Органика в межзвёздных льдах

Органические вещества синтезируются в живых организмах — потому их так и назвали, что долго не могли получить даже простейшие органические соединения из неорганики. Но откуда взялись первые живые организмы, построенные из органических молекул? Быть может, эти «кубики жизни» прилетели к нам из космических далей? Исследовательская группа из Самарского филиала ФИАН под руководством профессора Ральфа Инго Кайзера выясняет, где и почему в космосе встречается органика. Учёные получили мегагрант Правительства РФ на изучение происхождения и эволюции органических молекул в Галактике. Для этого в Самаре построят Центр лабораторной астрофизики. «Кот» поговорил с исследователями о жизни и её возможных истоках в космосе.

ЛЁД И ПЛАМЯ

Со стороны кажется, что ваш первый мегагрант был совсем на другую тему. Связаны ли как-то космос и реакции горения?

Ральф Кайзер. В широком смысле я изучаю химические реакции в экстремальных условиях — при очень высоких, как при горении, или очень низких температурах, например в межзвёздной среде и за пределами Солнечной системы.

Валерий Азязов. Долгое время мы исследовали формирование полициклических ароматических углеводородов в процессе горения ископаемого топлива. К простейшим ароматическим углеводородам относится, например, бензол. Он служит исходным строительным блоком для более крупных — полициклических — ароматических соединений, большинство из которых считаются в той или иной степени вредными веществами и присутствуют, в частности, в автомобильных выхлопах. Но оказалось, что простейших ароматических углеводородов много и в космосе, то есть они могут образовываться без горения, при очень низких температурах. Вывод, что ароматические соединения могут формироваться в глубоком космосе, то есть при очень низких температурах, Ральф Кайзер считает одним из ключевых открытий в этой области.

Ральф Кайзер. Наша цель — выяснить, могут ли ароматические соединения превращаться в таких условиях в биологически важные молекулы. Например, хотим посмотреть, могут ли нуклеотиды, составляющие ДНК и РНК, формироваться во льдах. Это сложные молекулы, и мы начинаем поиск с отдельных блоков, из которых состоит нуклеотид: сахаров, соединений фосфора и азотистых оснований. Мы надеемся, что сможем соединить их вместе во льдах и посмотреть, что из этого выйдет. Иными словами, мы пытаемся понять, как молекулы, которые имеют отношение к истокам жизни, могут образовываться в глубоком космосе.

Почему вы решили двигаться в этом направлении?

Ральф Кайзер. В России астрохимией и астробиологией мало кто занимается. Я знаю только о лаборатории в МГУ под руководством Владимира Фельдмана. Самарский университет на протяжении длительного времени участвует в разработке ракет и подготовке космических миссий. Ну, а мы, оставаясь в рамках космической тематики, выбрали явление принципиально иного масштаба: от огромных ракет — к крошечным молекулам.

Валерий Азязов. ФИАН проводит фундаментальные астрофизические исследования, в том числе в области структуры и эволюции астрономических объектов, межзвёздного и межпланетного пространства. У института есть собственные радиотелескопы — с их помощью мы сможем получить основанные на наблюдениях ответы на вопрос, как в космосе могла зародиться жизнь.

С профессором Ральфом Кайзером у нас сложилось плодотворное сотрудничество: он помогает нам строить эксперименты и интерпретировать химические процессы. Совместными усилиями мы нашли реакции, ведущие к образованию нескольких полициклических ароматических углеводородов при температурах до 10 K, и опубликовали около 20 научных работ в высокорейтинговых изданиях.

УНИВЕРСАЛЬНАЯ ХИМИЯ

Думаете, жизнь была занесена на Землю из космоса?

