Возникновение органики в межзвездных облаках

Галактический центр. Составное изображение по данным «Хаббла», «Спитцера» и «Чандры». NASA, ESA, SSC, CXC, and STScI
Галактический центр. Составное изображение по данным «Хаббла», «Спитцера» и «Чандры».
NASA, ESA, SSC, CXC, and STScI
Алексей Кудря
Алексей Кудря

Дмитрий Вибе, астроном и популяризатор науки, докт. физ.-мат. наук, зав. отделом физики и эволюции звезд Института астрономии РАН, отвечает на вопросы Алексея Кудря. Видеозапись беседы: youtube.com/watch?v=iPC5z3BJwPg.

— Недавно в межзвездной среде впервые были обнаружены молекулы изопропанола и пропанола-1. Они найдены при помощи системы радиотелескопов ALMA в горячем ядре гигантского молекулярного облака Стрелец B2 вблизи центра Млечного Пути 1. Расскажите, пожалуйста, как происходит образование органических соединений в газопылевых облаках? Есть ли понимание механизмов и факторов, влияющих на образование и эволюцию сложных молекул в космосе?

Дмитрий Вибе
Дмитрий Вибе

— Молекулярное облако Стрелец B2 — объект довольно известный. Именно там обнаружена значительная часть всего списка химических соединений, о наличии которых в межзвездной среде мы знаем на данный момент. Мне это облако представляется образчиком поисков под фонарем. Если вам хочется найти какую-нибудь необычную молекулу, то, скорее всего, следует начать именно с этого молекулярного облака, потому что из всех известных объектов оно обладает, наверное, максимально богатой химией. Но, конечно, сложные молекулы встречаются практически во всех молекулярных облаках, в том числе и существенно ближе к нам, и это ставит вопрос о том, как могут формироваться молекулы, в том числе органические, при очень низких температурах и очень низких плотностях.

Этот вопрос впервые встал в конце 1930-х — начале 1940-х годов, когда в межзвездной среде были впервые обнаружены молекулы. Тут нужно уточнить: говоря об органике, астрономы, химики и биологи имеют в виду сильно разные соединения. По астрохимическим меркам пяти-шестиатомная органическая молекула — уже сложная. Конечно, это даже близко не ДНК и не РНК. В космосе мы имеем дело с достаточно простой органикой, но, тем не менее, она там есть. Первые молекулы, которые там обнаружили, были органическими: радикалы CH, CH+, CN. До этого особо никто не ожидал найти в межзвездной среде подобные молекулы, потому что органическая химия казалась чем-то земным, чем-то сугубо планетным. И тут оказалось, что нужно объяснять происхождение этих молекул при температуре несколько кельвинов и при концентрациях 102–105 частиц в кубическом сантиметре — это очень мало.

Второй виток этой истории стартовал в 1960-е годы, когда наблюдения молекул начались при помощи радиотелескопов. Первые наблюдения проводились в оптическом диапазоне, а в 1963 году первая молекула была обнаружена в радиодиапазоне. Уже в конце 1960-х — начале 1970-х были найдены такие молекулы, как формальдегид, метанол, формамид. Стало ясно, что не только двух- и трехатомные соединения могут встречаться в межзвездной среде, но и существенно более сложные молекулы. Проблема оказалась более серьезной, чем предполагалось. В результате возникла наука астрохимия, в задачу которой входит понимание того, как могут образовываться эти молекулы в таких необычных условиях.

Правда, здесь тоже нужна одна оговорка. Довольно часто мы называем эти условия «экстремальными». Но на самом деле для космоса это нормальные условия. Наоборот, земные условия (давление — одна атмосфера, температура 15 °С) — это экстремальные условия, которые во Вселенной встречаются редко, а низкие плотности и низкие температуры — это как раз условия совершенно обыкновенные.

