Nowo powstałe gwiazdy wyłaniają się z obłoku molekularnego rozdmuchiwanego przez gromadę starszych gwiazd znajdujących się poza polem widzenia. Nowo powstałe gwiazdy wyłaniają się z obłoku molekularnego rozdmuchiwanego przez gromadę starszych gwiazd znajdujących się poza polem widzenia. JOSEPH DEPASQUALE, ALYSSA PAGAN / NASA, ESA, CSA, STScI
Kosmos

Mroczna chemia kosmosu, czyli jak w świecie molekuł działał odpowiednik darwinowskiej ewolucji

Przestrzeń międzygwiazdowa może się wydawać zastraszająco pusta i zimna. Ale to z niej właśnie docierają na Ziemię związki organiczne niezbędne dla powstania i rozwoju życia.

Gwiazdy nie tkwią w próżni. Dla ziemskich chemików ośrodek międzygwiazdowy jest jednak próżnią niemal doskonałą: w litrze najgęstszej jego frakcji (tzw. obłoków molekularnych) jest dziesięć bilionów razy mniej atomów niż w litrze powietrza, którym oddychamy. Choć tak niska gęstość, połączona w dodatku z temperaturą nieprzekraczającą -250 st. C, słabo kojarzy się z warunkami laboratoryjnymi, to jednak właśnie obłoki molekularne ujawniły niezwykłe zdolności do syntetyzowania skomplikowanych chemikaliów.

Każdy pierwiastek i każdy związek chemiczny wytwarza charakterystyczny zestaw tzw. linii widmowych (dalej: widmo), którego dobrą analogią jest kod kreskowy. Widma pierwiastków występujących na Słońcu można obejrzeć, rozszczepiając za pomocą pryzmatu zwykłe światło dzienne. Widma wielu związków najłatwiej jest jednak obserwować w zakresie radiowym. W ten sposób wykryto pierwszy „kosmiczny” związek organiczny. Był nim formaldehyd, którego wodny roztwór znamy jako formalinę. W 1969 r. jego widmo zaobserwowano w kilkunastu punktach Drogi Mlecznej, a dokonał tego zespół Lewisa Snydera z National Astronomical Radio Obserwatory w Green Bank w Wirginii Zachodniej.

Po tym odkryciu pojawiła się nowa specjalność astronomiczna – astrochemia, i dalsze detekcje posypały się jak z przysłowiowego rękawa. Rok później w przestrzeni międzygwiazdowej wykryto metanol, a w następnych latach m.in. etanol, aceton, benzen, fenol, aldehyd glicerynowy (najprostszy cukier), metyloaminę (prekursor aminokwasów), formamid (uniwersalny substrat do syntezy cukrów, aminokwasów i zasad azotowych nukleotydów) oraz etanoloaminę (kluczowy składnik fosfolipidów, z których zbudowane są błony komórkowe).

Dziś lista związków organicznych zidentyfikowanych w przestrzeni międzygwiazdowej ma grubo ponad 200 pozycji. Rekordzistami pod względem złożoności są na niej składające się z 60 lub 70 atomów węgla fulereny, których cząsteczki wyglądają jak miniaturowe piłki do gry w futbol lub rugby. Drugie miejsce zajmuje w tej konkurencji cyjanonaftalen – dwupierścieniowy związek z grupy węglowodorów aromatycznych o cząsteczkach złożonych z 11 atomów węgla, 7 atomów wodoru i jednego atomu azotu.

Choć wiadomość o odkryciu kolejnego związku pojawia się ostatnio mniej więcej co dwa tygodnie, szybkiego pobicia tych rekordów spodziewać się nie należy. Z dwóch powodów. Po pierwsze, cząsteczki o dużej liczbie atomów są na ogół trudne do zsyntetyzowania, a łatwe do rozbicia. W obłoku molekularnym trafiają się przez to stosunkowo rzadko, co osłabia ich sygnał. Po drugie, mają bardzo skomplikowane widma, których analiza jest utrudniona lub wręcz niemożliwa. Najlepszym przykładem są tu tzw. rozmyte pasma międzygwiazdowe, które wyglądają jak zlewające się ze sobą fragmenty kilku kodów kreskowych. Astrochemicy badają je od kilkudziesięciu lat, lecz na razie zgadzają się tylko co do tego, że pochodzą one od dużych cząsteczek organicznych.

Molekularne laboratoria

Kluczową rolę w kosmicznej syntezie chemikaliów odgrywa międzygwiazdowy pył, na który przypada około jednej setnej masy obłoków molekularnych. Pierwotnym jego źródłem są tzw. czerwone olbrzymy – gwiazdy, które pod koniec życia rozdęły się do wielkich rozmiarów i ostygły do ok. 3,5 tys. st. C (dla porównania – Słońce ma temperaturę ok. 6 tys. st. C). W ostatniej fazie ewolucji taki obiekt zaczyna dosłownie dymić: w jego zewnętrznych warstwach kondensuje się złożona głównie z krzemu i/lub węgla „sadza”, na której drobinach osiadają atomy innych pierwiastków. Powstałe w ten sposób mikroskopijne konglomeraty odpływają w przestrzeń kosmiczną wraz z częścią gwiazdowej atmosfery.

