Химия жизни могла начаться в космосе при почти абсолютном нуле

Задолго до появления Земли, океанов и первых живых клеток во Вселенной уже работала сложная химическая лаборатория. Только вместо колб в ней были облака межзвёздного газа и пыли, а температура опускалась почти до абсолютного нуля. Долгое время существовала проблема: многие сложные соединения углерода, обнаруживаемые в космосе, на Земле обычно возникают при высоких температурах. Откуда же они берутся внутри ледяных молекулярных облаков? Новая работа химиков предлагает механизм, позволяющий запустить такую химию без привычного источника тепла.

В центре исследования оказался фенален, молекула с формулой C13H10, состоящая из трёх соединённых углеродных колец. Она относится к миру полициклических ароматических углеводородов, или ПАУ, которые считаются важной частью углеродного вещества Вселенной. Эти соединения обнаруживают в метеоритах, астероидах, межзвёздном пространстве и областях звездообразования. По некоторым оценкам, в ПАУ может находиться значительная доля всего космического углерода. Однако долгое время астрономы чаще видели общие спектральные признаки целого семейства таких веществ, чем могли уверенно назвать конкретную молекулу.

Особенно интригующим стало обнаружение феналена в молекулярном облаке Тельца-1, известном также как TMC-1. Это тёмная область примерно в 430 световых годах от Земли, где температура газа составляет всего около 10 кельвинов, то есть приблизительно −263 °C. Здесь нет печей, молний или горячей поверхности планеты. Даже звезда ещё не обязана существовать. Поэтому появление достаточно сложной углеродной структуры требует объяснения: многие реакции при таком холоде должны практически остановиться, поскольку молекулам не хватает энергии для преодоления химических барьеров.

Александр Мебель из Международного университета Флориды и Ральф Кайзер из Гавайского университета в Маноа исследовали возможный выход из этого температурного тупика. С помощью квантово-химических расчётов они восстановили последовательность реакций, способную привести к образованию феналена в условиях холодного межзвёздного облака. Ключевая особенность такого маршрута заключается в отсутствии значительного энергетического барьера на критических этапах. Иными словами, реагирующим частицам не обязательно сначала получать мощный тепловой толчок.

Это кажется противоречащим бытовому опыту. На кухне или в двигателе повышение температуры резко ускоряет химические превращения: молекулы движутся быстрее и чаще сталкиваются с достаточной энергией. Но межзвёздная химия играет по несколько иным правилам. Некоторые реакционноспособные частицы способны взаимодействовать практически при первом подходящем столкновении, а энергия последующих перестроек химических связей сама поддерживает дальнейшую цепочку превращений. Поэтому температура окружающей среды около 10 кельвинов ещё не означает полного прекращения химии.

Фенален интересен не только сам по себе. Его существование показывает, что молекулярное облако способно создавать довольно сложные углеродные конструкции ещё до образования полноценной планетной системы. Затем начинается следующий этап. Под действием гравитации части облака уплотняются, возникает протозвезда, вокруг неё формируется диск из газа и пыли, а частицы диска постепенно собираются в более крупные тела. Молекулы, существовавшие до рождения звезды, могут пережить часть этого пути и оказаться в составе астероидов, комет и будущих планет.

Следы подобной древней химии учёные находят практически у нас под рукой. Полициклические ароматические углеводороды обнаружены в веществе астероидов, включая образцы, доставленные космическими аппаратами на Землю. Химический и изотопный состав некоторых соединений указывает на формирование или преобразование в очень холодных условиях. Таким образом, астероид может оказаться своеобразной капсулой времени, сохранившей молекулы, история которых началась раньше истории самой планеты.

Ещё более интересную роль играет межзвёздная пыль. Мельчайшие твёрдые частицы предоставляют поверхность, на которой атомы и молекулы могут задерживаться, встречаться и вступать в реакции. В почти пустом пространстве вероятность столкновения двух нужных компонентов невелика, тогда как поверхность пылинки собирает их рядом. Получается микроскопический химический верстак. На таких частицах способны формироваться вода, органические соединения и другие вещества, которые позднее включаются в состав более крупных небесных тел.

Отсюда возникает соблазнительная мысль о происхождении жизни, но здесь особенно важно не перепрыгивать через несколько ступеней доказательств. Фенален не является жизнью и не представляет собой готовый строительный блок клетки в том смысле, в каком ими являются, например, аминокислоты или компоненты нуклеиновых кислот. ПАУ вообще могут быть токсичными для современных земных организмов. Значение открытия в другом: оно показывает, насколько рано Вселенная способна начинать собирать сложные углеродные структуры.

Это меняет привычную картину химической эволюции. Можно представить, что органическая история планеты начинается после её рождения: появляется поверхность, вода, атмосфера, энергия Солнца, молнии или вулканы, а затем постепенно возникает сложная химия. Но реальность может быть гораздо интереснее. Часть молекулярной работы выполняется заранее, внутри холодного облака, из которого спустя миллионы лет сформируются звезда и окружающие её миры. Молодая планета в таком случае получает не чистый набор простейших атомов, а химическое наследство предыдущей стадии своей истории.

Это не доказывает, что жизнь распространена по Вселенной, и тем более не означает, что достаточно собрать несколько ароматических молекул, чтобы появилась клетка. Между феналеном и первым организмом лежит колоссальная химическая пропасть. Однако работа Мебеля и Кайзера показывает важную вещь: низкая температура не обязательно является непреодолимым препятствием для роста молекулярной сложности.

Поэтому ледяная темнота молекулярного облака оказывается совсем не химически мёртвым местом. В пространстве, где человеческому воображению трудно представить хоть какую-то активность, атомы углерода продолжают перестраиваться, соединяться и создавать всё более сложные структуры. Спустя миллионы лет вещество такого облака может оказаться внутри астероида, океана или молодой планеты. Мы пока не знаем, насколько далеко способен зайти этот путь без участия жизни. Но его начало, судя по всему, возможно гораздо раньше рождения самой Земли.