Giới thiệu
Vào năm 2021, sứ mệnh không gian Hayabusa2 đã chuyển thành công một mảnh của tiểu hành tinh 162173 Ryugu đến Trái đất — năm gram vật chất lâu đời nhất, nguyên sơ nhất còn sót lại từ quá trình hình thành hệ mặt trời cách đây 4.5 tỷ năm. Mùa xuân năm ngoái, các nhà khoa học đã tiết lộ rằng thành phần hóa học của tiểu hành tinh bao gồm 10 axit amin, các khối xây dựng của protein. Phát hiện này đã bổ sung thêm bằng chứng cho thấy món súp nguyên thủy mà từ đó sự sống trên Trái đất phát sinh có thể đã được nêm nếm bằng axit amin từ các mảnh của tiểu hành tinh.
Nhưng những axit amin này đến từ đâu? Các axit amin chảy qua hệ sinh thái của chúng ta là sản phẩm của quá trình chuyển hóa tế bào, chủ yếu ở thực vật. Cơ chế phi sinh học nào có thể đã đưa chúng vào các thiên thạch và tiểu hành tinh?
Các nhà khoa học đã nghĩ ra nhiều cách, và công việc gần đây của các nhà nghiên cứu ở Nhật Bản chỉ ra một cơ chế mới quan trọng: cơ chế sử dụng tia gamma để tạo ra axit amin. Khám phá của họ khiến cho dường như thiên thạch có thể đã góp phần vào nguồn gốc của sự sống trên Trái đất.
Mặc dù được coi là một phần thiết yếu trong hóa học của sự sống, nhưng axit amin là những phân tử đơn giản có thể được nấu chín một cách dễ dàng từ các hợp chất carbon, oxy và nitơ nếu có đủ năng lượng. Bảy mươi năm trước, các thí nghiệm nổi tiếng của Stanley Miller và Harold Urey đã chứng minh rằng sự phóng điện trong hỗn hợp khí gồm metan, amoniac và hydro (vào thời điểm đó được cho là bắt chước bầu khí quyển sơ khai của Trái đất) là tất cả những gì cần thiết để tạo ra một hỗn hợp gồm hợp chất hữu cơ có chứa axit amin. Công việc trong phòng thí nghiệm sau đó gợi ý rằng các axit amin cũng có khả năng hình thành trong trầm tích gần các lỗ thông thủy nhiệt dưới đáy biển, và một khám phá vào năm 2018 xác nhận rằng điều này đôi khi xảy ra.
Khả năng các axit amin ban đầu có thể đến từ không gian bắt đầu xuất hiện sau năm 1969, khi hai thiên thạch lớn - thiên thạch Murchison ở phía tây Australia và thiên thạch Allende ở Mexico - được phục hồi nhanh chóng sau các tác động của chúng. Cả hai đều là chondrite carbon, một loại thiên thạch hiếm giống như Ryugu mà các nhà khoa học cho rằng được bồi đắp từ các thiên thể băng giá nhỏ hơn sau khi hệ mặt trời hình thành lần đầu tiên. Cả hai cũng chứa một lượng nhỏ nhưng đáng kể axit amin, mặc dù các nhà khoa học không thể loại trừ khả năng axit amin là chất gây ô nhiễm hoặc sản phẩm phụ do tác động của chúng.
Tuy nhiên, các nhà khoa học vũ trụ biết rằng các thể bụi băng hình thành chondrite carbon có khả năng chứa nước, amoniac và các phân tử carbon nhỏ như aldehyde và metanol, vì vậy các thành phần cơ bản của axit amin sẽ có mặt. Họ chỉ cần một nguồn năng lượng để tạo điều kiện cho phản ứng. Công trình thí nghiệm cho thấy rằng bức xạ cực tím từ siêu tân tinh có thể đủ mạnh để làm điều đó. Sự va chạm giữa các vật thể bụi cũng có thể làm chúng nóng lên đủ để tạo ra hiệu ứng tương tự.
“Chúng tôi biết rất nhiều cách để tạo ra axit amin một cách tự nhiên,” cho biết Scott Sandford, một nhà vật lý thiên văn trong phòng thí nghiệm tại Trung tâm nghiên cứu Ames của NASA. “Và không có lý do gì để mong đợi rằng tất cả chúng không xảy ra.”
Giờ đây, một nhóm các nhà nghiên cứu tại Đại học Quốc gia Yokohama ở Nhật Bản do các nhà hóa học dẫn đầu Yoko Kebukawa và Kensei Kobayashi đã chỉ ra rằng tia gamma cũng có thể tạo ra các axit amin trong chondrite. Trong nghiên cứu mới của mình, họ đã chỉ ra rằng các tia gamma từ các nguyên tố phóng xạ trong chondrite - có lẽ là nhôm-26 - có thể chuyển đổi các hợp chất carbon, nitơ và oxy thành axit amin.
