В лабораториях Орхусского университета и венгерского исследовательского центра HUN-REN Atomki удалось воспроизвести химические процессы, которые десятилетиями считались невозможными за пределами планет. Физики и астрохимики показали, что пептиды в космосе образуются самопроизвольно. Результаты экспериментов заметно меняют представления о том, где именно во Вселенной могут возникать зачатки биохимии, связанной с жизнью.
Работа строилась на воссоздании условий, характерных для гигантских пылевых облаков между звёздами. Такие области растягиваются на тысячи световых лет и считаются колыбелью будущих звёздных систем. В экспериментальной установке исследователям пришлось совместить экстремальный холод, почти полный вакуум и постоянное воздействие радиации. Температура внутри камер опускалась до −260°C, а давление поддерживалось на уровне ультравысокого вакуума за счёт непрерывной откачки остаточных газов. Эти параметры нужны, чтобы поведение молекул максимально соответствовало реальной межзвёздной среде.
Ключевым объектом эксперимента был глицин — простейшая из аминокислот. Ранее астрономы и химики уже показали, что подобные соединения действительно формируются в космосе и обнаруживаются в составе пылевых облаков и метеоритов. Следующий шаг заключался в проверке более сложного сценария: могут ли такие молекулы объединяться между собой ещё до формирования планет, прямо на поверхности микроскопических пылевых частиц.
Для этого образцы глицина поместили в вакуумную камеру и подвергли облучению высокоэнергетическими протонами. Источником излучения послужил ионный ускоритель в Atomki, создающий аналоги космических лучей. В межзвёздном пространстве именно такие частицы постоянно бомбардируют пылевые зёрна, запуская цепочки химических реакций. После серии воздействий учёные проанализировали состав образовавшихся веществ.
Результаты оказались неожиданными даже для самих авторов. Молекулы глицина начали связываться друг с другом, формируя пептиды и побочный продукт реакции — воду. Это означает, что механизмы, ведущие к образованию белковых предшественников, могут работать в космосе без участия планетарных условий. Пылевые частицы, на которых происходят такие реакции, со временем входят в состав протопланетных дисков, а затем становятся частью каменистых миров.
Пептиды представляют собой короткие цепочки аминокислот. По мере усложнения и объединения таких цепей возникают белки, без которых невозможно существование известных форм жизни. По этой причине поиск молекул, стоящих на шаг ниже белков по сложности, считается одной из ключевых задач исследований происхождения жизни. Новые данные показывают, что подобные соединения могут появляться задолго до формирования планет и океанов.
Эксперименты также заставили пересмотреть устоявшуюся модель химической эволюции межзвёздных облаков. Долгое время считалось, что в таких областях способны возникать лишь самые простые молекулы, а более сложная химия запускается уже на поздних этапах, когда газ и пыль собираются в диск вокруг молодой звезды. Полученные результаты демонстрируют, что пылевые облака обладают гораздо более богатым химическим потенциалом, чем предполагалось ранее.
Из этого следует важный вывод для астробиологии. Если сложные органические соединения формируются массово ещё на стадии пылевых облаков, то их распространённость во Вселенной оказывается выше прежних оценок. Когда такие облака коллапсируют, образуя звёзды и планеты, пептиды и аминокислоты постепенно оседают на поверхности. В случае расположения подобных планет в зоне обитаемости появляется реальная возможность запуска дальнейших химических процессов, ведущих к возникновению жизни.
Связывание аминокислот в пептиды происходит по одному и тому же химическому механизму, независимо от сложности исходных молекул. По этой причине исследователи считают вероятным, что аналогичные процессы затрагивают и другие аминокислоты, не ограничиваясь глицином. Пока такие эксперименты не проведены, но команда планирует расширить спектр изучаемых соединений.
При этом пептиды и аминокислоты составляют лишь часть набора, необходимого для живых систем. Мембраны, нуклеобазы и нуклеотиды также играют фундаментальную роль в биохимии. Остаётся открытым вопрос, способны ли эти компоненты формироваться в межзвёздной среде естественным образом. Сотрудники Центра межзвёздного катализа при Орхусском университете уже работают над проверкой подобных гипотез, используя схожие подходы.
Авторы подчёркивают, что происхождение жизни по-прежнему остаётся нерешённой загадкой. Тем не менее новые данные показывают, что значительная часть молекулярного инструментария, необходимого для запуска предбиотической химии, возникает в космосе без участия планет. По мере расширения исследований список таких соединений, вероятно, будет расти, а представления о распространённости жизни во Вселенной продолжат меняться.