Химические реакции в ранней Солнечной системе создают сложные органические молекулы
Хотя жизнь - сложное зелье, некоторые ее ингредиенты можно собрать прямо с Земли, а не импортировать из более отдаленных межзвездных полей.
В новом исследовании ученые предполагают, что сложные органические молекулы, такие как аминокислоты, из которых строятся белки, и кольцеобразные основания, образующие нуклеиновые кислоты, растут на ледяных пылинках, которые жили в младенчестве Солнечной системы.. Все, что требуется, - это высокоэнергетические ультрафиолетовые фотоны, чтобы спровоцировать перегруппировку химических элементов в замороженных оболочках зерен.
Если производство этих органических ингредиентов происходит так легко, то экзопланетные системы, вероятно, засеяны такими же плодородными органическими пастбищами. «Везде, где есть лед и высокоэнергетическое ультрафиолетовое излучение, этот процесс будет происходить. И то, и другое довольно распространено во Вселенной», - говорит Данте Лауретта, планетолог из Аризонского университета.
В новой работе, опубликованной 29 марта в журнале Science, исследователи начали с моделирования ранней солнечной туманности, вращающегося диска из газа и пыли, который окружал молодое солнце до тех пор, пока около 4 планет не начали формироваться.5 миллиардов лет назад. За период в 1 миллион лет команда отследила движение 5000 отдельных пылинок, крошечных органических частиц, покрытых льдом, состоящим из таких соединений, как вода, углекислый газ, метанол или аммиак.
«Мы хотели точно знать, в каких условиях находились эти ледяные частицы», - говорит соавтор Фред Цисла, планетолог из Чикагского университета. «Это турбулентная среда, и каждая частица следует своим путем».
Большинство зерен пережили период в миллион лет, хотя некоторые из них упали внутрь и были выхвачены солнцем.
Зерна, поднятые над плоскостью диска, столкнулись с более высокими температурами и высокоэнергетическими ультрафиолетовыми фотонами - катализаторами, необходимыми для преобразования элементов простых льдов в более сложные молекулы. В этих типах реакций фотоны, поражающие химические связи, создают то, что соавтор исследования Скотт Сэндфорд называет «несчастливыми радикалами и ионами» - частицы, которые очень реактивны и готовы к рекомбинации. Поскольку потепление заставляет льды испаряться, эти элементы могут находить партнеров и образовывать новые молекулы.
Несмотря на то, что создать эти перестроенные молекулы относительно легко, ученые не могут точно предсказать, какие из них сформируются, потому что химические реакции не следуют привычным правилам. «Это все равно, что сказать: «Я дам вам 10 видов блоков Lego, не стесняйтесь складывать их в любую комбинацию, которую вы хотите», - говорит Сэндфорд, астрофизик из Исследовательского центра Эймса НАСА в Маунтин-Вью, Калифорния.
Но при достаточном количестве фотонов, сталкивающихся с достаточным количеством пылинок в ранней солнечной туманности, трудно избежать создания сложных молекул таким образом, говорит Сисла.
Астробиологи определили, что такие молекулы играют важную роль в истории происхождения жизни, и существует множество доказательств того, что они могут выжить в космосе. Ученые, проводившие вскрытие метеоритов, упавших на Землю, обнаружили аминокислоты и азотистые основания в космических камнях.
В лаборатории исследователи смоделировали, как такие соединения могут быть получены астрохимическим путем. По словам Джейсона Дворкина, астробиолога из Центра космических полетов имени Годдарда НАСА в Гринбелте, штат Мэриленд, путем нанесения органического льда на крошечные поверхности в холодном вакууме, а затем их облучения, ученые создали множество молекул, в том числе одну, которая спонтанно организуется в мембраны..
Вращаясь вокруг молодого солнца, эти наполненные органикой ледяные крупинки в конечном итоге слипались и слипались. Глыбы превратились в кометы и астероиды, которые несли эти молекулы на Землю, осаждали их в огненных столкновениях или освещали младенческое небо градом, богатым органическими веществами. «Я думаю, хорошо известно, что внеземные соединения доставлялись именно таким образом», - говорит Дворкин. Пока неясно, какой вклад космические путешественники внесли в популяцию органических соединений на Земле, но они, безусловно, являются удобным способом доставки. «Если вы хотите строить замки из Lego, неплохо было бы, если бы с неба падали кубики Lego», - говорит Сэндфорд.
Швыряние камней в Землю - не единственный способ депонировать органику. «Я никогда не чувствовал, что должен искать внеземной источник аминокислот, чтобы понять, как аминокислоты могли возникнуть на этой планете», - говорит геохимик Джордж Коди из Института науки Карнеги в Вашингтоне, округ Колумбия. Но множество облученных ледяных частиц По его словам, в солнечной туманности, как предположили Сисла и Сэндфорд, есть дразнящий природный резервуар.
Ученые все еще размышляют, помогли ли материалы, сделанные на Земле, засорить планету органикой. Это кажется вероятным, хотя любые сложные молекулы должны были бы пережить сильные, огненные спазмы роста молодой планеты, период, отмеченный океанами магмы и экстремальными температурами, которые разрушили бы любую ранее существовавшую сложную структуру. По словам Сьесла, свою роль, вероятно, сыграли как внеземные, так и внутренние процессы. «Эти органические вещества будут включены в состав планет по мере их формирования или в более поздней доставке, после того, как планеты сформируются, что может быть интересно с точки зрения астробиологии.”
Вскоре ученые должны получить более полное представление о наборе молекул, обитающих на астероидах. В 2016 году НАСА запустит космический корабль по астероиду, очистит часть его поверхности и вернет образцы на Землю. Миссия OSIRIS-REx будет нацелена на астероид 1999 RQ36 (предмет конкурса на переименование этой осенью) и вернется на Землю в 2023 году с образцами, которые исследователи изучат в поисках подсказок к ранним годам существования Солнечной системы.
«Любая органическая молекула будет интересна для расшифровки истории Солнечной системы», - говорит Лауретта, главный исследователь миссии. «Но для отслеживания происхождения жизни мы действительно сосредотачиваемся на строительных блоках».
Life’s Lego, растущий поблизости, имеет серьезные последствия для вероятности существования таких органических пастбищ в других планетарных системах. «Что касается химии, - говорит Дворкин, - это кажется универсальным».
Предыстория - Специальная доставка
Крис Смит/NASA GSFC
Метеориты дали много типов сложных органических молекул на протяжении многих лет. В 1970 году ученые обнаружили в метеорите Мерчисон, упавшем в Австралию за год до этого, аминокислоты, образующие белок. Совсем недавно, в августе прошлого года, исследователи обнаружили нуклеооснования (показаны слева), кольцевидные структуры, из которых состоят нуклеиновые кислоты, внутри космических камней, приземлившихся в Антарктиде. Некоторые из камней содержали молекулы, которые редко встречаются в земной биологии, что убедительно свидетельствовало о внеземном происхождении. Но что было неясно, так это то, как и где были приготовлены эти молекулы. Более ранние теории указывали на синтез в более крупном облаке газа, из которого сформировалась Солнечная система, подразумевая, что ингредиенты жизни были импортированы издалека. Теперь оказывается, что эти молекулы могут быть легко созданы на заднем дворе Земли - и в подобных планетарных районах по всей Вселенной.