔顿的下一步将是通过实验检验他的理论。在实验室中,他将使用大型反应容器来重现原始熔洞中可能存在的条件,然后将初始条件设定为40亿年前低温熔洞中可能存在的条件,最后再观察是否真的发生了产生生物相关分子的化学反应。编译来源:ScitechDaily...PC版:https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1428240.htm手机版:https://m.cnbeta.com.tw/view/1428240.htm

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照亮生命的起源:研究人员揭示远古地球上的糖合成过程

照亮生命的起源:研究人员揭示远古地球上的糖合成过程戊糖是现代生命形式新陈代谢中不可或缺的碳水化合物,但由于这些分子不稳定,因此尚不清楚它们在地球早期是否存在。日本东京工业大学地球生命科学研究所(ELSI)领导的一项新研究揭示了一种与早期地球条件相适应的化学途径,通过这种途径,C6醛酸酯可以作为戊糖的来源,而不需要酶。他们的发现提供了原始生物化学的线索,使我们更接近了解生命起源。一项新研究提供了有关原始生物化学的线索,使我们更接近于了解生命的起源。图片来源:美国宇航局戈达德太空飞行中心概念图像实验室地球早期的生化挑战地球上的生命是从简单的化学物质中产生的,这是生物化学乃至整个科学领域最令人兴奋而又最具挑战性的课题之一。现代生命形式可以通过复杂的化学网络将营养物质转化为各种化合物;此外,它们还可以利用酶催化非常特殊的转化,从而实现对所产生分子的精细控制。然而,在生命出现并变得更加复杂之前,酶是不存在的。因此,在地球历史的早期,很可能存在着各种非酶化学网络,它们可以将环境中的营养物质转化为支持原始细胞功能的化合物。戊糖:早期生命的基石戊糖的合成就是上述情况的一个突出例子。这些只含有五个碳原子的单糖是RNA和其他分子的基本组成单位,而这些分子对我们所知的生命来说是必不可少的。科学家们提出并研究了生命起源之前产生戊糖的各种方式,但目前的理论提出了一个问题:如果这些化合物的寿命极短,那么戊糖如何积累到足以参与生命起源前反应的数量?为了解决这个问题,由ELSI研究员易瑞琴领导的研究小组最近开展了一项研究,为早期地球上戊糖的起源和持续供应寻找另一种解释。他们探索了一个无酶化学网络,在这个网络中,C6醛酸酯(一种稳定的六碳碳水化合物)从各种前生物糖源积累起来,然后再转化回戊糖。(a)导致醛酸酯积累的原生代谢戊糖拟议途径,然后是非选择性氧化成脲酸酯、羰基迁移和β-脱羧。(b)磷酸戊糖途径的前几个步骤,以作比较。戊糖合成的新途径所提出的化学途径以葡萄糖酸盐开始,这是一种稳定的C6醛酸酯,在地球早期通过已知的基本糖类的前生物转化很容易获得。下一步是将C6醛酸酯非选择性地氧化成脲酸酯;这里的"非选择性"是指氧化过程不区分醛酸酯结构中的各种碳原子,因此有五种可能的氧化结果。通过实验和理论分析,研究人员深入研究了各种氧化产物,以弄清反应网络的细节。有趣的是,他们发现,无论氧化发生在哪里,生成的尿酸盐化合物都会发生一种被称为"羰基迁移"的分子内转化,直到形成特定的3-oxo-URONATE化合物。一旦达到这种状态,在H2O2和亚铁催化剂的作用下,3-氧代-尿苷酸盐很容易通过β-脱羧转化为戊糖,而这两种物质都与早期地球的条件相符。在建立并测试了这一复杂反应网络的全部过程后,研究人员注意到它与现代生化途径有着重要的相似之处。领衔作者易瑞勤强调说:"我们证明了五碳糖的非酶合成途径,它依赖于化学转化,让人联想到磷酸戊糖途径的第一步,而磷酸戊糖途径是新陈代谢的核心途径。这些结果证明,前生物的糖合成可能与现存的生化途径有重叠。鉴于糖类在现代新陈代谢中无处不在,所提出的反应网络可能对第一批类生命系统的出现非常重要。"天体生物学影响和未来研究本研究的发现对天体化学和天体生物学具有重要意义。在1969年坠落地球的著名碳质陨石默奇森(Murchison)陨石中发现了大量的醛酸酯。与此相反,在现代生物系统中发现的典型碳水化合物却不在其中。这意味着醛酸酯可以在地外条件下形成和积累,而本研究表明,它们可能在生命组成元素的起源过程中扮演重要角色。Yi补充说:"我们希望这项工作能掀起下一波天体生物学的热潮,将重点放在醛糖的研究上。"在未来的研究中,研究小组将重点关注C6醛酸酯是否能在地球早期积累到足够的量,以作为原生代谢出现的"养分"。首席研究员易瑞琴总结道:"我们希望进一步了解这些醛酸酯如何从经典的前生物糖反应中生成,如甲糖反应和基里亚尼-费舍尔同源反应。值得注意的是,这些经典的前生物糖反应在现代新陈代谢中并不存在,因此,所提出的非酶途径可以作为早期糖类和理论上最早的生命形式所使用的碳水化合物之间一座急需的桥梁。"...PC版:https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1401995.htm手机版:https://m.cnbeta.com.tw/view/1401995.htm

