在实验室内首次模拟星际条件，用真空紫外照射方法研究了枯草杆菌（Bacillus Subtilis）的孢子失活问题。显然，在星际空间温度10 K条件下，对孢子的损伤比在较高温度下要轻，破坏主要是由波长2000 ~ 3000 ?范围内的射线所起。我们的结果，是局限在生物自然发生说的基础上得出的。

有很好的证据说明，早在38亿年前地球上就有生物存在；地壳冷却后仅仅过了2 ~ 4亿年，由陆地上化学物质的进化成原始的，充分发展了的生命形式。在如此短时间内发生这些演变，导致地球上生命的起源，无论是从天体宇宙化学的角度，还是就生物自然发生说来讲、都只能是推测而已。

还没有充分的理由驳倒由地球上化学前体物质演变成为生命所需要的前体物质、几百万年就足够的这种假说。不把转化的机理弄明白的话，是无法回答这类问题的。假设生命是开始在300万年内时间不足的话，把这个时间扩大50倍万物开始在1.5亿年内，那么就足够了吗？反过来，假定生命确实是开始在1.5亿年内，可是开始在300万年内的可能性也不能忽略。

从现代天体物理学的角度，重新回顾一下埃亨纽斯（Arrhenius）的观点。生物自然发生说的四项基本内容是：① 生命物质从地球表面被转送到高处空间；② 从一个太阳系转到另一太阳系；③ 生命物质超越时标，可与星际空间的通过时间相类比；④ 生命物质在新的星际大气中或其表面沉积。我们讨论②和③，有必要从量上加以对待。推迟考虑①和④；①比④更难解答。

埃亨纽斯提出了太阳辐射压能提供微生物在空间传播的机理；星际空间的微生物以足快的速度从一个恒星传到另一个恒星，他认为这个合理时间为3000年。但他并没考虑到，微生物一旦离开地球大气层，只要接触到太阳的紫外线就马上会被杀死；同时他也忽略了辐射压的相反效应；这种效应，阻止了其他邻近恒星微粒的进入。

就空间的传递而论，通过分子“云”的随机运动，显示出明显的机理。星间的气体和颗粒物质不均匀地分布，密度有的可高达10⁴氢原子/cm³或更高，形成“云”；这些“云”状颗粒，约以10公里/秒的速度随机运动。这样一来，一个细菌孢子倘若被吸附到组织“云”的颗粒上，将随气体运动而漂浮。如果相邻两颗恒星相距0.3 ~ 3光年，相应的孢子通过的时间就是10⁵~ 10⁶年。这样一来，如果一颗恒星是存在于具有1000颗恒星的太阳系中，那么需要存活时间就是10⁶~ 10⁷年了。在此我们提出的问题是，一个存在于分子“云”中的孢子，能存活1 ~ 10万年吗？

孢子在星际空间的损坏，主要由于光子的光解作用。紫外光子的能通量≥4 eV；这样，直径为0.5 μm颗粒的分子键，在星际最稀的区域内，每一年将遭受这样的一个光子；在最密的区域内，这个时标要增加到10⁶~ 10⁷年。因为在空间的小颗粒通常是处在10 ~ 15 K温度下，在此条件下能够维持生命所需要的化学物质的完整性似乎是难以想象的。

星际空间不利微生物生存的三个基本条件是①真空，星际空间的密度远远低于地球，即使是具有10⁶氢原子/cm³的所谓星际“云”，气压仅是5×10^-13mbar，可视为高度真空。②高能光子和宇宙射线。尽管是相距最近的恒星相隔也很遥远，但远紫外辐射仍然是一个致死因素，而且个别的宇宙射线光子，α - 射线或γ射线，可能比紫外光子更有致命力。③温度。虽在星际空间的温度通常是10 ~ 100 K范围内，但一个小微粒、一个细菌孢子或病毒，平均温度一般是等于或低于10 K。这样，我们就必须研究一下处于高真空、低温和真空紫外光辐射条件下的一个复杂生物系统。

实验方法

我们在此介绍的所完成的工作，是用了雷顿（Leiden）天文物理学实验室内的设备，模拟星际条件，用光处理单一分子，研究星际微粒的化学物质的演变。

在星际微粒的演变和星际条件对生物的影响这两个问题上，既存在着相似之处又有本质的区别。在前者，我们注意由单一分子形成复杂有机分子；在后者，注意于现有复杂分子的破坏和重新编排。在两种情况下，基本过程都开始于分子键的打破或者是离子化。