Astronomowie obserwowali ten proces wielokrotnie, a dwa lata temu efekty jego działania były widoczne gołym okiem. Olbrzymi obłok pyłowy utworzył się wtedy w zewnętrznych warstwach jednej z najjaśniejszych gwiazd naszego nieba – Betelgezy, co spowodowało trzykrotne osłabienie jej blasku na kilka miesięcy. Gdy obłok odpłynął, Betelgeza wróciła do normalnej jasności. Nawiasem mówiąc, jest ona już tak rozdęta, że po wstawieniu w miejsce Słońca sięgałaby do orbity Jowisza.

Typowe ziarno międzygwiazdowego pyłu ma wielkość kilku mikronów (kilku tysięcznych części milimetra). Składa się z mineralnego rdzenia oraz otoczki zbudowanej głównie z lodu wodnego i suchego lodu, czyli zestalonego dwutlenku węgla. Ilość i rozmiary ziaren, a także przybliżony skład ich otoczek można określić, analizując światło gwiazd, które przeświecają przez obłoki. Dokładne ich modele są zaś wynikiem multidyscyplinarnych badań obejmujących obserwacje astronomiczne, doświadczenia laboratoryjne i rachunki teoretyczne.

Szansa, że dwa atomy mogące utworzyć cząsteczkę spotkają się przypadkowo w obłoku molekularnym, jest bardzo mała. Do zderzeń atomów z ziarnami pyłu dochodzi częściej i z reguły kończą się one „przylgnięciem” atomu do lodowej otoczki. Może on od razu wejść w reakcję z jednym z jej składników lub rozpocząć wędrówkę po powierzchni ziarna w poszukiwaniu atrakcyjniejszych partnerów. Możliwość odbywania takich wypraw sprawia, że międzygwiazdowy pył jest fenomenalnym katalizatorem, który zamienia obłoki molekularne w kosmiczne laboratoria operujące praktycznie bez dostaw energii, w warunkach, które astrochemicy określają jako „mroczna chemia”. Podejmowane od niedawna próby naśladowania procesów składających się na tę międzygwiazdową syntezę doprowadziły do otrzymania związków wykrytych przez astronomów w przestrzeni międzygwiazdowej, ale też najprostszego aminokwasu (glicyny) i złożonych z niego peptydów (krótkich łańcuchów białkowych).

Obłoki molekularne kłębią się z prędkościami sięgającymi kilku km/s. Gdy w tym chaosie pojawią się zagęszczenia o dostatecznie dużej masie, zaczynają pod wpływem własnej grawitacji kurczyć się i przekształcać w gwiazdy. Nowo powstała gwiazda jest otoczona cienkim, lecz stosunkowo gęstym i ciepłym dyskiem protoplanetarnym, w którym przebiegają dalsze etapy syntezy związków organicznych. Jednocześnie ziarna pyłu stopniowo sklejają się w bryły o rozmiarach kilku–kilkunastu kilometrów, tzw. planetozymale. Z części tych obiektów powstają protoplanety, które następnie „zbijają się” w planety. Pozostałe trwają przez miliardy lat w niemal niezmienionym stanie – obserwujemy je pod postacią komet i tzw. prymitywnych asteroid (inny rodzaj asteroid powstaje wskutek zderzeń między protoplanetami – są zbudowane z materii poddanej działaniu wysokich temperatur i ciśnień, w której zostały zatarte ślady procesów chemicznych).

Komplet półproduktów

Prymitywne asteroidy Ryugu i Bennu zostały ostatnio zbadane przez sondy Hayabusa-2 i OSIRIS-REx. W analizowanych od grudnia 2020 r. próbkach Ryugu stwierdzono obecność ponad trzydziestu tysięcy związków organicznych, w tym wielu różnych aminokwasów oraz wielopierścieniowych węglowodorów aromatycznych. Wśród aminokwasów znajdują się zarówno te, z których złożone są białka ziemskich organizmów, jak i te, których w naszej biosferze nie ma. Lewo‑ i prawoskrętne odmiany tych związków występują w proporcji 1:1, co oznacza, że obserwujemy produkty procesów abiotycznych, w których nie biorą udziału znane nam organizmy (wszystko, co żyje na naszej planecie, wykorzystuje niemal wyłącznie aminokwasy lewoskrętne). Badania próbek Ryugu trwają, natomiast próbki drugiej asteroidy mają dotrzeć na Ziemię we wrześniu.

