Istorinis proveržis: kosmose atrastos Žemėje esančios molekulės – ar jau greitai surasime gyvybę kituose pasauliuose?

Prieš dešimt metų Europos kosmoso agentūros zondas „Rosetta“ priartėjo prie dulkėto, ledinio kalno dydžio luito. Dvejus metus zondas sekė savo „grobį“ – kometą 67P/Churyumov-Gerasimenko, o laive esantys prietaisai gaudė ir analizavo nuo kometos sklindančias dulkes ir dujas.

Mokslininkai ieškojo užuominų apie tai, kaip atsirado mūsų Saulės sistema, ir ypač apie vienos klasės molekulių kilmę. Organinių molekulių – anglies turinčių junginių – Žemėje yra daug, ypač gyvų būtybių kūnuose. Jos dažnai vadinamos gyvybės sudedamosiomis dalimis, ir ne veltui.

Anglies atomai gali chemiškai susijungti su keturiais kitais atomais ir lengvai sudaryti ilgas, stabilias grandines, kurios yra sudėtingų biologinių molekulių „anglies stuburas“. Tuo tarpu misija „Rosetta“ ir kitos misijos parodė, kad organinės molekulės yra plačiai paplitusios ir kosmose.

Ką užfiksavo mokslininkai?

„Rosetta“ tikrai pakeitė vaizdą“, – sakė Berno universiteto chemikė Nora Hänni, analizavusi zondo duomenis.

Kai Hänni ir jos kolegos apdorojo tik vienos dienos zondo duomenis 2022 m., jie aptiko 44 skirtingas organines molekules. Kai kurios iš jų buvo labai sudėtingos, sudarytos iš 20 ar daugiau atomų.

Rosetta užfiksavo glicino, vienos iš aminorūgščių, iš kurių sudaryti baltymai, kvapą. O visai neseniai Hänni, naudodamasis „Rosetta“ duomenimis, nustatė dimetilsulfidą – dujas, kurias Žemėje gamina tik gyvi organizmai.

Tai, ką „Rosetta“ padarė su kometomis, Japonijos „Hayabusa2“ ir NASA „Osiris-Rex“ daro su asteroidais. Šios dvi misijos atitinkamai 2020 ir 2023 m. paėmė asteroidų „Bennu“ ir „Ryugu“ mėginius ir grąžins juos į Žemę.

Nuo to laiko mokslininkai sijojo medžiagą ir nustatė, kad abiejuose asteroiduose gausu organinių molekulių. Vien Ryugu yra bent 20 000 rūšių, įskaitant 15 skirtingų aminorūgščių.

„Tai tiesiog viskas, iš ko galėtų atsirasti gyvybė“, – sakė Miuncheno technikos universiteto geologas Philippe’as Schmittas-Kopplinas.

Kaip iš paprastos chemijos atsirado sudėtingi gyvieji organizmai, yra viena didžiausių neišspręstų mokslo paslapčių. Neseniai atlikti asteroidų ir kometų medžiagos tyrimai patvirtina, kad pirmieji surinkimo proceso etapai vyksta kosmose – ir vyksta labai greitai.

Atrodo, kad visur, kur tik pažvelgiame, kosmose gausu biologijos žaliavų. Saturno palydove Titane yra skysto metano ir etano ežerų, sudarytų iš organinių molekulių, taip pat angliavandenilių smėlio kopų.

Organinės molekulės, vadinamos tolinais, tikriausiai yra Plutono rausvo raudonio priežastis. Meteorituose randama tikrų nežemiškų organinių medžiagų „zoologijos sodų“. Organinės dulkės dreifuoja tarp žvaigždžių ir krinta ant Saturno iš jo žiedų.

Mokslininkams jau seniai įdomu, iš kur šios molekulės atsirado

Ar Titano angliavandenilių ežeruose tyvuliuojantys junginiai susiformavo ten, ar jie atsirado gerokai anksčiau, nei šis ledinis palydovas apskritai atsirado? Kaip be biologinės evoliucijos išsivysto organinių medžiagų sudėtingumas?

„Tie, kurie domisi gyvybės paieškomis, turi suprasti, kaip planetos galėtų įgyti organinių medžiagų, jei jose nėra gyvybės. Daug laiko praleidžiame apie tai galvodami“, – sakė Pietvakarių tyrimų instituto planetų mokslininkas Kristoferis Gleinas.

Tuo tarpu Harvardo universiteto astrochemikė Karin Öberg sakė, kad norėtų „sužinoti, iš kur mes, kaip planetos rūšis, esame kilę“.

