Сверхновая Remnant N 63A. Изображение предоставлено: Hubble Увеличить
Жизнь на Земле стала возможной благодаря смерти звезд. Атомы, такие как углерод и кислород, были выброшены в последние несколько умирающих вздохов звезд после того, как их последние запасы водородного топлива были израсходованы.
Как эти звёзды собрались вместе, чтобы сформировать жизнь, всё ещё остается загадкой, но ученые знают, что определенные атомные комбинации были необходимы. Вода - два атома водорода, связанные с одним атомом кислорода - была жизненно необходима для развития жизни на Земле, и поэтому миссии НАСА теперь ищут воду в других мирах в надежде найти жизнь в другом месте. Также считаются важными органические молекулы, построенные в основном из атомов углерода, поскольку вся жизнь на Земле основана на углероде.
Самые популярные теории происхождения жизни говорят, что необходимая химия произошла в гидротермальных жерлах на дне океана или в небольшом солнечном мелком бассейне. Однако открытия последних нескольких лет показали, что многие основные материалы для жизни образуются в холодных глубинах космоса, где жизнь, как мы знаем, невозможна.
После того, как умирающие звезды изрыгают углерод, некоторые атомы углерода соединяются с водородом с образованием полициклических ароматических углеводородов (ПАУ). ПАУ - разновидность углеродной сажи, похожая на выжженные части сгоревших тостов - являются наиболее распространенными органическими соединениями в космосе и основным компонентом углеродистых хондритовых метеоритов. Хотя ПАУ не обнаружены в живых клетках, они могут превращаться в хиноны, молекулы, которые участвуют в клеточных энергетических процессах. Например, хиноны играют важную роль в фотосинтезе, помогая растениям превращать свет в химическую энергию.
Трансформация ПАУ происходит в межзвездных облаках льда и пыли. Плавая в космосе, ПАУ сажа в конечном итоге конденсируется в эти «плотные молекулярные облака». Материал в этих облаках блокирует некоторую, но не всю суровую радиацию пространства. Излучение, которое проходит через него, модифицирует ПАУ и другие вещества в облаках.
Инфракрасные и радиотелескопические наблюдения облаков обнаружили ПАУ, а также жирные кислоты, простые сахара, небольшое количество аминокислоты глицина и более 100 других молекул, включая воду, окись углерода, аммиак, формальдегид и цианистый водород.
Облака никогда не отбирались напрямую - они слишком далеко - поэтому для подтверждения того, что химически происходит в облаках, исследовательская группа во главе с Максом Бернштейном и Скоттом Сэндфордом в Астрохимической лаборатории в Исследовательском центре Эймса НАСА организовала эксперименты, чтобы имитировать условия облачности.
В одном эксперименте смесь ПАУ / воды осаждается в виде пара на соль, а затем бомбардируется ультрафиолетовым (УФ) излучением. Это позволяет исследователям наблюдать, как основной скелет ПАУ превращается в хиноны. Облучение замороженной смеси воды, аммиака, цианистого водорода и метанола (химического прекурсора формальдегида) приводит к образованию аминокислот глицина, аланина и серина - трех наиболее распространенных аминокислот в живых системах.
Ученые создали примитивные органические клеточные структуры или пузырьки.
Поскольку ультрафиолетовое излучение является не единственным типом излучения в космосе, исследователи также использовали генератор Ван де Граафа для бомбардировки ПАУ протонами в мегаэлектрон-вольт (МэВ), которые имеют энергию, аналогичную космическим лучам. Результаты МэВ для ПАУ были похожи, но не идентичны УФ-бомбардировке. Исследование МэВ для аминокислот еще не проводилось.
Эти эксперименты предполагают, что ультрафиолетовое излучение и другие формы излучения обеспечивают энергию, необходимую для разрыва химических связей при низких температурах и давлениях плотных облаков. Поскольку атомы все еще находятся во льду, молекулы не разлетаются, а рекомбинируют в более сложные структуры.
В другом эксперименте под руководством Джейсона Дворкина замороженная смесь воды, метанола, аммиака и окиси углерода подвергалась ультрафиолетовому излучению. Эта комбинация давала органический материал, который образовывал пузырьки при погружении в воду. Эти пузырьки напоминают клеточные мембраны, которые окружают и концентрируют химию жизни, отделяя ее от внешнего мира.
Пузырьки, полученные в этом эксперименте, были размером от 10 до 40 микрометров, или размером с эритроциты. Примечательно, что пузырьки флуоресцировали или светились при воздействии ультрафиолетового излучения. Поглощение ультрафиолета и преобразование его в видимый свет таким образом может обеспечить энергию для примитивной клетки. Если бы такие пузырьки играли роль в происхождении жизни, флуоресценция могла бы стать предшественником фотосинтеза.
Флуоресценция также может действовать как солнцезащитный крем, рассеивая любые повреждения, которые в противном случае были бы причинены ультрафиолетовым излучением. Такая защитная функция была бы жизненно важной для жизни на ранней Земле, поскольку озоновый слой, который блокирует самые разрушительные солнечные лучи Солнца, формировался только после того, как фотосинтетическая жизнь начала производить кислород.
