Kosminė chemija: gyvybės molekulės randasi kosmose

ŽEMĖS PATEKĖJIMAS: tai buvo nuotrauka, apsprendusi visos kartos santykį su mūsų planeta.

Ar bent jau taip manėm. Žvelgiant kita kryptimi, neseniai ėmėme matyti dalykus, metančius iššūkį Žemei, kaip vienišam burbului. Ne pačiai gyvybei, bet gausiems ją kuriančios anglies chemijos įrodymams – mažiems angliavandeniliams, cukrams, alkoholiams ir gal netgi keistai aminorūgščiai. Tai gali pakeisti mūsų pasaulėžiūrą taip pat fundamentaliai, kaip tai padarė „Žemės patekėjimas“. „Tai visiškai keičia mūsų požiūrį į tai, kas vyksta Žemėje ir kas vyksta visatoje,“ sako Lucy Ziurys, astrochemikė Arizonos universitete Tucsone. Ir tai iškelia svarbų klausimą: kaip visatoje tai buvo sukurta?

Nėra taip, kad chemija atvirame kosmose nevyksta. Didžiąją šimtmečio dalį žinojome, kad anglis, deguonis ir kiti elementai, sukurti branduoliniuose žvaigždžių žaizdruose gali jungtis tarpžvaigždinėje erdvėje, formuodami paprastas molekules, tarkime, vandens, anglies monoksido ir amoniako. Susidarę molekuliniai debesys, kurie, kondensuodamiesi ir susitraukdami formuoja tolesnes žvaigždžių kartas, gali būti gigantiški: Sagittarius B2, mūsų Paukščių Tako centre, yra 150 šviesmečių diametro.

Ateiviški trikdžiai

Bet netgi molekuliniai debesys nėra tikėtina arena įmantrių cheminių šokių, reikalingų sudėtingesnių molekulių susidarymui. Pirmiausia, jie retai apgyvendinti. Ir jie labai šalti – smarkiai per šalti, kad galėtų tiekti energiją daugumai cheminių procesų, kurie, kaip žinome, vyksta Žemėje. Tokios sąlygos nepalankios atomų susitikimui, pasisveikinimui ir sureagavimui tarpžvaigždinėje erdvėje.

Ženklus, kad tai gali būti ne visa istorija, parodė ateiviškas įsibrovėlis vos po kelių mėnesių nuo Žemės tekėjimo nuotraukos padarymo. 1969 rugsėjo 28 d. buvo pastebėtas šviesus ugnies kamuolys virš Murchisono miesto Viktorijoje, Australijoje, ir tai buvo vienas iš didžiausių ore sprogusių meteorų.

Murchisono meteorito medžiaga vėlesniais dešimtmečiais pateikė siurprizų: daug santykinai sudėtingų organinių molekulių, tarp kurių ir aminorūgštys – molekulės, iš kurių susideda baltymai, ir tikriausiai dar sudėtingesni peptidai. Panašių radinių pasitaikė ir kituose meteorituose. Tai svarbu, nes manoma, jog šių meteoritų primityvi cheminė sudėtis panaši į medžiagą, iš kurios vėliau susiformavo Saulės sistema. „Meteoritai yra kaip molekulinio debesies, iš kurio susiformavo Saulės sistema, pasiuntiniai,“ sako Ziurys.

Tik su nauja galingų infraraudonųjų ir radijo bangų teleskopų karta galėjome detaliau tyrinėti molekulinius debesis. Tokie teleskopai gali išmatuoti žemos energijos elektromagnetines bangas, spinduliuojamas dujų debesyje besisukančių molekulių. Pagal kvantų mechanikos taisykles, molekulės besisukdamos spinduliuoja tam tikrų dažnių bangas. Iš skirtingų erdvės regionų sklindančio spinduliavimo spektras slepia silpnus juose esančios chemijos ženklus.