Валерий Азязов. На этот счёт есть несколько теорий. Некоторые считают, что первые важные предшественники биомолекул образовались вблизи термальных источников на Земле. Другие — что такие молекулы возникли при ударе молнии, потому что в этот момент высвобождается много энергии, которая может запустить синтез сложных соединений. Наконец, ароматические соединения находили в метеоритах, попавших на Землю. Нельзя исключить, что строительные блоки для биомолекул повсеместно распространены в космосе. Об этом свидетельствуют наблюдения с помощью радиотелескопов, которые регистрируют излучение ароматических молекул, исходящее из областей зарождения солнечных систем.

Азязов называет Кайзера сторонником гипотезы о том, что первые кирпичики земной жизни образовались в космосе. Сам Ральф высказывается осторожнее:

Ральф Кайзер. Да, это возможный вариант развития событий. Химия универсальна: в любом уголке Вселенной, чтобы создать простейшую органику, нужны лёд, облучение и некоторые химические соединения. Мы обнаружили, что биофункциональные соединения, например пировиноградная кислота, могут формироваться в межзвёздной среде. Основываясь на наблюдениях астрономов и наших экспериментах, можно сделать вывод, что биологически важные молекулы могут образовываться не только в Солнечной системе. Это значит, что они могут попасть на планеты, расположенные в любом уголке Галактики. И у нас появляется возможность предсказывать, где именно за пределами Солнечной системы могут быть предшественники жизни.

А в Солнечной системе? Могут ли, например, факты выброса метана на Марсе или находка фосфина на Венере свидетельствовать о наличии жизни на этих планетах?

Ральф Кайзер. Мне кажется, здесь очень много спекуляций. Одна научная группа наблюдала фосфин на Венере, другая позже это оспорила. Иногда люди ошибаются: у них есть наблюдения, но они тщательно их не проверяют. И конечно, даже если наличие фосфина будет доказано, это ещё не означает, что на Венере есть жизнь.

Назовите, пожалуйста, главные вопросы, которые стоят перед исследователями в вашей области.

Ральф Кайзер. Их много. Один из них — насколько большими и химически сложными можно сделать эти молекулы? Могут ли, например, нуклеозиды и нуклеотиды формироваться из более простых строительных блоков во льдах?

КОСМОС В ЛАБОРАТОРИИ

Почему вы ищете предшественников биологически важных молекул именно в межзвёздных льдах?

Валерий Азязов. Дело в том, что из-за большой разреженности межзвёздной среды атомы и молекулы в газовой фазе сталкиваются редко. А органические соединения-предшественники образуются как раз при молекулярных столкновениях. Астрохимические модели, основанные исключительно на газофазных реакциях, предсказывают фракционное содержание органических молекул на пять порядков ниже наблюдаемых. С другой стороны, мы знаем, что в космосе есть молекулярно-пылевые облака, из которых, собственно, и образуются солнечные системы. Плотность вещества в крупинке пыли высокая, и скорости протекания реакций намного выше, чем в газе. Это может объяснить эволюцию сложных соединений в низкотемпературных условиях космоса.

Ральф Кайзер. Молекулы могут находиться в газовой фазе или во льдах. Лёд конденсируется на частицах нанометрового размера в так называемых зёрнах межзвёздной пыли. Это происходит при очень низких температурах, порядка 10 К. Молекулы газа сталкиваются с этими зёрнами, прилипая к ним. В результате со временем на этих пылинках образуется тонкий слой льда толщиной в несколько сотен нанометров. По большому счёту это тот же процесс, при котором в холодильнике накапливается лёд.

Валерий Азязов. На льды воздействует космическое излучение. Например, отрывает от стабильной молекулы метана (СН4) атом водорода — получается СН3. А СН3 — это уже активная молекула. Встречаясь, молекулы СН3 с высокой вероятностью образуют ароматическое соединение — бензол.

Как вы будете проводить эксперименты?

