Wprowadzenie
W 2021 roku misja kosmiczna Hayabusa2 z powodzeniem dostarczyła na Ziemię fragment asteroidy 162173 Ryugu — pięć gramów najstarszej, najbardziej nieskazitelnej materii pozostałej po formowaniu się Układu Słonecznego 4.5 miliarda lat temu. Zeszłej wiosny naukowcy ujawnili, że skład chemiczny asteroidy obejmuje 10 aminokwasów, budulców białek. Odkrycie dodało dowodów na to, że pierwotna zupa, z której powstało życie na Ziemi, mogła być doprawiona aminokwasami z kawałków asteroid.
Ale skąd wzięły się te aminokwasy? Aminokwasy przepływające przez nasze ekosystemy są produktami metabolizmu komórkowego, głównie u roślin. Jaki niebiologiczny mechanizm mógł umieścić je w meteorytach i asteroidach?
Naukowcy wymyślili kilka sposobów i Ostatnia praca przez naukowców z Japonii wskazuje na nowy, znaczący mechanizm: mechanizm wykorzystujący promienie gamma do wytwarzania aminokwasów. Ich odkrycie sprawia, że wydaje się jeszcze bardziej prawdopodobne, że meteoryty mogły przyczynić się do powstania życia na Ziemi.
Pomimo ich prestiżu jako istotnej części chemii życia, aminokwasy są prostymi cząsteczkami, które można bez trudu ugotować ze związków węgla, tlenu i azotu, jeśli jest wystarczająca ilość energii. Siedemdziesiąt lat temu słynne eksperymenty przeprowadzone przez Stanleya Millera i Harolda Ureya dowiodły, że wyładowanie elektryczne w gazowej mieszaninie metanu, amoniaku i wodoru (o której wówczas błędnie sądzono, że naśladuje wczesną ziemską atmosferę) wystarczyło do wytworzenia mieszaniny związki organiczne zawierające aminokwasy. Późniejsze prace laboratoryjne sugerowały, że aminokwasy mogą również potencjalnie tworzyć się w osadach w pobliżu kominów hydrotermalnych na dnie morskim. odkrycie w 2018 potwierdził, że czasami tak się dzieje.
Możliwość, że oryginalne aminokwasy mogły pochodzić z kosmosu, zaczęła pojawiać się po 1969 roku, kiedy dwa duże meteoryty – meteoryt Murchison w zachodniej Australii i meteoryt Allende w Meksyku – zostały odzyskane natychmiast po ich uderzeniu. Oba były chondrytami węglowymi, rzadką klasą meteorytów przypominających Ryugu, które według naukowców powstały z mniejszych lodowych ciał po uformowaniu się Układu Słonecznego. Oba zawierały również niewielkie, ale znaczące ilości aminokwasów, chociaż naukowcy nie mogli wykluczyć, że aminokwasy były zanieczyszczeniami lub produktami ubocznymi ich oddziaływania.
Mimo to naukowcy zajmujący się kosmosem wiedzieli, że lodowe ciała pyłowe, które utworzyły chondryty węglowe, prawdopodobnie zawierały wodę, amoniak i małe cząsteczki węgla, takie jak aldehydy i metanol, więc elementarne składniki aminokwasów byłyby obecne. Potrzebowali tylko źródła energii, aby ułatwić reakcję. Prace eksperymentalne sugerowały, że promieniowanie ultrafioletowe z supernowych mogło być wystarczająco silne, aby to zrobić. Zderzenia między ciałami pyłowymi mogły również ogrzać je na tyle, aby wywołać podobny efekt.
„Znamy wiele sposobów abiologicznego wytwarzania aminokwasów” – powiedział Scotta Sandforda, astrofizyk laboratoryjny w NASA Ames Research Center. „I nie ma powodu, by oczekiwać, że wszystkie się nie wydarzyły”.
Teraz zespół naukowców z Yokohama National University w Japonii kierowany przez chemików Yoko Kebukawę i Kenseia Kobayashiego wykazali, że promienie gamma mogły również wytwarzać aminokwasy w chondrytach. W swojej nowej pracy wykazali, że promienie gamma z radioaktywnych pierwiastków w chondrytach – najprawdopodobniej glinu-26 – mogą przekształcić związki węgla, azotu i tlenu w aminokwasy.