Išmokę tuos ženklus geriau interpretuoti, buvome užversti siurprizais. Didžiausios kosmose užfiksuotos molekulės yra fulerenai, stambių anglies molekulių klasė, kuriai priklauso ir turintis 60 anglies atomų bakminsterfulerenas (buckyball). Jie buvo užfiksuoti senstančios žvaigždės aplinkoje by NASA'os Spitzer kosminiu teleskopu 2010 m. Bet yra daugybė ir mažesnių, nuo vos dviejų iki 13 atomų dydžio – tarp jų ir molekulės, labai artimos sudarančioms gyvybę.

Pavyzdžiui, 2008 metais (in Sagittarius B2) buvo rastas aminoacetonitrilas, paprasčiausios aminorūgšties, glicino, prekursorius. NASA'os Stardust misija 2009 metais rado ir patį gliciną ant kometos 81P/Wild 2 paviršiaus, nors jo buvimo tarpžvaigždinėje erdvėje įrodymai tebelieka ginčytini.

Tarp kitų vienareikšmiškai aptiktų molekulių yra į cukrų panašus glikolaldehidas. pradėjęs veikti Čilės Anduose 2011 m., visai neseniai aptiko jį šalia į Saulę panašios žvaigždės vos už 400 šm. nuo Žemės, kas rodo, kad ši molekulė galėjo būti ir molekuliniame debesyje pradėjusiam mūsų pačių Saulės sistemą. ŠiemetSagittarius B2 buvo rastas etaniminas, vienos iš DNR bazių prekursorius.

Dabar tarpžvaigždinėje erdvėje atrastų molekulių skaitiklis rodo 180. Ir galime daryti prielaidą , kad tai tik labai didelio ledkalnio viršūnė. Kuo sudėtingesnė molekulė, tuo sunkiau ją aptikti.

„Turime tokius jautrius radioteleskopus, kad gauname labai glaudžiias spektro linijas: linijas ant linijų esančių linijų.“ sako Ziurys. „Darosi labai sudėtinga identifikuoti sudėtingas molekules, kadangi jų linijos silpnos ir slepiasi šiame [linijų] miške.“

Kuo didesnė molekulė, tuo ji darosi lankstesnė, o tai apsunkina laukiamo jos spektro aptikimą. Iš dalies kontroversija dėl tokio sudėtingo junginio, kaip glicinas, kyla, aiškina Ziurys, nes netgi laboratorijos tyrėjai nesutaria, kaip turėtų atrodyti charakteringas jo spektras.

Bet netgi iš visko, ką jau radome, santykinai didelės molekulės aiškiai formuojasi kosmose, ir šios molekulės stulbinančiai panašios į esančias Žemėje. Bet kaip tai nutiko? Žemėje aminorūgštys formuojamos per sudėtingą reakcijų grandinę augaluose ar gyvūnuose, tarpininkaujant fermentams, šiam tikslui evoliucionavusiems milijonus metų.

Kosmoso retumas ir šaltis reiškia, kad, nepaisant to, koks koks procesas atsako už didelių molekulių formavimąsi, jis turėjo vykti labai lėtai. Stebėtojui su teleskopu tektų laukti tūkstančius metų, kol išvystų kokius nors pokyčius. „Cheminiai pokyčiai vyksta per lėtai, kad juos eitų stebėti realiu laiku,“ sako Ralfas Kaiseris iš Hawaii'ų universiteto Manoa'joje.

Kaiseris yra vienas iš tyrėjų, perimančių vadžias į savo rankas. Kondensuodamas tokius komponentus, kaip vanduo, anglies dioksidas ir amoniakas vakuuminėje kameroje vos 10 °K aukščiau absoliutaus nulio, jis su kolegomis atkūrė kažką panašaus į tarpžvaigždinės erdvės sąlygas laboratorijoje. Reakcijų spartinimui į kamerą pridedama daugiau medžiagos, tam, kad milijonų metų atomų susidūrimai įvyktų per kelias valandas. „Laboratorija tampa panaši į savotišką laiko mašiną,“ sako Kaiseris.

