Ученые открыли новый механизм образования формальдегида в космосе

13:33, 27 декабря 2021

Они выяснили, что органические молекулы в космических туманностях образуются раньше, чем предполагалось

В исследовании Глеб Федосеев отвечает за проведение экспериментов. Фото: Илья Сафаров.

Ученые Лейденского (Нидерланды), Штутгартского (Германия) и Уральского федерального университетов успешно разработали и экспериментально протестировали теорию, согласно которой формальдегид образуется на гораздо более ранних этапах эволюции космических молекулярных облаков, в которых зарождаются звезды, чем считалось до сих пор. Статью о своей научной работе коллеги опубликовали в одном из ведущих профильных научных изданий мира The Journal of Physical Chemistry Letters.

По прежним представлениям, образование формальдегида H₂CO на поверхности космической пыли, покрытой водяным льдом, посредством присоединения атомов углерода С к молекуле воды Н₂О затруднено. Противоречие виделось в том, что осуществление реакции между атомом углерода и молекулой воды с образованием формальдегида требует огромного количества энергии, которой в космических туманностях, при температуре −263С^о, для этого недостаточно. Поэтому считалось, что молекулы формальдегида формируются на более поздних стадиях жизни молекулярных облаков — когда на космических пылинках в изобилии представлен монооксид углерода СО в твердом состоянии.

Используя самые современные методы вычислительной химии, ученые Лейденского, Штутгартского университетов и УрФУ предложили альтернативный механизм протекания реакции и, таким образом, показали, что формальдегид может образовываться путем взаимодействия атомарного углерода с водяным льдом.

«Вода в данном случае представлена в виде кластера аморфного льда. Аморфного — так как в молекулярных облаках лед формируется при моментальном остывании образующихся молекул воды, которые не успевают выстроиться в кристаллическую решетку, — рассказывает Глеб Федосеев, ведущий научный сотрудник научной лаборатории астрохимических исследований УрФУ, отвечавший в исследованиях за проведение экспериментов. — Молекулы водяного льда, покрывающие частицы космической пыли субмикрометрового размера, вступают в реакцию с атомами углерода, вымораживаемым из газовой фазы. Так образуется комплекс молекулы воды и атома углерода».

При этом молекулы воды, связанные водородными связями, действуют одновременно как доноры и акцепторы протонов (положительных ионов водорода), осуществляя псевдоперенос протонов с атома кислорода образовавшегося комплекса на атом углерода.

«Этот согласованный перенос протонов по цепочке водородных связей между молекулами воды катализирует реакцию, убыстряя процесс образования формальдегида. Такие превращения происходят практически безбарьерно и не требуют много энергии. Это обстоятельство устраняет противоречие между классическими представлениями о механизме реакции и возможностью ее протекания в реальных условиях космоса», — отмечает Глеб Федосеев.

Будучи простым карбонильным (то есть содержащим -CO группу) соединением, формальдегид играет центральную роль в образовании сложных органических соединений, является одним из источников молекул, необходимых для зарождения жизни и ее развития. Доказывая возможность образования формальдегида из атомарного углерода и водяного льда, ученые Европы и России, таким образом, обосновали, что сложные органические соединения могут быть представлены в космосе уже на ранних стадиях эволюции молекулярных облаков, до вымораживания CO, и значительно раньше возникновения звезд и планетарных систем. Причем, вероятно, в большом количестве — так как туманности содержат колоссальные объемы воды и, следовательно, формальдегида.

«Более 150 лет назад наш соотечественник, выдающийся химик Александр Бутлеров предложил один из первых методов абиотического синтеза сахаров. Этот метод предполагал использование растворов формальдегида в воде. Мог ли Бутлеров представить, что все компоненты, необходимые для протекания реакции, названной потом его именем, присутствуют в газопылевых облаках, из которых образуются звездные системы подобные нашей Солнечной, где суммарная масса формальдегида и воды на порядки превышает массу Земли?» — добавляет Глеб Федосеев.

Гипотеза ученых была проверена в нескольких экспериментах на установке, воспроизводящих физические условия космоса. Результаты экспериментов подтверждены исследованиями, проведенными в Институтe астрономии Общества Макса Планка — ведущей европейской сети научно-исследовательских организаций. Кроме того, по словам Глеба Федосеева, в перспективе теория будет подвергнута дополнительным проверкам с помощью телескопа имени Джеймса Уэбба, который запущен в космос 25 декабря. Новый телескоп придет на смену знаменитому «Хабблу», чтобы, отдалившись на 1,6 млн км от Земли, продолжить наблюдение за космическими объектами, в том числе космическими льдами. По снимкам, полученным от «Джеймса Уэбба», ученые надеются получить данные о зарождении Вселенной, образовании звезд, обнаружить следы внеземной жизни.

Учитывая научную значимость проведенных теоретических разработок и экспериментов, исследованиям Глеба Федосеева и его коллег содействовали государственные организации поддержки науки Германии, Нидерландов, Дании, а с российской стороны — Министерство науки и высшего образования РФ. Отметим, что по заказу министерства на базе Научной лаборатории астрохимических исследований УрФУ в настоящее время создается установка для моделирования условий космоса, в связи с этим расширяется коллектив сотрудников лаборатории.

Справка

Ранее международная группа астрохимиков, в составе которой Россию представлял Глеб Федосеев, выяснила, что глицин (простейшая аминокислота и ключевой элемент живых систем) может формироваться в суровых условиях глубокого космоса без ультрафиолетового излучения и космических лучей. 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.