„Tai yra taip arti, kaip tik galima priartėti prie vieno iš didžiųjų kilmės klausimų, t. y. iš kur atsirado Žemė kaip gyvenama planeta. Kodėl ji yra tokia, kokia yra?“ – pridūrė K. Öberg.

Mokslininkai, siųsdami zondus paimti pirmapradžių kometų ir asteroidų mėginių, teleskopais žvelgdami į planetų formavimosi diskus, o laboratorijose ir kompiuteriniuose modeliuose atkurdami į kosmosą panašias sąlygas, atskleidžia sudėtingų organinių molekulių kilmę.

Jų išvados rodo, kad tokios planetos kaip mūsiškė greičiausiai paveldėjo didžiąją dalį organinių medžiagų iš laikų prieš Saulę.

Ugnis ir ledas

Praėjusiais metais mokslininkai aptiko ankstyviausią žinomą organinės chemijos atvejį Visatoje. Džeimso Vebo kosminis teleskopas stebėjo jauną galaktiką, matydamas ją tokią, kokia ji pasirodė praėjus vos 1,5 mlrd. metų po Didžiojo sprogimo, ir aptiko policiklinius aromatinius angliavandenilius – stambias molekules, kurios šiek tiek primena medaus korius.

Žemėje jų randama visur, kur yra dervos, pradedant iškastiniu kuru ir baigiant medžio dūmais. Kosmose jie yra asteroidų, įskaitant tuos, kurie į Žemę nukrenta kaip meteoritai, ir tarpžvaigždinių dulkių sudedamosios dalys.

Tikėtina, kad šios ir kitos organinės molekulės susiformavo pirmųjų žvaigždžių saulėlydyje, galbūt jau praėjus keliems šimtams milijonų metų po Didžiojo sprogimo.

Mirštančios žvaigždės iškvepia karštus žvaigždžių vėjus; šiuose vėjuose pakelta anglis iš esmės sudega, susidarant žvaigždžių suodžiams.

„Iš tikrųjų tai nelabai skiriasi nuo degimo, kaip mes jį suprantame Žemėje“, – sakė Öbergas.

Ji paaiškino, kad karštoje, daug dujų turinčioje aplinkoje aplink mirštančias žvaigždes „gana lengva sujungti anglies atomus į gana dideles molekules“.

Yra antras svarbus formavimosi kelias. Žvaigždžių kartoms gyvuojant, mirštant ir išsklaidant savo vidų į kosmosą, dalis jų anglies atsidūrė molekuliniuose debesyse – kosmoso lopinėliuose, kuriuose dujų ir dulkių „šmėklos“ susitelkia taip arti viena kitos, kad užstoja šviesą. Čia organinės molekulės susidaro mažų dulkių grūdelių ledinėje plutoje.

„Sudėtingumą galima sukurti ir be didesnių įvykių, tik šaltame, tamsiame debesyje“, – sakė Harvardo universiteto astronomė Alice Booth.

Kadangi ledo grūdeliai yra tokie šalti, prie jų gali prilipti dreifuojantys atomai. 2020 m. mokslininkai eksperimentiškai patvirtino, kad metanas, viena paprasčiausių organinių molekulių, susidaro būtent taip, kai anglis ir vandenilis vienas po kito nusileidžia ant ledo grūdelių.

Manoma, kad panašiai susidaro ir metanolis. O 2022 m. atliktas tyrimas parodė, kad ant grūdelių paviršiaus kondensuojantis anglies monoksidui, angliai ir amoniakui galima sudaryti net paprasčiausios aminorūgšties – glicino – grandines.

Šias chemines reakcijas skatina spinduliuotė. Perry Gerakinesas iš NASA Goddardo kosminių skrydžių centro Astrochemijos laboratorijos sakė, kad kosminių spindulių dalelės ir ultravioletiniai spinduliai „ne tik gali įkaitinti ledus ir taip sukelti reakcijas, tačiau jie taip pat skaldo molekules ir sudaro radikalus, kurie yra reaktyvesni“.

Naudojant metanolį kaip pradinį ingredientą, tokia spinduliuotės sukelta chemija gali sukurti didžiulę molekulių įvairovę.

„Iš esmės viską, ką galima rasti įprastoje organinės chemijos laboratorijoje“, – sakė Öbergas.

Iki šiol mokslininkai tarpžvaigždinėje erdvėje aptiko daugiau kaip 200 rūšių organinių molekulių.