Naudodama tokią įrangą, komanda sugebėjo parodyti, kad glicinas kosmose tikriausiai formuojasi Streckerio sintezės būdu. Ši reakcija naudota amino rūgščių sintezavimui nuo XIX amžiaus, bet manėme, kad gamtoje tokia reakcija nevyksta.

Žemėje sudedame reikiamus ingredientus – aldehidą, amoniaką ir cianidą – pakaitiname iki reikiamos temperatūrosir tada sumaišome troškinį su kokia nors rūgštimi. Kosmose, panašu, pramonės chemiko darbą atlieka du veiksniai: aukštos energijos radiacija ir dulkės. Kosmose sklindanti arši jonizuojanti radiacija suteikia energijos visokioms reakcijoms, paleidžiančioms Streckerio mechanizmą.

Kosminės dulkės – kietos žvaigždžių išmestos dalelės, padengtos lediniu anglies dioksido, amoniako ir angliavadenilių sluoksniu – padeda reakcijai trejopai. Pirmiausia, ji suteikia paviršių: paviršiaus adsorbuotoms molekulėms paprastai reikia daug mažiau energijos reakcijai. Antra, ji paima perteklinę reakcijos metų išsiskiriančią energiją. Trečia, jos leduotas paviršius suteikia apsaugą molekulėms, susiformavusioms pradinėse reakcijos stadijose – jeigu nekliudoma veiktų kosminė radiacija, jos būtų sunaikinamos beveik taip pat sparčiai, kaip ir sukuriamos.

Pastaruoju metu Kaiseris darbavosi su Kalifornijos universiteto Berkeley'yje tyrėjais, aiškindamiesi ar kosmoso chemija gali žengti toliau už aminorūgštis. „Norėjome pažiūrėti ar aminorūgštys ant modelio ledo kristalų jungiasi,“ sako jis. Jei dvi aminorūgštys susijungia, jos formuoja dipeptidą, labai mažą baltymą. Baltymų atradimas ant modelio ledo kristalų rodytų, kad mažiausi gyvybės statybiniai blokai išties formuojasi kosmose.

Eksperimentas pasirodė neužtikrintas: susiformavo tik labai mažai produktų. Bet po trijų metų, 40 eksperimento kartojimų ir nesuskaičiuojamos daugybės spektrų tikrinimų ir pertikrinimų, komanda šių metų kovą galiausiai pateikė atsakymą. Dipeptidai išties gali formuotis kosmose – ir gal net dar sudėtingesnės struktūros, pavyzdžiui, tripeptidai. Europas kosmoso agentūros 2012 m. buvo rasti metoksi radikalai. Šios mažos molekulės formuojasi, kai vienas vandenilio atomas pašalinamas iš metanolio, paprasčiausio alkoholio. Žemės atmosferoje jis randasi, kai metanolis reaguoja su hidroksilo radikalu, susidedančiu iš vos vieno vandenilio ir deguonies atomo. Bet laboratoriniai eksperimentai parodė, kad ant tarpžvaigždinių debesų dulkių grūdelių esančiomis sąlygomis, pašalinamas ne tas vandenilio atomas, ir reakcijos produktas būna kita molekulė, hidroksimetilo radikalas. Lygiai taip pat neatrodė įmanoma, kad metoksi radikalas galėtų formuotis iš kosmose sklandančio metanolio ir hidroksilo: tokiai reakcijai paprasčiausiai neužtektų energijos.

Šiais metais Dwayne'as Heardas iš Leedso universiteto, JK, su kolegomis šį paradoksą išsprendė – netyčia. „Mūsų pradinis tikslas buvo hidroksilo reakcijų tyrimas mūsų atmosferoje,“ sako Heardas. Bet jų aparatas leido jiems atšaldyti reakciją. Pasiekus maždaug -200 °C žymę, reakcija staiga paspartėjo 100 kartų.

„Buvo didžiulis reakcijos pagreitėjimas ir pamanėme „Vaje! Čia vyksta kažkas kita!“,“ sako Heardas.

