Новости искусства

В прoстрaнствe oбнaружeны рaзличныe oргaничeскиe вeщeствa, oднaкo мexaнизмы иx фoрмирoвaния извeстнo нeмнoгo. Aстрoфизики и xимикoв из Фрaнции, Дaнии и Мeксики экспeримeнтaльнo пoкaзaли, чтo в услoвияx, кoтoрыe имитируют рaннeй стaдии фoрмирoвaния плaнeтныx систeм, изoляции льдa с примeсью мeтaнoлa и aммиaкa пoд дeйствиeм ультрaфиoлeтoвoгo излучeния oбрaзуются всe виды углeвoдoв, включaя рибoзу — сущeствeнным кoмпoнeнтoм РНК. Aвтoры прeдпoлaгaют, чтo xимичeский прoцeсс, кoтoрый привoдит к синтeзу этиx углeвoдoв, пo aнaлoгии с aвтoкaтaлитичeскoй рeaкции Бутлeрoвa, хотя и не нуждается в присутствии двухвалентных ионов металлов.

Со времен знаменитого эксперимента Миллера – Юри, который, по сути, началась современная пребиотическая химия, ученые обнаружили ряд природных сред, в которых может идти абиогенный синтез органических веществ (см. ссылки в конце новости).

Такой синтез возможен не только в вулканических источников или в атмосфере планет, но и в открытом космосе, где органические вещества не являются редкостью. Самых простых органических молекул есть в межзвездного газа; в метеоритах определенного типа (углистых хондритах, которые считаются остатками первичного вещества протопланетного диска) был найден разнообразной и достаточно сложной органики, в том числе аминокислоты и азотистые основания (см.: Murchison meteorite); доказано присутствие органики в кометах (см.: F. Goesmann et al., 2015. Organic compounds on комета 67P/Churyumov-Gerasimenko revealed by СИНЕЦ mass spectrometry). Это говорит о том, что молодая Земля с самого начала может иметь в своем составе много органических веществ (и периодически получать дополнительные порции в пространстве).

В главной роли космическую «фабрику» по производству органических веществ с уверенностью утверждать, космической пыли, которые входят в состав молекулярных облаков, из которых формируются звезды, и протопланетных дисков (см.: В. Н. Снытников. Астрокатализ как стартовый этап геобиологических процессов. Жизнь создает планеты?).

Считается, что на первых этапах формирования планетных систем синтез органического вещества происходит под действием ультрафиолетового излучения во льду «мантиях», охватывает силикатные или углеродистые частицы космической пыли. В состав этого «докометного льда» (precometary ice) включает в себя, помимо воды, метанола (CH3OH), аммиака (NH3) и ряд других веществ. Исследователи научились моделировать в лабораторных условиях процессы, происходящие в лед в условиях, близких к реальной космической, которая является чрезвычайно низких температур и давлений. Ранее было показано, что под действием ультрафиолета в замороженной смеси воды, метанола и аммиака образуются различные аминокислоты (M. Nuevo et al., 2007. Enantiomeric separation of complex organic molecules produced from irradiation of interstellar/circumstellar ice analogs), а также альдегиды, в том числе самых простых сахара: гликольальдегид и глицеральдегид (P. Marcellus et al., 2015. Aldehydes and sugars from evolved precometary ice analogs: Importance of ices в astrochemical and пребиотик evolution).

В новой статье, опубликованной в журнале Science, астрофизики и химиков из Франции, Дании и Мексики сообщила об очередном успехе на пути к пониманию органической химии космоса. Авторы облучали ультрафиолетом в вакууме тонкий слой искусственной «докометного льда», состоящей из воды, метанола и аммиака в соотношении 10:3,5:1, охлажденной до температуры 78 K (-195°C). Смесь веществ нагревают до комнатной температуры (в этом случае, также, конечно, могут иметь место некоторые химические реакции) и проанализировали с помощью мощнейшей современной техники: двумерной газовой хроматографии — времяпролетной масс-спектрометрии (GC×GC-TOFMS; см.: W. Welthagen et al., 2005. Comprehensive two-dimensional gas chromatography–time-of-flight mass spectrometry (GC×GC-TOF) for high resolution metabolomics: biomarker discovery on селезенка глубоких тканей, горячими камнями extracts of ожирением NZO compared to lean c57bl/6 mice; подробное описание метода дано несколько материалов к обсуждаемой статье).

Применение данного тонких методов позволило выявить, наряду с уже детектированными в рамках тех же экспериментов самых простых углеводов, в ряд четырех -, пяти-и шестиуглеродных моносахаридов и родственных соединений (спирты, сахара и кислот). Наиболее важные из обнаруженных молекул представлены на рис. 2.