Так вот, оказалось, что в этих условиях, при возможности только двухчастичных реакций, возникают (за очень продолжительное время, конечно) молекулы, сложность которых мы пока ограничить сверху не можем. Постоянно открывают всё более и более сложные молекулы. Уже обнаружены молекулы, которые состоят из 12–13 атомов 2. Существуют указания на наличие некоторых полимерных соединений. Самые большие молекулы, которые достоверно обнаружены в межзвездной среде 3, — фуллерены C60 и С70. Наверное, их, строго говоря, к органическим соединениям нельзя отнести, но все-таки это их близкие родственники.

Фуллерены в космосе (коллаж). NASA/JPL-Caltech
Фуллерены в космосе (коллаж). NASA/JPL-Caltech

По современным представлениям, по крайней мере начало химических процессов в молекулярных облаках должно быть связано с реакциями между нейтральными и ионизованными молекулами. Это особая группа реакций — ион-молекулярные, или ион-нейтральные. Они отличаются от прочих реакций тем, что при низких температурах идут с бо́льшими скоростями, т. е. их скорости увеличиваются с понижением температуры. Поэтому в холодных молекулярных облаках они играют главенствующую роль. Практически все эти реакции начинаются в газовой фазе, т. е. образование простых молекул (например, оксида углерода и молекулярного азота) происходит в газе, но помимо газа в молекулярных облаках присутствуют также пылевые частицы. Из-за низкой температуры молекулы к таким пылинкам примерзают, на них нарастают ледяные мантии. Эти ледяные мантии тоже химически не пассивны, там тоже происходят различные химические процессы. Сейчас предполагается, что более сложные молекулы, наподобие того же метанола, формируются уже на поверхности пылевых частиц в ледяных мантиях. Затем, когда рядышком загорается звезда, начинается процесс ее эволюции, процесс формирования планетной системы; ледяные мантии прогреваются, начинают испаряться, вся эта сложная органика с пыли идет обратно в газ, там эти молекулы тоже начинают реагировать друг с другом, и вот так дело доходит, возможно, до простейших аминокислот.

Существует такая «ритуальная», что ли, молекула — глицин. Это простейшая аминокислота. Никакого особого открытия не будет, когда эта молекула будет обнаружена в межзвездной среде, потому что понятно, что она вполне может образовываться. Ее технически сложно обнаружить. Тем не менее, считается, что это будет знаковое событие, поэтому ее уже много лет ищут, несколько раз ее открывали, но эти открытия всякий раз сопровождались «закрытиями». Так что у нас нет уверенных свидетельств, что аминокислоты формируются в межзвездных облаках, но мы понимаем, что это проблема обнаружения.

Изображение протопланетного диска вокруг HL Тельца, полученное с помощью ALMA (ESO)
Изображение протопланетного диска вокруг HL Тельца, полученное с помощью ALMA (ESO)

Итак, вся эта органика рождается в молекулярных облаках, рождается в газофазных реакциях, рождается на поверхностях пылевых частиц. Потом органика попадает в протопланетные диски и, может быть, даже в формирующиеся планеты. Иначе говоря, родословную свою органика, по крайней мере, простая, ведет с досолнечного, дозвездного этапа.

— Вы упомянули формамид. Армен Мулкиджанян в интервью ТрВ-Наука 4 рассказывал, что с точки зрения зарождении жизни вода — вещество довольно опасное, так как является сильным окислителем. Альтернатива — формамид. Он может быть «вулканическим или атмосферным, потому что облака формамида даже в Галактике плавают». Может ли это означать, что планеты земной группы после своего формирования имели всё готовое, чтобы на них начался процесс образования жизни?

— Ситуация здесь существенно более сложная. Вы сказали «облака формамида». Похожую формулировку я видел в одной газетной вырезке по поводу обнаружения молекулы C2H5OH, существенно более важной для современной земной жизни. Эта молекула была обнаружена в космосе, и газетный заголовок звучал так: «Ученые нашли в космосе облако спирта». Но молекулярные облака состоят из молекулярного водорода. Облаков спирта, облаков формамида и других веществ в космосе нет. Есть облака молекулярного водорода, к ним примешано немножечко пыли и — в очень незначительной пропорции — всё остальное.