Pasak Booth, išvada yra ta, kad net prieš milijardus metų iki Saulės gimimo „galima suformuoti gana sudėtingas molekules“. Ji taip pat pridūrė, kad tikrai nežinoma, „kaip visas tas sudėtingumas ankstyvaisiais laikais persikelia į vėlesnius laikus“.

Dinamiški diskai

Svarbiausias klausimas – ar šios molekulės gali išgyventi Saulės sistemos gimimą. Naujos žvaigždės ir planetos susiformuoja gravitaciniu būdu suirus dujų ir dulkių debesims.

Ar pirmykštės organinės molekulės šiuose debesyse dingsta pirmosiomis naujos Saulės sistemos gyvavimo dienomis, susprogdintos, kai jaunos žvaigždės užsiliepsnoja?

Tik neseniai mokslininkai pirmą kartą pamatė organines molekules protoplanetiniuose diskuose – besisukančiuose dujų ir dulkių skritulėliuose, kurie sukasi aplink naujai gimusias žvaigždes.

„Kiekvienas diskas yra aukso kasykla“, – sakė Öbergas.

Vieno iš tokių stebėjimų metu Booth ir jos kolegos netoliese esančiame planetos besiformuojančiame diske aptiko gausų metanolio kiekį.

Šis metanolis galėjo susidaryti tik ant anglies monoksido turtingo ledo grūdelių, kurie būtų užpildę šaltą molekulinį debesį, iš kurio atsirado protoplanetinis diskas, bet vėliau būtų išgaravę šiltame diske.

Taigi, pasak Booth, metanolis turėjo atsirasti iš debesies, buvusio prieš naująją žvaigždę ir jos planetas.

Tačiau cheminio surinkimo procesas tikriausiai nesibaigia debesyje. Pasak Booth, „turime tikrai įdomių rezultatų, kurie gali mums pasakyti, kad planetų formavimosi metu mes didiname [cheminį] sudėtingumą“.

Medžiagai judant diske, ji patiria smarkiai besikeičiančias sąlygas. Disko paviršių veikia karštis ir spinduliuotė, o jo vidurinė plokštuma yra apsaugota ir vėsesnė. Kaip drėgmės ir sausros ciklai Žemėje galėjo paskatinti organinių medžiagų sudėtingumą gyvybės atsiradimo metu, taip dulkių ir dujų srautas skirtingose disko dalyse gali paskatinti naujų rūšių organinių medžiagų sudėtingumą.

Mokslininkai norėjo kompiuteriniu būdu modeliuoti disko medžiagos virpėjimą, tačiau, pasak Öbergo, tai padaryti taip brangiai kainuoja, kad kol to būtinai nereikėjo, jie vengė tokių tyrimų.

Dabar viskas keičiasi

2024 m. mokslininkų grupė, kurioje buvo ir Booth, paskelbė pirminius kompiuterinių modelių rezultatus, rodančius, kad protoplanetiniuose diskuose gali greitai susidaryti sudėtingos organinės medžiagos.

Visų pirma molekulės susidaro tuose pačiuose „dulkių spąstuose“, kur susidaro planetezimalai – asteroido dydžio planetų statybiniai elementai. Rezultatai leidžia įžvelgti jaudinantį ryšį tarp organinių medžiagų ir planetų formavimosi.

Mūsų Saulės sistemoje kometos yra viena pirmapradžių medžiagų, likusių iš protoplanetinio disko.

„Manau, kad kometos yra geriausia, ką galime padaryti, kad grįžtume į praeitį ir sužinotume, kas vyksta tarpžvaigždinėje terpėje“, – sakė Hänni.

Mažų organinių molekulių, kurias „Rosetta“ iki šiol aptiko 67P kometoje, sąrašas daugiausia atitinka tai, ko mokslininkai tikisi iš medžiagos, paveldėtos iš molekulinių debesų tarpžvaigždinėje erdvėje.

Tačiau kai kurios 67P kometos organinės molekulės yra sudėtingesnės, nei tikėjosi mokslininkai, ir vis dar lieka atviras klausimas, iš kur tas sudėtingumas atsirado.

Asteroidai yra mažiau švarūs nei kometos, nes dažnai yra įkaitę ir veikiami skysto vandens. Tačiau dėl šių poveikių gali atsirasti naujų organinių medžiagų.

Jau kelis dešimtmečius mokslininkai žino, kad meteorituose, vadinamuose chondritais, kilusiuose iš asteroidų, yra stulbinanti organinių molekulių įvairovė.