От космических облаков до семян жизни
Плотные молекулярные облака в космосе со временем гравитационно разрушаются, образуя новые звезды. Некоторая часть оставшейся пыли позже слипается, образуя астероиды и кометы, а некоторые из этих астероидов слипаются, образуя ядра планет. На нашей планете жизнь возникла из того, что было под рукой.
Большие молекулы, необходимые для построения живых клеток:
* Белки
* Углеводы (сахара)
* Липиды (жиры)
* Нуклеиновые кислоты
Обнаружено, что метеориты содержат аминокислоты (строительные блоки белков), сахара, жирные кислоты (строительные блоки липидов) и основания нуклеиновых кислот. Метеорит Мерчисон, например, содержит цепочки жирных кислот, различные типы сахаров, все пять оснований нуклеиновых кислот и более 70 различных аминокислот (жизнь использует 20 аминокислот, только шесть из которых находятся в метеорите Мерчисона).
Поскольку такие углеродистые метеориты, как правило, однородны по составу, считается, что они представляют собой первоначальное пылевое облако, из которого родились Солнце и Солнечная система. Таким образом, кажется, что в начале было доступно почти все, что нужно для жизни, и метеориты и кометы со временем производят новые поставки этих материалов на планеты.
Если это правда, и если облака молекулярной пыли химически схожи по всей галактике, то ингредиенты для жизни должны быть широко распространены.
Недостатком абиотического производства ингредиентов для жизни является то, что ни один из них не может быть использован в качестве «биомаркеров», свидетельствующих о том, что жизнь существует в конкретной среде.
Макс Бернштейн указывает на метеорит Алан Хиллз 84001 в качестве примера биомаркеров, которые не дают доказательства жизни. В 1996 году Дейв Маккей из Космического центра имени Джонсона НАСА и его коллеги объявили о наличии четырех возможных биомаркеров в этом марсианском метеорите. У ALH84001 были углеродные глобулы, содержащие ПАУ, минеральное распределение, наводящее на размышления о биологической химии, кристаллы магнетита, напоминающие те, которые вырабатываются бактериями, и формы, похожие на бактерии. В то время как каждый из них не считался доказательством жизни, четверка в совокупности казалась неотразимой.
После объявления Маккея последующие исследования показали, что каждый из этих так называемых биомаркеров также может быть получен неживыми средствами. Поэтому большинство ученых в настоящее время склонны считать, что метеорит не содержит окаменелой инопланетной жизни.
«Как только у них был результат, люди начали стрелять в них, потому что так оно и есть», - говорит Бернштейн. «Наши шансы не ошибиться, когда мы придумаем биомаркер на Марсе или на Европе, будут намного лучше, если мы уже сделали эквивалент того, что сделали эти парни после того, как Маккей и др. Опубликовали свою статью».
Бернштейн говорит, что, моделируя условия на других планетах, ученые могут выяснить, что должно происходить там химически и геологически. Затем, когда мы посещаем планету, мы видим, насколько близко реальность соответствует предсказаниям. Если на планете есть что-то, чего мы не ожидали найти, это может указывать на то, что жизненные процессы изменили картину.
«То, что у вас есть на Марсе или в Европе, - это материал, который был доставлен», - говорит Бернштейн. «Плюс, у вас есть все, что сформировалось впоследствии из любых условий. Поэтому (чтобы искать жизнь), вам нужно посмотреть на молекулы, которые там есть, и помнить о химии, которая могла произойти со временем ».
Бернштейн считает, что хиральность, или «вручаемость» молекулы, может быть биомаркером в других мирах. Биологические молекулы часто бывают двух форм, которые, хотя и являются химически идентичными, имеют противоположные формы: «левую» и ее зеркальное отображение «правую». Вручность молекулы связана с тем, как атомы связаны. В то время как двуручность равномерно распределена по всей природе, в большинстве случаев живые системы на Земле содержат аминокислоты для левой руки и сахара для правой руки. Бернштейн говорит, что если молекулы на других планетах проявляют иные предпочтения, это может быть признаком инопланетной жизни.
«Если бы вы отправились на Марс или Европу и увидели смещение, такое же, как у нас, с сахарами или аминокислотами, имеющими нашу хиральность, то люди просто заподозрили бы, что это загрязнение», - говорит Бернштейн. «Но если бы вы увидели аминокислоту с уклоном вправо или если бы вы увидели сахар, у которого был уклон влево - другими словами, не в нашей форме - это было бы действительно убедительно».
Тем не менее, Бернштейн отмечает, что киральные формы, обнаруженные в метеоритах, отражают то, что видно на Земле: метеориты содержат левосторонние аминокислоты и правосторонние сахара. Если метеориты представляют собой шаблон для жизни на Земле, то жизнь в других местах Солнечной системы также может отражать тот же уклон в руки. Таким образом, для доказательства жизни может потребоваться нечто большее, чем хиральность. Бернштейн говорит, что обнаружение цепочек молекул, «например, пары аминокислот, связанных вместе», также может быть доказательством для жизни, «потому что в метеоритах мы склонны видеть только отдельные молекулы».
Первоначальный источник: НАСА Астробиология