Далее… Вы говорите «всё готовое для зарождения жизни». Эта фраза нуждается в уточнении. Что именно должно быть готово? Парацельс говорил, что любое вещество — и яд, и лекарство, в зависимости от количества. Ведь без воды мы жить не можем. Хорошо, вода во Вселенной есть, воды во Вселенной много и, в общем-то, сейчас единственное убедительное предположение о появлении воды на Земле — ее космическое происхождение. Вода как необходимый компонент возникновения жизни на Землю попала из космоса. Что еще нужно? В межзвездной среде — да и в протопланетных дисках — присутствуют довольно простые органические соединения. Формамид, конечно, тоже мог попасть на Землю вместе с какими-то космическими телами. Он может образовываться и в газовой фазе. Совсем недавно появилась публикация 5 о том, что и на поверхности пылинок он тоже прекрасно образуется. Но дальше он как-то должен попасть на планету. Такой же путь должен быть у прочих молекул, в том числе органических. И эта траектория — от молекулярного облака до планеты, — в общем-то, может быть довольно сложной, на каких-то ее этапах молекулы могут полностью разрушаться и потом синтезироваться в протопланетном диске заново.

Протопланетный диск в Туманности Ориона. Снимок «Хаббла» (NASA)
Протопланетный диск в Туманности Ориона. Снимок «Хаббла» (NASA)

Да, что-то из вещества молекулярных облаков, безусловно, попадает на формирующиеся планеты. Этот процесс до сих пор продолжается. На Землю падают метеориты, очень богатые органикой. Но эта органика тоже не очень сложная, и насколько именно она важна для формирования жизни, я не берусь судить. Это должны говорить биологи. Что-то на Землю попадало и, естественно, попадало и на Марс, и на Венеру, но насколько «под ключ» формировался этот химический состав, я думаю, можно будет сказать только после того, как мы поймем, что именно нужно для возникновения жизни.

— Вы сказали, что возникновение РНК и ДНК в газопылевых облаках невозможно. Получается, они могут возникать только на планетах? А азотистые основания?

— Да, я думаю, что образование нуклеиновых кислот в молекулярных облаках невозможно. Азотистые основания там пока не обнаружены, но на этом пути мы прошли уже довольно далеко. Во-первых, в облаках уже обнаружена молекула HCN, кольцевые ароматические молекулы (по крайней мере, состоящие из двух колец). Что-то подобное природа умеет делать. Мы пока не нашли конкретные азотистые основания, но это, скорее всего, связано с тем, что сама процедура их идентификации очень сложная. Мы ориентируемся исключительно на спектры. У молекулярных спектров есть такая особенность: чем сложнее молекула, тем у нее больше линий и тем эти линии слабее. Когда есть какая-то простая молекула наподобие оксида углерода, у нее хороший набор сильных линий, которые далеко отстоят друг от друга и элементарно выделяются при наблюдениях. Но когда мы начинаем говорить даже не про РНК и ДНК, а про метанол или другие пяти-шестиатомные молекулы, у них огромное количество слабых линий, которые накладываются друг на друга и, конечно же, накладываются на линии других молекул. В результате в попытках прояснить органический состав молекулярных облаков мы имеем дело с жутким частоколом линий, многие из которых пока просто не идентифицированы. У нас есть спектральные наблюдения, спектральные обзоры, очень хорошие спектры, и в них десятки процентов линий принадлежат вообще не пойми чему. Очень может статься, что мы эти азотистые основания уже зарегистрировали, но пока не научились из конкретного спектра вытаскивать их линии. Еще раз повторю: это чисто техническая проблема, потому что другие похожие молекулы мы обнаруживаем. Никаких принципиальных барьеров на пути к образованию мономеров нет.