Fragmenty prymitywnych asteroid docierają też na Ziemię w postaci meteorytów należących do klasy tzw. chondrytów węglistych. Największym i najlepiej zbadanym z nich jest meteoryt Murchison, który spadł we wrześniu 1969 r. w pobliżu australijskiej miejscowości o tej samej nazwie. Do dziś znaleziono w nim kilkadziesiąt tysięcy związków organicznych, przy czym ogromna większość czeka jeszcze na identyfikację. Lista zidentyfikowanych substancji obejmuje m.in. 96 aminokwasów i wszystkie zasady azotowe nukleotydów składające się na alfabet naszego kodu genetycznego (adeninę, cytozynę, guaninę, tyminę i uracyl), a dosłownie miesiąc temu dopisano do niej cukry (w tym rybozę, która jest składnikiem RNA). Kosmos oferuje zatem komplet półproduktów do budowy żywej komórki. Nie jest jednak jasne, czy mogły one dotrzeć na naszą planetę w ilości wystarczającej do zainicjowania procesów biologicznych. Z pewnością były niszczone podczas zderzeń protoplanet, które doprowadziły do uformowania się Ziemi, i zderzeń planetozymali z Ziemią już uformowaną, lecz ciągle bardzo gorącą (hipoteza o pierwotnie pokrywającym ją oceanie magmy została ostatnio potwierdzona przez zespół geologów z University of Cambridge).

Stygnięcie Ziemi mogło trwać setki milionów lat, podczas których międzyplanetarny arsenał planetozymali dość szybko się wyczerpywał, a tempo „dostaw” związków organicznych malało – choć nigdy nie spadło do zera. A w odpowiedniej ku temu temperaturze mogły uruchomić się procesy prowadzące do syntezy takich związków in situ, czego 70 lat temu dowiedli Stanley Miller i Harold Urey z University of Chicago. Okrągła rocznica tego epokowego odkrycia wydaje się nie zwracać niczyjej uwagi (nie zauważył jej nawet Google) – niesłusznie.

Rozmyta granica

Substratem w eksperymencie Millera-Ureya była imitująca pierwotną atmosferę Ziemi mieszanina złożona z wodoru, pary wodnej, amoniaku i metanu (ten ostatni związek jest dziś niemal w całości wytworem procesów biologicznych, ale zanim na naszej planecie pojawiło się życie, dostawał się do atmosfery wskutek wybuchów wulkanów). Gazy te krążyły w zamkniętym obiegu bez kontaktu z otoczeniem, przechodząc przez obszar ciągłego wyładowania elektrycznego, które symulowało burzę z piorunami. Gdy po tygodniu nieprzerwanej pracy aparatura została wyłączona, w produktach doświadczenia znalazły się znaczne ilości aminokwasów, amin (związków uczestniczących m.in. w syntezie białek i kwasów nukleinowych), lipidów oraz wielu innych substancji organicznych.
Komunikat o tym osiągnięciu ukazał się w czasie, gdy cały świat naukowy był zajęty opublikowanym niecały miesiąc wcześniej odkryciem struktury DNA, którego dokonali James Watson i Francis Crick. Przyćmione ich sukcesem doświadczenie Millera-Ureya nie zostało jednak zapomniane. Przeciwnie, w ciągu minionych siedemdziesięciu lat powtórzono je w wielu laboratoriach, zmieniając skład, temperaturę i ciśnienie pierwotnej atmosfery, a także zastępując wyładowania elektryczne przez naświetlanie różnymi rodzajami promieniowania. Wynik był niezmiennie ten sam – z prostego substratu powstawały związki odgrywające ważną rolę w procesach biologicznych, a ich lewo‑ i prawoskrętne odmiany wymieszane były w proporcji 1:1. Listę substancji otrzymanych przez Millera i Ureya znacznie powiększono, m.in. o zasady azotowe nukleotydów.

Jest więc możliwe, że młoda Ziemia dysponowała dużą ilością aminokwasów, zasad azotowych, lipidów i innych substancji niezbędnych do zainicjowania procesów biologicznych. W jaki sposób z tych nieskomplikowanych związków powstały olbrzymie cząsteczki operujące w komórkach, nie wiadomo. Skalę problemu obrazują rozmiary molekuł tytyny (jednego z białek, dzięki którym działają mięśnie poprzecznie prążkowane) i naszego DNA: składają się one odpowiednio z ponad pół miliona i z setek miliardów atomów. Nie wiemy też, co sprawiło, że ziemska biosfera bazuje na aminokwasach lewoskrętnych.

Prawdopodobnie w obu przypadkach decydującym czynnikiem był działający w świecie molekuł odpowiednik darwinowskiej ewolucji, który doprowadził do pojawienia się pierwszych organizmów komórkowych. Oznaczałoby to, że granica między chemią i biologią, martwym i żywym, może być silnie rozmyta.

Ta strona do poprawnego działania wymaga włączenia mechanizmu "ciasteczek" w przeglądarce.

Powrót na stronę główną