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地球最早诞生的生命:光合作用都不存在 它们吃什么呢?

地球最早诞生的生命:光合作用都不存在它们吃什么呢?然而,光合作用是一个复杂的过程,地球生命诞生之初它肯定不存在,它是生命经过漫长的演化才获得的“超能力”。其实,通过现有的证据,第一批进行光合作用的细菌是蓝细菌,它们很可能是在34亿到29亿年前诞生的。在之后的几亿年里,这些学会利用阳光的能量将水和二氧化碳转化成糖和氧气的生物传播向整个地球,并引发了一次被称为“大氧化事件”的地球历史大事件,彻底改变了地球生态。蓝细菌示意图之所以判定这些细菌的光合作用是在34-29亿年前出现的,是因为通过分子分析得到的,现在所有蓝细菌的共同祖先可以追溯到29亿年前,而蓝细菌的祖先是在34亿年前从其他细菌中分支出来的,所以光合作用一定是在两者之间的某个时间点开始的。然而,就像我们本专栏上一篇文章提到那样,地球生命很可能和液态水同时出现,大约是在43亿年前。那么有趣的问题是,在将近10亿年没有光合作用的时间里,生物吃什么?它们是如何实现能量转移的?最初的生命并没有“吃”如果我们把“吃”简单的理解为掠夺其它生命的能量的话,那么实际上,对于地球生命而言,可能超过一半的时间里都没有“吃”这个概念——早期的生命彼此和平共存。由于地球的地质活动活跃,超过40亿的岩石非常稀少,所以现在人们根本不知道最早的生命是什么样的,它到底开始于细胞,还是开始于遗传物质都存在许多争议。但是,当生命变成一个拥有遗传物质的细胞时,它肯定是原核生物——这是地球更古老的生命形式,但早期的原核生物基本是各玩各的。地球生命真正开始有“吃”的概念是真核生物的出现才开始的,这些生物以这种(吃)方式获得更多的能量,而这种行为导致的结果就是他们的体型变大数百倍。现在的化石证据表明,从大约17亿年前开始,古代真核生物化石就变得很大,达到100至400微米。作为对比,海洋的原核生物通常只有1微米,这种情况只有一种解释——它们有办法获得更多能量——这很可能就是“吃”(吞噬)。虽然真核生物进化被认为是一种原核生物吞噬另外一种原核生物的结果,但是两者最初的吞噬被认为并不是“吃”的关系,而是共生关系。你可能还想了解,既然原始生命没有“吃”,那么这些生命是怎么活的?地球生命的新陈代谢这个问题的答案就在于新陈代谢,无论是植物的光合作用,还是动物的呼吸作用,其实都只是地球生命新陈代谢的一种形式而已,而且是非常新颖和复杂的代谢形式,地球生命远不是只有这两种代谢形式。所谓新陈代谢,它的本质其实就是一些化学反应,生物通过这些化学反应释放的能量进行包括复制自己在内的生命过程。所以,新陈代谢是判断一个东西是否属于生命的重要依据之一,病毒就是没有新陈代谢才被踢出了生命行列的。我们想要了解最早的生命怎么活的话,其实就是要了解它们是如何新陈代谢的。图:叶绿体,真的就像是一个精密的工厂一样以光合作用作为基础是我们熟悉的部分,但其实生命对阳光这种可靠能量来源的利用远不是只有光合作用一种,有一些生命可以利用阳光的能量来让一些化学反应发生,从而让一些天然原料释放其中的能量,然后它们利用这个能量来完成生命过程。利用阳光进行生命过程的前者(光合作用)被称为光能自养生物,而后者被称为光能异养生物。如果你觉得生物只会利用光能,那就太狭隘了,就目前来看,现有地球生命至少还有另外一种形式——化学合成。简单地说就是,利用一些化学反应所释放的能量来制造生命过程所需的原料,或者直接利用化学能来释放一些有机物或者无机物的能量来完成生命活动。这些利用化学能的生物被统称为化能生物,同样也被分为化能自养型(前者)和化能异养型(后者)。海底阳光照射不到的生态系统2003MBARI在海底阳光无法照射到的地方——那些热泉口上是依然充满生机,其生态系统的基础就是那些化能自养生物,它们的生态角色就像我们熟悉的植物一样。理解了这些之后,我们可以来回答原始生物“吃”的问题了,首先要判断的就是最早的生命是利用阳光,还是利用化能。这里的答案化能很可能会更适合。你可能也发现了,利用化能可以有千万种可能——因为许多反应都能释放能量,而光能需要生物找到一些合理的方式才行。其实,利用光能最关键的难点在于阳光是一把“双刃剑”,它确实可以让一些无机物或有机物键合成“储存”光能的有机物,但是它的能量也会让化学键断裂(如果长时间暴露的话),将有机物分解,换句话说,在阳光照射下这一切是不稳定的。所以,现在生命起源于海底的说法如此吃香,因为利用阳光的能量制造的有机物确实很难形成一个稳定的,对生命友好的环境。其次,我们要判断它是异养生物还是自养生物。这是“生命的起源”相关话题中最受争议的部分之一,但异养生物相对来说胜出的可能性更大。其实,几乎所有动物和真菌都属于化能异养生物,最初的生命很可能和我们的代谢形式类似,是不是觉得有点奇怪。图:古细菌之所以会有这样的判定,其实主要原因就两个,一个是化能异养生物的代谢过程更简单,另一个是从生命诞生之初,海洋就充满了那些可以利用的“储存”能量的有机物或者无机物。生命没有太多理由一开始就找到了更复杂的生存方式,同时抛弃取之不尽的“自然资源”。好了,我们现在可以回答所有问题了:最早的生命最有可能得是化能异养生物,它们的能量来源则是溶解在海洋的有机物或者无机物。最后,引用相关话题下,一位reddit网友的一段话作为文章结尾吧!其实,现在生物进行新陈代谢的许多化学反应在没有生命参与的情况下,地球本身也会不停发生,特别是在远古地球不稳定的状态下——强能量梯度下化学反应的发生和稳定会变得更加复杂。比如在一些系统中能源会还原铁或硫等元素,这些元素在一段时间内保持稳定,但在具有正确结合亲和力的其他分子存在的情况下,可以被其他化学过程氧化,从而释放“储存”在其中的能量。生命的创新就在于将这些反应更好地利用起来,以便将其释放的能量可以用来复制参与反应本身的分子,以及生命过程的消耗。这种简单的复制和消耗导致了自然选择的出现,从而导致了越来越复杂和有效的新陈代谢形式,这种情况我们现在依然还在继续。...PC版:https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1373969.htm手机版:https://m.cnbeta.com.tw/view/1373969.htm