Дальше всё становится сложнее, потому что мы знаем о наличии более сложных молекул. С 1970-х годов известны эмиссионные полосы в инфракрасном диапазоне, которые в 1980-е годы приписали молекулам полициклических ароматических углеводородов. Это более регулярные молекулы, в которых из шестиугольников бензола выкладываются плоские структуры. Сейчас признаков наличия этих молекул наблюдается очень много и в нашей галактике, и за ее пределами. Понятно, что их много. Они в себе содержат существенную долю всего углерода во Вселенной. Но когда заходит речь об их конкретной структуре, опять начинаются проблемы. Мы знаем, что там есть какая-то ароматическая составляющая, потому что именно ароматическая составляющая дает те инфракрасные полосы, которые мы наблюдаем, но мы не можем сказать, это действительно регулярные подлинно полициклические ароматические углеводороды или какие-то конгломераты, состоящие из ароматических фрагментов, или какой-то микс ароматических и алифатических соединений. Конечно, там могут попадаться какие-то другие атомы в этих молекулах, не только углерод и водород, но и азот, и кислород, и железо… Разобраться в этой сложности нам сейчас достаточно проблематично, потому что, во-первых, это требует очень хороших спектров в инфракрасном диапазоне. Все сейчас смотрят с надеждой на телескоп «Джеймс Уэбб». Но, скорее всего, никаких окончательных ответов и он не даст, потому что мы только начинаем постигать всю органическую сложность.

Возвращаясь к вашему вопросу: какие-то мономеры, скорее всего, существуют и образуются в молекулярных облаках, из них могут формироваться какие-то более сложные макромолекулы. В этих соединениях стирается грань между молекулами и пылинками. Там заполнен весь диапазон размеров. Но это совершенно не дает нам права говорить о том, что могут формироваться молекулы наподобие РНК и ДНК. Скорее всего, если говорить о сложных молекулах, там образуются рандомные нерегулярные структуры.

— Как быть со всеми видами возможного ионизирующего излучения? По идее, оно должно разрушать эти сложные молекулы?

— Тут опять мы вспоминаем Парацельса. Получается ситуация, может быть, несколько неожиданная. Одно из ключевых возражений, которое выдвигалось против возможности межзвездной химии в 1930-е годы, — это как раз ионизующее излучение. Ультрафиолет, космические лучи… О каких молекулах тут можно вообще говорить? Но новый этап развития астрохимии, который начался после обнаружения в радиодиапазоне всё более и более сложных молекул, связал эту химическую сложность именно с наличием ионизирующих излучений. Они не просто не препятствуют формированию молекул, они оказываются ключом к их формированию. Я говорил о том, что основной вид реакций, которые питают межзвездную химию, — это реакции ион-нейтральные, реакции между ионизованной и нейтральной молекулами. Что ионизует молекулу? Откуда вообще берутся ионы? Оказывается, с этой задачей вполне справляются космические лучи. Частицы, атомные ядра высоких энергий (как минимум, мегаэлектронвольты), ионизуют вещество, и этой ионизации оказывается достаточно для того, чтобы стимулировать ион-молекулярную химию. Начинается всё с двух-трехатомных соединений, но потом они становятся материалом для более сложных молекул. Если бы космических лучей не было по каким-то причинам, возможно, природа изобрела бы что-то еще. Тем не менее, космические лучи есть, и они являются стартовым пистолетом для того, чтобы химию начать.

Дальше тоже всё не так однозначно. С одной стороны, конечно, частицы высоких энергий разрушают молекулы. С другой стороны, сейчас активно разрабатывается, например, такая возможность… Вот у нас есть ледяная мантия, она в холоде эволюционировала, нарастала, в ней сформировались какие-то молекулы (из тех, которые на слуху, — метанол, диметиловый эфир). Потом загорается рядышком звезда и начинает эту пыль освещать ультрафиолетом. Казалось бы, ультрафиолет должен мантию разрушать. Но если с ультрафиолетом не переборщить, он начинает эти сложные молекулы разваливать, превращать их в набор радикалов, а эти радикалы начинают между собой снова активно реагировать и превращаться в более сложные органические соединения. Инертные молекулы ультрафиолетом разрушаются, и это провоцирует следующие химические превращения. Тот же самый эффект способны производить не только фотоны, но и другие частицы высоких энергий: космические лучи, звездный ветер. Во всех этих случаях, если это не слишком мощное излучение, оно играет скорее конструктивную роль, чем деструктивную. Сейчас активно развиваются эксперименты, в которых показывают, что какие-то более сложные, чем метанол, химические соединения имеют неплохие шансы образовываться именно в результате облучения космических льдов частицами высоких энергий. Интересно, что это можно проверить в земном эксперименте, и эксперименты это подтверждают. Мы сейчас увлеклись такими соединениями: метилформиат, гликольальдегид, ускусная кислота…

— А теперь — свободный микрофон. О чем я забыл вас спросить? О чем вы хотели бы сказать нашим зрителям и читателям?