Рис. 2. Некоторые моносахаридов и родственные им соединения, полученные в ходе эксперимента. Количество каждого вещества в окончательной смеси указано в частях на миллион (ppm). C-2, …, C-5 — число атомов углерода в молекуле. Шестиуглеродные соединения, которые также были получены в ходе эксперимента, на рисунке не показаны. Изображение из обсуждаемых в статье в Science

В такие эксперименты, как правило, самое трудное даже не синтезировать интересные органических веществ, но, во-первых, точно идентифицировать их, во-вторых — для того, чтобы доказать, что вещество, обнаруженное не проникло из вне, в результате случайного загрязнения. С первой задачей исследователи делают все лучше, с помощью постоянно развивающихся методов анализа (см.: Получены новые результаты старого эксперимента Стэнли Миллера, «Элементы», 20.10.2008). Вторая проблема, авторы обсуждали статьи решил, с помощью изотопной метки: метанола, единственным источником углерода в их системе, содержится только тяжелый изотоп углерода 13С, в натуре, составляет лишь 1% от общего числа атомов углерода (остальные 99% в основном приходятся на легкий изотоп 12С). Весь углерод из синтезированных сахарах представлен тяжелый изотоп, что доказывает их подлинность.

Судя по набору получившихся молекул, химический процесс, который имеет место в «докометном лед» под действием ультрафиолета, похож на знаменитый автокаталитическую реакцию Бутлерова (рис. 3; см. также: Химикам удалось стабилизировать абиогенный синтез сахаров, «Элементы», 24.02.2010). Как и в реакции Бутлерова, в рамках эксперимента, вместе с сахаром синтезировались спирты, сахара и кислоты, сахара, а также молекулы с разветвленными углеродными цепями — гидроксиметилглицерол и гидроксиметилтетритол. Правда, в отличие от классической реакции Бутлерова, процессы, которые происходят в «докометном лед» под действием ультрафиолетового излучения, не нуждаются в присутствии двухвалентных ионов металлов, таких как Ca2+.

Рис. 3. Реакция Бутлерова в «докометном льда» (представлены только процессы, которые приводят к четырех — и пятиуглеродным сахарам). Формальдегид (1), получающийся из метанола путем фотоокисления, превращается в гликольальдегид (2), который сам и катализирует эту реакцию. Гликольальдегид и формальдегида в результате альдольной конденсации дают глицеральдегид (3), который изомеризуется в дигидроксиацетон (4). Последний реагирует с гликольальдегидом и превращается в » пятиуглеродные сахара, такие как рибоза (6). Дигидроксиацетон, также реагируют с формальдегидом, что приводит к образованию четырехуглеродных сахара (7, 8). Рис. обсуждали статьи в Science

Авторы придают большое значение тому, что среди полученных веществ в значительное количество присутствует рибоза — один из ключевых компонентов сахарофосфатного скелета РНК. До недавнего времени, абиогенный синтез рибозы считается обязательным этапом абиогенного синтеза рибонуклеотидов — компоненты блоков РНК. Правда, в 2009 году, был найден замечательный «способ», который позволяет в обстановке доверия, чтобы получить рибонуклеотиды, минуя этап свободной рибозы (см.: Химики преодолели главное препятствие на пути к абиогенному синтезу РНК, «Элементы», 18.05.2009). Тем не менее, демонстрация возможности синтеза различных сахаров в крупицах межзвездного льда имеет большое значение для пребиотической химии. Полученные результаты в целом хорошо согласуются с тем, что астрофизикам уже успел узнать о химии органического пространства в процессе изучения межзвездного газа, метеоритов и комет.

Источник: Корнелия Meinert, Iuliia Myrgorodska, Пьер де Marcellus, Томас Buhse, Лоран Nahon, Søren V. Hoffmann, Louis Le Sergeant d ‘ Hendecourt, Уве J. Meierhenrich. Ribose and related sugars from ультрафиолетовый irradiation of interstellar ice analogs // Science. 2016. Ст. 352. P. 208-212.

См. кроме того, о абиогенном синтезе органических веществ:

1) В. Н. Снытников. Астрокатализ как стартовый этап геобиологических процессов. Жизнь создает планеты?

2) Гидротермальные источники — колыбель жизни на Земле?, «Элементы», 30.10.2006 г.

3) были Получены новые результаты старого эксперимента Стэнли Миллера, «Элементы», 20.10.2008.

4) Тайна происхождения жизни скоро будет раскрыта?, «Элементы», 12.01.2009.

5) Химики преодолели главное препятствие на пути к абиогенному синтезу РНК, «Элементы», 18.05.2009.

6) Цианосульфидный протометаболизм — путь к земной жизни, «Элементы», 24.03.2015.

Александр Марков