Kvantinė pagalba

Pasirodė, taip ir yra: keistieji kvantų mechanikos pasireiškimai. Žemoje temperatūroje dalelių judėjimas taip sulėtėja, kad molekulės išsilaiko sukibusios pakankamai ilgai, kad įvyktų kvantinis mechaninis tuneliavimas. Teorinės chemijos specialistas Johannesas Kästneris iš Stuttgarto universiteto Vokietijoje, prilygina šį efektą kamuolio sviedimui į sieną ir stebėjimui, kaip jis, užuot atšokęs, lekia kiaurai sieną. Panašiai ir cheminėje reakcijoje dalyvaujantiems atomams kartais nereikia įveikti energetinio barjero – pozicijos neapibrėžtumas, būdingas kvantų mechanikai, suteikia nedidelę tuneliavimo per šį barjerą tikimybę.

Kuo mažesni atomai, tuo lengviau jis vyksta. „Būtent todėl tuneliavimas svarbiausias reakcijose, kuriose dalyvauja vandenilis,“ pažymi Kästneris. Pasirodo, būtent ši kvantinė pagalba vandenilio atomams leidžia reakcijoje tarp metanolio ir hidroksilo radikalo persitvarkyti ir suformuoti metoksi radikalą – žemoje temperatūroje ir kosmose.

Tai gali būti visiškai naujo tarpžvaigždinio reakcijų tinklo pradžia. Tereikia pašalinti vandenilio atomą iš metoksi radikalo ir gauti formaldehidą. Formaldehidas gali reaguoti vėl ir galiausiai išaugti į didelę organinę molekulę.

Tebespekuliuojama, ar ši reakcija vyksta kosmose, tačiau naujausi organinių molekulių atradimai kosmose iš naujo pradėjo ilgai trunkančius debatus, ar gyvybės prekursorių molekulės tikrai susiformavo Žemėje. Viena gyvybės atsiradimo teorija teigia, kad pirmieji peptidai Žemėje susidėjo iš 3 – 8 aminorūgščių, ir galėjo paskatinti didesnių molekulių, galiausiai sudariusių stambesnes baltymų ir kitų svarbių gyvybei molekulių atsiradimą. Šių mažų peptidų susiformavimo žemėje klausimas tebelieka gana neaiškus ir kupinas neatitikimų. Pavyzdžiui, nepanašu, kad ankstyvosios Žemės atmosferos sudėtis būtų tokia, kokios reikėtų reikiamiems cheminiams procesams rastis.

Tačiau dabar panašu, kad gyvybės pagrindo chemija nėra išskirtinai Žemės savybė – Saulė ir prie jos prisišiejusios planetos gimė aplinkoje, kurioje tikriausiai jau buvo bent jau dipeptidų dydžio organinių molekulių. Į Žemę jas tikriausiai atnešė kometos, kai cheminė Žemės aplinka pasidarė tinkama. Prieš 3,5 – 4 milijardus metų įvyko intensyvus Žemės bombardavimas kometomis ir meteoritais, sako Ziurys. „Netrukus po šio periodo atsirado pirmieji gyvybės įrodymai.“

Tai galėjo būti sutapimas arba koks alternatyvus paaiškinimas. Pavyzdžiui, praeitą mėnesį publikuotas tyrimas parodė, kad aminorūgštys gali rastis dėl ledinės kometos susidūrimo su, pavyzdžiui, Žemės uolėtu paviršiumi. Ir, savaime suprantama, netgi jei Žemėje atsiradusios molekulės nebuvo visiškai nuosavas išradimas, mūsų planeta pastūmėjo chemiją daug toliau, nei bet kur nors kitur kosmose – bent jau kiek mums dabar žinoma. Tos priežasties pakanka saugoti mūsų unikalų mėlyną burbulą – kartais susimąstant, kai žvelgiame į mus supančią erdvę, kad mūsų molekulės nevienišos.

Leonie Mueck
New Scientist, № 2939