— Пожалуй, есть еще одна тема, которую я не осветил. Тот сценарий, о котором я бегло говорил до сих пор, известен как сценарий bottom-up. Мы начинаем практически с атомарной смеси (с некоторыми нюансами, в которые я не буду углубляться), облучаем ее космическими лучами — и у нас начинают «расцветать сто цветов», образуются сначала простые молекулы, потом всё более и более сложные, и в конечном итоге мы даже не понимаем, до чего этот процесс может дойти. Но существует еще один сценарий, который, как легко догадаться, называется top-down. Согласно этому сценарию, органика может появляться в молекулярных облаках в результате разрушения более крупных частиц. А откуда берутся эти крупные частицы? Они летят из звезд. Когда были известны только три радикала — CH, CH+ и CN, — вполне разумной казалась мысль о том, что это результат разрушения пылинок, которые порождаются звездами. Потом оказалось, что молекул гораздо больше, но возможность разрушения пылинок, продуцируемых звездами, в общем, никто не отменял. Со звезд летит разнообразная смесь пылинок, в том числе пылинки, которые изначально назывались графитовыми, но теперь их несколько более расплывчато называют углистыми, потому что мы знаем: в них содержится углерод, но в какой конкретно форме — далеко не всегда можно сказать. Углерод тем и славен, что множество разных форм может принимать. Эта органика в пылинках вылетает из звезд, попадает в межзвездную среду, сталкивается с различными деструктивными факторами, в том числе с ультрафиолетом, космическими лучами, ударными волнами, и от этих органических пылинок начинают отшелушиваться, откалываться маленькие фрагментики — маленькие с точки зрения пылинки, но с точки зрения газовой фазы вполне заметные органические молекулы. К сожалению, здесь мы сталкиваемся с очень существенным недостатком экспериментальных и теоретических данных. Мы в нашей группе пытаемся эти процессы рассматривать. Признаков разрушения углистых пылинок мы видим в космосе множество. Хочется моделировать этот процесс, чтобы вписаться в наблюдения, но эти процессы и в лаборатории воспроизвести очень сложно, и численное моделирование тоже дается с большим трудом, поэтому этот сценарий далеко не так детально проработан, как сценарий bottom-up, но в последнее время он начинает привлекать к себе внимание. Так что сценарий образования сложных молекул в космосе как минимум не один.

— Большое спасибо за интересный рассказ! Очень познавательно.


1 Belloche A., Garrod R. T., Zingsheim O., Müller H. S. P. and Menten K. M. Interstellar detection and chemical modeling of iso-propanol and its normal isomer.

2 trv-science.ru/2018/01/rekordno-bolshaya-molekula-v-mezhzvezdnoj-srede

3 trv-science.ru/2019/11/zvezdnaya-pyl-v-zemnoj-laboratorii

4 Колыбель жизни: геотермальные системы? // ТрВ-Наука № 360 от 23.08.2022.

5 Chuang K.-J., Jäger C., Krasnokutski S. A., Fulvio D. Henning Th. Formation of the simplest amide in molecular clouds: formamide (NH2CHO) and its derivatives in H2O-rich and CO-rich interstellar ice analogs upon VUV irradiation.

Подписаться
Уведомление о
guest

0 Комментария(-ев)
Встроенные отзывы
Посмотреть все комментарии
Оценить: 
Звёзд: 1Звёзд: 2Звёзд: 3Звёзд: 4Звёзд: 5 (6 оценок, среднее: 5,00 из 5)
Загрузка...