Murchisono meteorite, kuris 1969 m. nukrito Australijoje, yra daugiau kaip 96 skirtingos aminorūgštys. Gyvybė naudoja tik apie 20 tokių aminorūgščių.

Osiris-Rex ir Hayabusa2 patvirtino, kad asteroidai „Bennu“ ir „Ryugu“ yra tokie pat sudėtingi kaip ir šie meteoritai. Ir panašu, kad bent dalis šio sudėtingumo atsirado anksčiau nei patys asteroidai.

Preliminari „Bennu“ mėginio analizė rodo, kad jame liko organinių medžiagų, įskaitant policiklinius aromatinius angliavandenilius, iš protoplanetinio disko.

Ar gyvybė egzistuoja ir kituose pasauliuose?

Organinės molekulės ankstyvojoje Žemėje tapo dar vienu nepaprastai sudėtingu elementu. Jos kažkaip susiorganizavo į kažką gyvo.

Kai kurios hipotezės apie gyvybės Žemėje atsiradimą yra susijusios su pradiniu organinių medžiagų rinkiniu iš kosmoso. Pavyzdžiui, „PAH pasaulio“ hipotezė teigia, kad pirmapradėje Žemėje vyravo policikliniai aromatiniai angliavandeniliai. Iš viso to atsirado pirmosios genetinės molekulės.

Apskritai supratimas, kaip sudėtingi organiniai junginiai formuojasi kosmose ir atsiduria planetose, gali padėti geriau suprasti, ar gyvybė atsirado ir kituose pasauliuose. Jei Žemėje gyvybės žaliavos susiformavo tarpžvaigždinėje terpėje, gyvybės medžiagos turėtų būti visur Visatoje.

Kol kas tokios idėjos iš esmės lieka nepatikrintos. Tačiau kadangi pati gyvybė yra naujas organinio sudėtingumo lygis, astrobiologai medžioja sudėtingas organines medžiagas kaip galimą biologinį požymį arba gyvybės ženklą kituose mūsų Saulės sistemos pasauliuose.

Europos kosmoso agentūros misija „Juice“ jau yra pakeliui į Jupiterį ir tris jo ledinius palydovus, o NASA misija „Europa Clipper“ spalio mėn. startavo vieno iš šių palydovų – Europos – link.

Abiejose misijose, kaip ir būsimoje „Dragonfly“ misijoje į Saturno mėnulį Titaną, atmosferose bus ieškoma organinių molekulių.

Tačiau nustatyti, ar tam tikra organinė molekulė yra biologinis požymis, ar ne, yra sudėtinga. Jei mokslininkai rastų pakankamai sudėtingų organinių molekulių sankaupų, to pakaktų įtikinti bent kai kuriuos tyrėjus, kad kitame pasaulyje radome gyvybę.

Tačiau, kaip rodo kometos ir asteroidai, negyvasis pasaulis pats savaime yra sudėtingas. Junginių, laikomų biologiniais požymiais, rasta negyvybingose uolienose, pavyzdžiui, dimetilo sulfido, kurį Hänni komanda neseniai aptiko 67P.

Hänni nori pasinaudoti kometų abiotiniu sudėtingumu, kad padėtų atmesti klaidingai teigiamus biologinius požymius ir informuoti apie būsimas gyvybės paieškas.

„Nesvarbu, ar norite nagrinėti egzoplanetų atmosferas, ar ieškoti gyvybės savo Saulės sistemoje; manau, kad kometos yra tikrai puikus etalonas“, – sakė ji.

Atmetus gyvybę, šie tyrimai apie organinę chemiją kosmose taip pat atveria langą į procesus, kurių galbūt niekada tiesiogiai nepamatysime.

Gleinas ir jo kolegos, remdamiesi Džeimso Vebo kosminio teleskopo stebėjimais dėl metano išorinėje Saulės sistemoje, įrodė, kad kai kurie lediniai Kuiperio juostos objektai gali turėti šiltus ir drėgnus vidų.

Organinės molekulės Europoje gali atskleisti jos požeminio vandenyno cheminę sudėtį. Šmitas-Kopplinas naudojo meteoritų organines sankaupas, kad ištirtų smūgio smūgius ir geocheminius procesus Saulės sistemos gimimo metu.

Gyvybė yra tik vienas iš milžiniškos kosminės dramos, užfiksuotos organinėse molekulėse, veiksmų.

„Organinė chemija – tai įprasta chemija Visatoje“, – sakė Šmitas-Kopplinas.

Jis taip pat pridūrė, kad „visada vyksta mineralų pasaulio ir organinio pasaulio koevoliucija“.