Tất nhiên, tia gamma có thể phá hủy các hợp chất hữu cơ dễ dàng như nó có thể tạo ra chúng. Nhưng trong các thí nghiệm của nhóm nghiên cứu Nhật Bản, “việc tăng cường sản xuất axit amin bằng đồng vị phóng xạ hiệu quả hơn là phân hủy,” Kebukawa cho biết, vì vậy các tia gamma tạo ra nhiều axit amin hơn là chúng phá hủy. Từ tốc độ sản xuất quan sát được trong các thí nghiệm của họ, các nhà nghiên cứu đã tính toán rất gần đúng rằng tia gamma có thể đã nâng nồng độ axit amin trong một tiểu hành tinh chondrite chứa carbon lên mức được thấy trong thiên thạch Murchison trong ít nhất là 1,000 năm hoặc nhiều nhất là 100,000 năm. .
Do các tia gamma, không giống như tia cực tím, có thể xuyên sâu vào bên trong một tiểu hành tinh hoặc thiên thạch, nên cơ chế này có thể liên quan nhiều hơn đến các kịch bản nguồn gốc sự sống. “Nó mở ra một môi trường hoàn toàn mới trong đó các axit amin có thể được tạo ra,” Sandford nói. Nếu các thiên thạch đủ lớn, thì “phần giữa của chúng có thể tồn tại khi lọt vào bầu khí quyển ngay cả khi phần bên ngoài bị mài mòn,” ông giải thích. “Vì vậy, bạn không chỉ tạo ra [axit amin] mà còn đang tạo ra chúng trên con đường đến một hành tinh.”
Giới thiệu
Một yêu cầu của cơ chế mới là phải có một lượng nhỏ nước lỏng để hỗ trợ các phản ứng. Điều đó có vẻ như là một hạn chế đáng kể - “Tôi có thể dễ dàng tưởng tượng rằng mọi người nghĩ rằng nước ở dạng lỏng hầu như không tồn tại trong môi trường không gian,” Kebukawa nói. Nhưng các thiên thạch chondrite cacbon chứa đầy các khoáng chất như silicat ngậm nước và cacbonat chỉ hình thành khi có nước, cô ấy giải thích, và một lượng nhỏ nước thậm chí đã được tìm thấy bị mắc kẹt bên trong một số hạt khoáng chất trong chondrite.
Từ những bằng chứng khoáng vật học như vậy, cho biết Vassilissa Vinogradoff, một nhà hóa học thiên văn tại Đại học Aix-Marseille ở Pháp, các nhà khoa học biết rằng các tiểu hành tinh trẻ chứa một lượng nước lỏng đáng kể. Cô ấy nói: “Giai đoạn thay đổi nước của những cơ thể này, đó là khi các axit amin được đề cập có cơ hội hình thành, là khoảng thời gian khoảng một triệu năm,” cô ấy nói - quá đủ lâu để tạo ra số lượng axit amin quan sát được. trong thiên thạch.
Sandford lưu ý rằng trong các thí nghiệm mà ông và các nhà nghiên cứu khác đã tiến hành, việc chiếu xạ các hỗn hợp băng giá giống như trong các đám mây phân tử nguyên thủy giữa các vì sao có thể tạo ra hàng nghìn hợp chất liên quan đến sự sống, bao gồm đường và nucleobase, “và các axit amin hầu như luôn có trong pha trộn. Vì vậy, vũ trụ dường như được kết nối chặt chẽ để tạo ra axit amin.”
Vinogradoff lặp lại quan điểm đó và nói rằng sự đa dạng của các hợp chất hữu cơ có thể có trong thiên thạch hiện được biết là rất lớn. “Câu hỏi xoay quanh vấn đề này nhiều hơn là: Tại sao những phân tử này lại là những phân tử đã được chứng minh là quan trọng đối với sự sống trên Trái đất?” cô ấy nói. Ví dụ, tại sao sự sống trên cạn chỉ sử dụng 20 trong số điểm axit amin có thể được tạo ra - và tại sao nó hầu như chỉ sử dụng cấu trúc “thuận tay trái” của các phân tử đó khi cấu trúc “thuận tay phải” hình ảnh phản chiếu tự nhiên hình thành với số lượng nhiều như nhau? Đó có thể là những bí ẩn thống trị các nghiên cứu hóa học về nguồn gốc sớm nhất của sự sống trong tương lai.