Валерий Азязов. Для этого мы создаём междисциплинарный Центр лабораторной астрофизики — будем исследовать механизмы формирования сложных органических соединений на покрытых льдом наночастицах в молекулярных облаках и областях звёздообразования. Под руководством профессора Кайзера мы построим установку для изучения криогенных поверхностных процессов. У профессора в подчинении будет около 20 сотрудников, в том числе студенты и аспиранты. Двое молодых сотрудников из Самары поедут на стажировку в лаборатории коллеги в Гавайском университете. Там они будут осваивать современные методы исследований на установках, подобных той, которую построят в нашем центре.

Что это за установка?

Ральф Кайзер. Мы хотим создать камеру имитации сверхвысокого вакуума следующего поколения и воссоздать в ней космические условия: радиацию, ультрафиолетовое излучение, низкие температуры.

Валерий Азязов. В России есть похожие установки, но такая мощная, чувствительная, которая бы в полной мере имитировала условия в космосе, будет первая. Это очень дорогое оборудование, только мегагрант и способен покрыть расходы на его приобретение. В этой установке мы, как в космосе, будем бомбардировать криогенные льды, например, жёстким ультрафиолетом, смотреть, какие химические превращения при этом происходят, и детектировать продукты реакций — разбираться, что за молекулы у нас получились. В сочетании с расчётами электронной структуры молекул, астрохимическим моделированием и астрономическими наблюдениями наши исследования позволят составить единую картину формирования ключевых органических соединений и выявить многообразие молекул, которые могут быть синтезированы в глубоком космосе.

Чем ещё вы будете заниматься в этой лаборатории?

Валерий Азязов. Для проведения высокоуровневых квантово-механических расчётов нужны суперкомпьютерные мощности и теоретическая группа, которая эти расчёты будет делать. Потом те молекулы, что мы предсказали экспериментально, астроном будет искать в космосе с помощью радиотелескопов. А теоретик будет говорить: «Да, это излучение действительно относится к молекуле, которую вы обнаружили». А ещё мы собираемся экспериментально проверить данные уже опубликованных на эту тему исследований. Кроме того, если мы научимся рассчитывать вероятности столкновения молекул в разреженной среде, это поможет подсчитать константы, в частности время, за которое формируются планеты, галактики и другие космические объекты.

ИЗ ГОНОЛУЛУ В САМАРУ

Согласно условиям гранта, Ральф должен приехать в Самару на три месяца, но пока процесс тормозит COVID-19.

Ральф Кайзер. Конечно, раз мы создаём новую лабораторию, моё присутствие было бы полезным, поэтому мы надеемся, что вылеты скоро разрешат. Впрочем, вопрос ещё и в том, когда можно будет подать заявление на визу. Пока такой возможности нет ни у кого.

По словам Кайзера, Самара в некоторой степени напоминает ему Германию, откуда он родом.

Ральф Кайзер. Особенно похожи трамваи — не современные, а традиционные, исторические. Иногда по дороге в Самару я заезжал в Германию навестить родных — зависело от того, сколько длилась командировка. Но такие поездки очень важны и для профессионального развития: я всегда смотрю на опыт коллег из других стран — ни одна организация не совершенна, всегда можно что-то улучшить.

Валерий Азязов. Мне было приятно поработать несколько месяцев в лаборатории профессора Кайзера в Гавайском университете. Но в какой-то момент островная жизнь начинает угнетать. У нас поездка на дачу занимает столько же времени, сколько требуется, чтобы объехать остров целиком.

Валерий Азязов называет Ральфа Кайзера великим экспериментатором и верит, что если за дело взялся Ральф, то установка непременно заработает. Кайзер в ответ посмеивается:
— Пока наши совместные эксперименты были успешными. Но в моей работе было множество экспериментов, которые не сработали. Это наука — тут всё может пойти не так, как ты ожидаешь, и это тоже захватывающая история.

Фото: Ivtorov / WikiMedia, StudioMolekuul / Shutterstock, Osugi / Shutterstock, WikiMedia

Опубликовано в журнале «Кот Шрёдингера»  № 45 2020 г.