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量子混杂:与黑洞相媲美的化学反应

量子混杂:与黑洞相媲美的化学反应然而,莱斯大学理论家彼得-沃林(PeterWolynes)和伊利诺伊大学香槟分校的合作者的最新研究表明,分子在扰乱量子信息方面可以像黑洞一样强大。他们结合黑洞物理学和化学物理学的数学工具,证明量子信息扰乱发生在化学反应中,几乎可以达到与黑洞相同的量子力学极限。这项研究成果在线发表在《美国国家科学院院刊》上。Wolynes说:"这项研究解决了化学物理学中一个长期存在的问题,即量子信息在分子中的扰乱速度有多快。当人们考虑两个分子结合在一起的反应时,他们认为原子只进行单一的运动,即形成一个键或断开一个键。但从量子力学的角度来看,即使是一个非常小的分子也是一个非常复杂的系统。就像太阳系中的轨道一样,分子也有大量可能的运动方式--我们称之为量子态。当发生化学反应时,关于反应物量子态的量子信息会变得混乱,我们想知道信息混乱是如何影响反应速率的。"张成浩(左)和SohangKundu。图片来源:BillWiegand/伊利诺伊大学香槟分校提供的张成浩照片;SohangKundu提供的Kundu照片为了更好地理解量子信息是如何在化学反应中被扰乱的,科学家们借用了一种通常用于黑洞物理学的数学工具,即时序外相关器(OTOCs)。"OTOC实际上是在55年前的一个非常不同的背景下发明的,当时它们被用来研究超导体中的电子如何受到杂质干扰的影响,"Wolynes说。"它们是超导理论中使用的一种非常特殊的物体。接下来,物理学家在20世纪90年代研究黑洞和弦理论时也使用了它们。"OTOCs测量的是在某一时刻对量子系统的某一部分进行调整会对其他部分的运动产生多大影响--让人们深入了解信息在整个分子中传播的速度和效率。它们是莱普诺夫指数的量子类似物,莱普诺夫指数用于测量经典混沌系统的不可预测性。伊利诺伊大学香槟分校的化学家马丁-格鲁贝莱(MartinGruebele)是这项研究的合著者之一,他是美国国家科学基金会资助的莱斯-伊利诺伊联合缺陷适应中心(Rice-IllinoisCenterforAdaptingFlawsasFeatures)的成员。他介绍说:"化学家对化学反应中的扰动非常矛盾,因为要达到反应目标,扰动是必要的,但它也会扰乱对反应的控制。了解分子在什么情况下会扰乱信息,在什么情况下不会扰乱信息,可以让我们更好地控制反应。了解OTOCs基本上可以让我们设定限制,什么时候这种信息真的会消失,不受我们控制,反之,什么时候我们仍然可以利用它来获得可控的结果。"PeterWolynes(左起)、NancyMakri和MartinGruebele。图片来源:Wolynes的照片由GustavoRaskosky/莱斯大学提供;Makri的照片由NancyMakri提供;Gruebele的照片由FredZwicky/伊利诺伊大学香槟分校提供。在经典力学中,粒子必须具有足够的能量来克服能量障碍才能发生反应。然而,在量子力学中,即使粒子不具备足够的能量,它们也有可能"隧穿"这一障碍。对OTOC的计算表明,在低温条件下,隧穿占主导地位的低活化能化学反应几乎可以在量子极限上扰乱信息,就像黑洞一样。南希-马克里(NancyMakri)也是伊利诺伊香槟分校的化学家,她利用自己开发的路径积分法研究了当简单的化学反应模型嵌入一个更大的系统(可能是大分子自身的振动或溶剂)时会发生什么情况,并倾向于抑制混沌运动。