或被紫外光子所激发。实验情况如图1。为使我们的实验结果和以前的研究结果统一起来，我们所选用的微生物，都是在不同辐射、温度和真空条件下实验过的，只是没有模拟星际条件进行实验。

2.1.1

对于在模拟相当于太阳系的空间环境条件下进行的孢子寿命实验，选用枯草杆菌的孢子是合适的。因为它是比较耐真空照射的，即使在超真空≤10^-10torr下，和干燥孢子相比，仍有90%的孢子具有形成菌落的能力。利用模拟的星际条件，通过高真空管能对真空或光解，或真空+光解对细胞成分的影响进行研究。

我们只用两株枯草杆菌的孢子做了实验。一株是相对耐辐射的野生型，编号168；另一株编号TJK6323，由于修复缺失的结果，对辐射是敏感的。实验中所用的孢子，都是不含营养细胞的；其余碎物都是经酶处理和密度梯度离心的。

结果

在最初实验里，我们研究了不同遗传型的孢子对紫外辐射的敏感性（由低压汞灯发出的波长为2537?）。简称这个波长为RUV（标准UV）。实验参数总结在表1和表2。在室温标准气压下，敏感型和野生型菌株的失活动力学比较在图2a中。它表明，修复缺失菌株TKJ6323对RUV辐射的敏感性有明显提高。由于切割、重组和产物修复引起突变，使菌株6323对RUV的敏感性比野生型菌株168高出50倍，同样是在水悬液中处理是这样；在表面辐射时、敏感性也提高10倍以上。

低温10 K和高真空对孢子致死量的影响，与在室温下的结果作了比较。如图2b、c所示，不论在何种情况下，在室温辐射168时，在真空中比在1 bar下，敏感性至少高4倍。这与Horneck的结果相符。可是，如果辐射前先将样品冷却至10 K，再用能引起致死的剂量照射时，孢子并不失活。

随着温度降至-80℃，虽然可以观察到敏感性随之增加，但低于130 K时，对RUV的敏感性则降低。外推阿希渥德 · 史密斯（Ashwood Smith）等的数据，我们预计使孢子失活到F₁₀，2×10⁴J/m²的剂量率是足够的。在此，F₁₀被认为使90%孢子失活所需要的剂量。为证实在这种极低温度下敏感性降低的趋势，我们在真空10 K下，用RUV的剂量为1×10⁴J/m²，照射野生型菌株WT168，使其存活率为25%。

用TKJ6323（图2c）进行的实验表明，此菌株对RUV敏感的孢子，具有WT168一样强的抗性。在10 K下致死损伤的量明显减少。因为TKJ6323在发芽及发育为营养细胞期间，是不能够修复损坏的。

为模拟在星际空间的UV通量，我们用了一个动力微波H₂发射灯。这种光源的发射是最大值，在真空中是1215 ?（1000＜λ≤1900 ?）和1600 ?，并且在远UV中继续增加。

这种灯的光谱的平均通量，在真空中，1.5 ×10¹⁵量子/cm²· 秒；灯的能通量在2000 ?以上时，大约比在真空中的UV部分高5倍。这样，当论证用真空UV辐射和全光谱辐射的关系时，就必须采用两个不同的标准。估计在1×10⁸/cm²· s的平均星际介质内，真空UV光子的平均通量，在实验室内用真空UV辐射一小时，相当于在空间3年。接着出现的问题是，具有能量大于6 eV（λ＜2000?）光子的真空UV对孢子存活的影响，和用RUV所观察到的结果是不是相同。

灯上安装了开关，用于研究相对短时暴露的结果。图2d所示的，是在真空和10 K下，辐射WT168的失活曲线。利用氢灯的全光谱（真空UV+远UV），对应于图2d中大于或等于10 kJ/m²，通量率大于或等于60 kJ/m²时，几乎没有细菌能存活。