Oczywiście promienie gamma mogą niszczyć związki organiczne równie łatwo, jak je wytwarzają. Ale w eksperymentach japońskiego zespołu „wzmocnienie produkcji aminokwasów przez radioizotopy było bardziej skuteczne niż rozkład”, powiedział Kebukawa, więc promienie gamma wytworzyły więcej aminokwasów niż zniszczyły. Na podstawie tempa produkcji obserwowanego w swoich eksperymentach naukowcy obliczyli z grubsza, że promienie gamma mogły podnieść stężenie aminokwasów w asteroidzie zawierającej chondryt węglowy do poziomów obserwowanych w meteorycie Murchison w ciągu zaledwie 1,000 lat lub nawet 100,000 XNUMX lat. .
Ponieważ promienie gamma, w przeciwieństwie do światła ultrafioletowego, mogą przenikać głęboko do wnętrza asteroidy lub meteorytu, mechanizm ten może mieć dodatkowe znaczenie dla scenariuszy pochodzenia życia. „Otwiera zupełnie nowe środowisko, w którym można wytwarzać aminokwasy” – powiedział Sandford. Jeśli meteoryty są wystarczająco duże, „ich środkowa część może przetrwać wejście atmosferyczne, nawet jeśli zewnętrzna część ulegnie ablacji” – wyjaśnił. „Więc nie tylko tworzysz [aminokwasy], ale tworzysz je na drodze do planety”.
Wprowadzenie
Jednym z wymagań nowego mechanizmu jest obecność niewielkich ilości wody w stanie ciekłym, aby podtrzymać reakcje. Może się to wydawać znaczącym ograniczeniem — „Mogę sobie łatwo wyobrazić, że ludzie myślą, że woda w stanie ciekłym prawie nie istnieje w środowiskach kosmicznych” — powiedział Kebukawa. Wyjaśniła jednak, że węglowe meteoryty chondrytowe są pełne minerałów, takich jak uwodnione krzemiany i węglany, które tworzą się tylko w obecności wody, a nawet znaleziono niewielkie ilości wody uwięzione w niektórych ziarnach mineralnych w chondrytach.
Z takich dowodów mineralogicznych, powiedział Wasilisa Winogradow, astrochemika z Uniwersytetu Aix-Marseille we Francji, naukowcy wiedzą, że młode asteroidy zawierały znaczne ilości ciekłej wody. „Wodna faza przemian tych ciał, w której dane aminokwasy miałyby szansę się uformować, trwała około miliona lat” – powiedziała – więcej niż wystarczająco długo, aby wytworzyć obserwowane ilości aminokwasów w meteorytach.
Sandford zauważa, że w eksperymentach przeprowadzonych przez niego i innych badaczy napromieniowanie lodowych mieszanin, takich jak te w pierwotnych międzygwiazdowych obłokach molekularnych, może spowodować powstanie tysięcy związków istotnych dla życia, w tym cukrów i zasad nukleinowych, „a aminokwasy są praktycznie zawsze obecne w mieszać. Tak więc wszechświat wydaje się być w pewnym sensie zaprogramowany na wytwarzanie aminokwasów”.
Vinogradoff powtórzył ten pogląd i powiedział, że obecnie wiadomo, że różnorodność związków organicznych, które mogą być obecne w meteorytach, jest ogromna. „Pytanie zmieniło się bardziej: dlaczego te cząsteczki są tymi, które okazały się ważne dla życia na Ziemi?” powiedziała. Dlaczego, na przykład, życie na Ziemi wykorzystuje tylko 20 z dziesiątek aminokwasów, które można wytworzyć — i dlaczego prawie wyłącznie wykorzystuje „lewoskrętne” struktury tych cząsteczek, podczas gdy lustrzane odbicie „prawoskrętnych” struktur naturalnie tworzą się w równej obfitości? Mogą to być tajemnice, które zdominują badania chemiczne najwcześniejszego pochodzenia życia w przyszłości.
