Глицин в космосе порождается «темной химией»

18:13, 17 ноября 2020

Молекулы, необходимые для возникновения жизни, образуются задолго до начала формирования звезд и планет

Фланец вакуумной камеры экспериментальной установки, в которой протекали химические реакции. Иллюстрация: авторы исследования.

Международная группа ученых из Великобритании, Нидерландов, Германии, США и России с помощью лабораторных астрофизических исследований и астрохимического моделирования продемонстрировала, что глицин (простейшая аминокислота и ключевой элемент живых систем) может формироваться в суровых условиях глубокого космоса без необходимости воздействия ультрафиолетового излучения и космических лучей. Результаты исследования ученых опубликованы в журнале Nature Astronomy. Проведенное исследование показало, что глицин и, с большой вероятностью, другие аминокислоты образуются в плотных межзвездных облаках задолго до того, как те превратятся в новые звезды и планеты.

Кометы наиболее близки к первозданному веществу Солнечной системы и отражают ее молекулярный состав во времена, когда Солнце и планеты только образовывались из вещества, химически проэволюционировавшего в межзвездной среде. Обнаружение глицина в коме кометы 67Р Чурюмова—Герасименко, а также пробы вещества, доставленные на Землю миссией Стардаст (Stardust), указали на возможность дозвездного происхождения аминокислот.

«До недавнего времени считалось, что глицин образуется под воздействием космических лучей и ультрафиолетового излучения, что накладывало строгие ограничения на условия, в которых возможно его формирование», — поясняет соавтор исследования, сотрудник Научной лаборатории астрохимических исследований Уральского федерального университета Глеб Федосеев.

Новые результаты работы, проведенной в Лаборатории астрофизики Лейденской обсерватории (Нидерланды), показывают, что глицин может образоваться на поверхности ледяных мантий межзвездных пылинок посредством «темной химии».

«„Темная химия“ — это химия, протекающая без необходимости воздействия космических лучей и ультрафиолетового излучения, — говорит первый автор статьи, профессор Университета королевы Мэри (Великобритания) Сержио Иопполо. — Мы создали в лаборатории условия, похожие на условия в темных межзвездных облаках: частицы пыли, охлажденные до 10–20 К (около −260ºС), покрыты тонким слоем самых распространенных льдов, состоящих из монооксида углерода, аммиака, метана и воды (СО, NH₃, CH₄ и H₂O), последовательно подвергаются воздействию атомов, разрушающих начальные реагенты и способствующих рекомбинации образующихся промежуточных соединений».

Таким образом уже было продемонстрировано образование метиламина (прекурсор глицина), также найденного в коме кометы 67Р. С помощью уникальной экспериментальной высоковакуумной установки, оборудованной набором атомных пучков, и точных измерительных приборов Иопполо и Федосеев с коллегами смогли также продемонстрировать возможность образования глицина. Для этого процесса критически важно наличие водяного льда.

«Важный вывод состоит в том, что молекулы, которые считаются необходимыми элементами для возникновения жизни, образуются задолго до начала формирования звезд и планет, — говорит директор Лаборатории астрофизики Лейденской обсерватории Харольд Линнарц. — Образование глицина на такой ранней стадии эволюции областей звездообразования подразумевает, что эта аминокислота может образовываться повсеместно в космосе и сохраняться в межзвездных льдах до того, как они станут частью комет или планетезималей, из которых в конечном итоге образуются планеты».

Эксперименты проводились в полностью контролируемых лабораторных условиях и показали, что формирование глицина на поверхности льда при низких температурах без воздействия дополнительных источников энергии возможно. В этом принципиальное отличие от результатов предыдущих работ, в которых для образования молекулы глицина требовалось ультрафиолетовое излучение. Результаты астрохимического моделирования подтверждают это открытие и позволяют экстраполировать данные, полученные за время лабораторного эксперимента, на временные шкалы межзвездной среды, то есть на миллионы лет.

«Из этого мы делаем вывод, что со временем в космосе может образоваться небольшое, но достаточное количество глицина», — говорит профессор Университета Неймегена (Нидерланды) Херма Куппен, выполнившая часть численного моделирования, представленного в статье в Nature Astronomy.

Образовавшийся глицин может стать прекурсором других сложных органических молекул.

«В принципе, с помощью такого же механизма к глицину, как к основе, могут присоединиться другие функциональные группы, формируя таким образом в межзвездных темных облаках другие аминокислоты, например, аланин и серин, — заключает Сержио Иопполо. — В конце концов, такой богатый ассортимент органических соединений станет частью таких небесных тел, как кометы, и попадет на молодые планеты, как это уже случилось с Землей и многими другими планетами».