Makri说:"在另一项研究中,我们发现大环境往往会让事情变得更有规律,并抑制我们所说的影响。因此,我们计算了与大环境相互作用的隧道系统的OTOC,我们看到的是,扰动被熄灭了--行为发生了很大变化。"研究成果的一个实际应用领域是限制如何利用隧道系统构建量子计算机的量子比特。我们需要尽量减少相互作用的隧道系统之间的信息干扰,以提高量子计算机的可靠性。这项研究还与光驱动反应和先进材料设计有关。Gruebele说:"我们有可能将这些想法扩展到这样的过程中:在这样的过程中不会只在一个特定的反应中进行隧穿,而是会有多个隧穿步骤,因为这就是涉及到电子传导的过程,例如,很多新型软量子材料,如用于制造太阳能电池和类似材料的过氧化物。"编译来源:ScitechDaily...PC版:https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1427285.htm手机版:https://m.cnbeta.com.tw/view/1427285.htm

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百万分之一秒:科学家实时观察光化学反应的“过渡状态”

百万分之一秒:科学家实时观察光化学反应的“过渡状态”观察到的光化学"过渡态"结构(中间)的艺术家插图。这种状态持续时间不到百万分之一秒。图片来源:GregStewart提供,SLAC国家加速器实验室科学家们最近利用SLAC的超高速"电子照相机"捕捉到了临界几何图形。结合对反应的量子模拟,研究人员确定临界结构为分子的一端从分子的其余部分弯曲开来。化学家使用本研究中调查的反应,即所谓的电环反应,因为它会产生非常特殊的反应产物。这些产物可以通过伍德沃德-霍夫曼规则预测。这些规则在1981年获得了诺贝尔化学奖,并在每个有机化学家的本科教育中被传授。然而,这些规则并没有详细解答为什么反应只产生特定的反应产物。新成果有助于解决这一悬而未决的问题。此外,它们还为研究人员创建其他类型反应的新规则开辟了道路。这有助于使有机化学成为更强大的工具。电环反应的特点是通过一个临界几何结构同时形成和解离多个化学键。在本项目研究的分子alpha-terpinene中,两个双键和一个单键被转化为三个双键。这些过程的同步性和单一临界构型确保了它们的立体特异性,这一特性使它们成为合成化学的重要工具。立体特异性可以通过著名的伍德沃德-霍夫曼规则来预测。本研究结合超快电子衍射和对α-萜品烯反应动力学的模拟,研究了一种光化学(即光触发)电环开环反应。根据伍德沃德-霍夫曼(Woodward-Hoffmann)规则预测,α-萜烯中反应的立体特异性是通过新出现的链状反应产物的两端以相同的顺时针或逆时针方向相互远离旋转来保证的。新结果表明,立体特异性的根源并不在于运动的确切性质。相反,立体特异性是由以下事实决定的:当分子呈现临界几何形状时,从两个双键到三个双键的变化在很大程度上已经发生。而导致α-萜品烯环打开的单键解离则发生在分子从临界几何形状转变为反应产物的过程中。...PC版:https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1389807.htm手机版:https://m.cnbeta.com.tw/view/1389807.htm

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