为探讨在真空中UV单独辐射所引起的失活，我们研究了真空UV中几种波长的光子的生物学效率，使用了中心波长为1600.1400和1200的干扰滤色器。

用CO₂剂量测定法测定通过三个滤光器的辐射。已注意到氢灯光谱的功率，尤其是在非常短的波长情况下是不稳定的。在1200和1600 ?下的相对通量，从发出到达到，相差竟达2倍多。可是，这种剂量并不影响我们的实验结果。检查了剂量率在1 ~ 120 kJ/m²范围下，样品中孢子的存活情况。当用1400和1215 ?的波长照射时，在室温和10 K下，用我们选用的剂量率，孢子没有明显破坏。另方面，当在室温下用1600 ?的波长照射时，孢子明显失活。

用真空UV+远UV全光谱照射时，孢子会被有效地杀死；但在10 K下则明显少于在室温下。若用石英窗替换MgF₂窗，结果是，在上述两个极端情况下，远UV和全光谱同样有效。图3还发现，用大于2000 ?的波长辐射时，其失活曲线和用灯的全光谱辐射结果相同。由上所述，我们可做结论如下：①，在我们所选用的剂量下，波长小于或等于1400 ?时，对孢子无影响；②，1600 ?的光能使孢子失活，但它在室温下能复生；③，灯致死的总通量大于或等于60 kJ/m²（真空UV＞10 kJ/m²）。显然，E＜6 eV的高能光子对孢子的杀伤力，比E＞6 eV时杀死力强得多。

在星际空间分子云中的生命物质，能生长出一层1 μm厚的分子膜套，也能吸收UV光，对孢子起到保护作用。

因此我们在孢子上面创造了一个人工套膜，以检查在星际条件下，它会不会影响孢子的存活。把H₂O、CH₄、NH₃、CO（1：1：1：1）的混合物，在10 K和真空条件下，涂在冷凝管中孢子的顶部。通过光电倍增器，用He/Ne激光器光的干扰模式监测套膜的厚度。孢子涂不同厚度膜后，再用H₂灯照射。

发现这些套膜确实保护了孢子免受真空UV的辐射，但并不能保护孢子免受远UV的辐射。原因是这些冰冻的单一分子强烈地吸收真空UV，而可使远UV通过。这样，在10 K下用全H₂灯光谱照射涂有厚度大于或等于0.5 μm套膜的孢子，正如预计的一样，TKJ6323的敏感性并无显著降低，而WT168的敏感性却减少了10倍。这又一次证实，真空UV引起的破坏，和远UV引起的破坏是有区别的。

这些在星际空间增生的套膜物质，其构成远较单分子复杂。这在受到光处理时，对短于3000 ?的光具有强烈的吸收能力，因而在远UV和真空UV中，提供了有效的保护作用。

讨论

对波长造成的作为波长函数计的、出现在孢子内部和外层的损伤类型似乎可以区别开来。孢子外层对内部起到了保护作用。孢子内部的损坏，可以分为几种类型：① 环丁烷型二聚物；② 5 - 胸腺嘧啶5，6二氢胸腺嘧啶孢子光产物（TDHT），③ DNA蛋白质交联④ DNA链破裂。⑤ DNA加合物。孢子外层遭到的破坏，主要是在蛋白质内而不是在DNA。

一般来说，在各种不同的破坏类型之间，存在着能量的差别。例如TDHT是由小于6 eV的低能光子所引起的；而DNA蛋白质交联和链的断裂最严重的是在10 eV时。

因为是在极低温度和超真空下对极干燥的系统进行处理，辐射主要是激发基因导致了TDHT，了解到这一机理，我们避免诱发单链或三维结构。观察到在10 K下，用RUV辐射的WT168和TKJ6323的孢子之间并无区别。这就直接说明，在低温下仍引起的光解作用，是独立修复的；换言之，就是其他引起的光产物，不具备任何已知的细胞修复能力。

当孢子在真空中被RUV辐射时，增加了DNA蛋白质的交联。在真空中这种光产物的形成，比在一个大气压下提高约12倍，相应地提高了致死量。

思密斯等已对非DNA损伤的增加作过介绍。他们指出，由UV引起的光解产物，不具备光复活能力；和其他类型的光化学物的破坏相比，可以相当低的速度形成暗修复。尽管如此，对细胞还是很有害的。

由对用太阳UV真空辐射孢子内产生的DNA光产物的化学分析指出：TDHT是在10 K和室温下形成的主要的DNA光解产物，这和我们得出的存活数据一致。当在10 K下辐射时，TDHT并不对孢子的失活起太大作用。

这个观察和阿希渥德 - 史密斯等人的结果相吻合，他们发现，在适当低温下，纯化的DNA对RUV的辐射缺乏敏感性。有力地说明，时低温敏感遭到的破坏，并非主要涉及到DNA的改变。对噬菌体，所用的剂量可和我们的实验相比较。DNA和蛋白质间的交联是由寿命长的基因所诱发的。在于大量的孢子中，这个机理也许是似是而非，同时也许是在极低温度下，因为抑制扩散而限制了这个机理。

当利用H₂灯时，我们期望，在对阴极发色团中发生变位，这种光源发射的光子能比RUV大。虽然这些能量可以分裂肽和DNA分子内部的键，并且灯的赖曼射线和对DNA链的损坏有最大效用，尽管如此，我们看到绝大多数有效破坏，是由远UV，而不是由真空UV所引起。

这样，我们惊奇地发现，在10 K下，真空UV和RUV所杀死的细菌数，竟比残余光谱少得多，残余光谱是指除2537 ? Hg线以外的2000 ~ 3000 ?的光谱。进行深入的光谱研究，以测出在10 K下的敏感性的精确区域是十分必要的。

天体物理学的含义

按照我们的存活数据，在10 K下，真空UV和远UV的剂量为6 kJ/m²时，失活孢子到F10，在远UV中灯发射的能量，比在星际真空介质中高5倍。这暗示出，在星际介质中达到F₁₀的时间应为150年；用120 kJ/m. 的剂量，达到F_0.1，使99.9%孢子失活，如UV的辐射不因扩散面损失的话，这在ISM中需要2500年。如依我们的实验方法加以校正抱子失活曲线的话，孢子暴露到这样的剂量中还是会死的。

有两个因素会使细菌在ISM中平均寿命延长：① 孢子在密“云”中沉积，UV的辐射被稀释了几个数量级；② 孢子生长出了可冷凝的套膜，使孢子外层的穿透力减轻了10倍多。

在密度n_H=10⁴/cm²和1 p^O半径的云的中心，真空UV和远UV减少了10⁸~ 10⁹倍。由于UV辐射本身存在的原因，加之来自远距离星球辐射的变稀，可很保守的估计，处于分子云内部的平均UV辐射，减少到小于扩散ISM的1/10⁴。在内部这个最小的量，是由宇宙射线能和星间风能的转换所引起的。

在云中出现在细菌上的套膜，按下列速度增长：da/dt=3.43×10^-22n_Hcm/秒。这样经1.5×10⁵年后，套膜便长至0.15 μm。在冷却期间套膜物质受UV辐射，由于新分子和原子团的产生，比原来的单一分子对UV有较大的吸收能力。低于3000?的辐射线通过这层时，比我们在实验室内测定的值大30倍。

根据产生的云使辐射变稀，可导出生物时间（F₁₀）是4.5-45万年。这对于孢子从一个太阳系到另一个太阳系的传播来说，时间似乎是够充分长的了。

结论

对于细菌的存活，ISM的特性、极低温和UV辐射的影响，我们已提出了实验证据。在多数一般空间环境条件下，10%的存活，仅是几百年的时间，这对生物自然发生说来说，是太短了。

然而正如我们所示出的，在黑云内的基本部分，即使按保守的数字，存活时间可长达几百万年到几千万年。在这些条件下，“云”能以显著短于平均存活时间的速度把微生物从一个太阳系带到另一个太阳系。这可能性是显然的。可是，细菌吸附和最后沉积到非敌对星球的存活时间问题，仍然还没说明。

超越地球大气层以外的细菌，所以能存在的唯一方式，就是由一层0.9 μm厚度的物质套膜所包围；可以想象0.5 μm将是足够的。但，孢子是如何产生这些套膜，又是如何传播的，仍然是个谜。一个可能性是，伴随爆炸事件的发生——彗星或陨石的碰撞，把孢子吹到了大气上层。这个过程中可能不产生破坏。碰撞的物体清理了大气层并留下了供高速废渣逸出的一个通道。然而通过太阳系的密的分子云，能俘获废物，由陨石和彗星撞击产生的通道，仍然是个需要回答的问题。剩下问题的答案是肯定的，当孢子进入新的太阳系时，它早已具有了所需厚度的吸收物质的套膜了。

[Nature Vol. 316 No. 6027，1985年]