Рибоза и другие сахара могут синтезироваться в частицах межзвездного льда под действием ультрафиолетового излучения

В космосе обнаружены разнообразные органические вещества, однако о механизмах их формирования известно немного. Астрофизики и химики из Франции, Дании и Мексики экспериментально показали, что в условиях, имитирующих ранние стадии формирования планетных систем, в водяном льду с примесью метанола и аммиака под действием ультрафиолетового излучения образуются всевозможные углеводы, включая рибозу — важнейшую составную часть РНК. Авторы предполагают, что химический процесс, приводящий к синтезу этих углеводов, схож с автокаталитической реакцией Бутлерова, хотя и не нуждается в присутствии двухвалентных ионов металлов.

Со времен знаменитого эксперимента Миллера – Юри, с которого фактически началась современная пребиотическая химия, ученые обнаружили целый ряд естественных обстановок, в которых может идти абиогенный синтез органики (см. ссылки в конце новости).

Такой синтез возможен не только в вулканических источниках или в атмосфере планет, но и в открытом космосе, где органические вещества — совсем не редкость. Простейшие органические молекулы есть в межзвездном газе; в метеоритах определенного типа (углистых хондритах, которые считаются остатками первичного вещества протопланетного диска) найдена разнообразная и довольно сложная органика, в том числе аминокислоты и азотистые основания (см.: Murchison meteorite); доказано присутствие органики в кометах (см: F. Goesmann et al., 2015. Organic compounds on comet 67P/Churyumov-Gerasimenko revealed by COSAC mass spectrometry). Это говорит о том, что молодая Земля с самого начала могла иметь в своем составе немало органических веществ (и периодически получать дополнительные порции из космоса).

На роль главной космической «фабрики» по производству органики уверенно претендует космическая пыль, входящая в состав молекулярных облаков, из которых формируются звезды, и протопланетных дисков (см.: В. Н. Снытников. Астрокатализ как стартовый этап геобиологических процессов. Жизнь создает планеты?).

Считается, что на ранних этапах формирования планетных систем синтез органики происходит под действием ультрафиолетового излучения в ледяных «мантиях», покрывающих силикатные или углеродистые частицы космической пыли. В состав этого «докометного льда» (precometary ice) входят, помимо воды, метанол (CH3OH), аммиак (NH3) и ряд других веществ. Исследователи уже научились моделировать в лаборатории процессы, происходящие в таком льду в условиях, приближенных к реальным космическим, то есть при крайне низких температурах и давлениях. Ранее уже было показано, что под действием ультрафиолета в замороженной смеси воды, метанола и аммиака образуются разнообразные аминокислоты (M. Nuevo et al., 2007. Enantiomeric separation of complex organic molecules produced from irradiation of interstellar/circumstellar ice analogs), а также альдегиды, в том числе простейшие сахара: гликольальдегид и глицеральдегид (P. de Marcellus et al., 2015. Aldehydes and sugars from evolved precometary ice analogs: Importance of ices in astrochemical and prebiotic evolution).

В новой статье, опубликованной в журнале Science, астрофизики и химики из Франции, Дании и Мексики сообщили об очередном успехе на пути к пониманию органической химии космоса. Авторы облучали ультрафиолетом в вакууме тонкий слой искусственного «докометного льда», состоящего из воды, метанола и аммиака в пропорции 10:3,5:1, охлажденного до температуры 78 K (−195°С). Полученную смесь веществ нагревали до комнатной температуры (при этом тоже, конечно, могли происходить какие-то химические реакции) и анализировали при помощи мощнейшей современной методики: двухмерной газовой хроматографии — времяпролетной масс-спектрометрии (GC×GC-TOFMS; см.: W. Welthagen et al., 2005. Comprehensive two-dimensional gas chromatography–time-of-flight mass spectrometry (GC×GC-TOF) for high resolution metabolomics: biomarker discovery on spleen tissue extracts of obese NZO compared to lean C57BL/6 mice; подробное описание методики дано в дополнительных материалах к обсуждаемой статье).

Применение этой высокочувствительной методики позволило выявить, наряду с уже детектированными в ходе прежних экспериментов простейшими углеводами, целый ряд четырех-, пяти- и шестиуглеродных моносахаридов и родственных соединений (сахарных спиртов и кислот). Важнейшие из обнаруженных молекул показаны на рис. 2.

В подобных экспериментах обычно труднее всего даже не синтезировать интересные органические вещества, а, во-первых, точно их идентифицировать, во-вторых — доказать, что обнаруженное вещество не проникло извне в результате случайного загрязнения. С первой задачей исследователи справляются всё лучше при помощи постоянно развивающихся аналитических методов (см.: Получены новые результаты старого эксперимента Стэнли Миллера, «Элементы», 20.10.2008). Вторую проблему авторы обсуждаемой статьи решили при помощи изотопной метки: метанол, единственный источник углерода в их системе, содержал только один тяжелый изотоп углерода 13С, в природе составляющий лишь 1% от общего количества атомов углерода (остальные 99% в основном приходятся на легкий изотоп 12С). Весь углерод в синтезированных сахарах представлен тяжелым изотопом, что доказывает их аутентичность.

Судя по набору получившихся молекул, химический процесс, происходящий в «докометном льду» под действием ультрафиолета, похож на знаменитую автокаталитическую реакцию Бутлерова (рис. 3; см. также: Химикам удалось стабилизировать абиогенный синтез сахаров, «Элементы», 24.02.2010). Как и в реакции Бутлерова, в ходе эксперимента наряду с сахарами синтезировались сахарные спирты и сахарные кислоты, а также молекулы с разветвленными углеродными цепями — гидроксиметилглицерол и гидроксиметилтетритол. Правда, в отличие от классической реакции Бутлерова, процессы, происходящие в «докометном льду» под действием ультрафиолета, не нуждаются в присутствии двухвалентных ионов металлов, таких как Ca2+.

Авторы придают большое значение тому факту, что среди полученных веществ в заметном количестве присутствует рибоза — ключевой компонент сахарофосфатного скелета РНК. До недавних пор абиогенный синтез рибозы считался обязательным этапом абиогенного синтеза рибонуклеотидов — составных блоков РНК. Правда, в 2009 году был найден замечательный «обходной путь», позволяющий в правдоподобной обстановке получить рибонуклеотиды, минуя стадию свободной рибозы (см.: Химики преодолели главное препятствие на пути к абиогенному синтезу РНК, «Элементы», 18.05.2009). Тем не менее, демонстрация возможности синтеза разнообразных сахаров в крупицах межзвездного льда имеет большое значение для пребиотической химии. Полученные результаты в целом хорошо согласуются с тем, что астрофизикам уже удалось узнать об органической химии космоса в ходе изучения межзвездного газа, метеоритов и комет.

Источник: Cornelia Meinert, Iuliia Myrgorodska, Pierre de Marcellus, Thomas Buhse, Laurent Nahon, Søren V. Hoffmann, Louis Le Sergeant d’Hendecourt, Uwe J. Meierhenrich. Ribose and related sugars from ultraviolet irradiation of interstellar ice analogs // Science. 2016. V. 352. P. 208–212.

См. также об абиогенном синтезе органики:

1) В. Н. Снытников. Астрокатализ как стартовый этап геобиологических процессов. Жизнь создает планеты?

2) Гидротермальные источники — колыбель жизни на Земле?, «Элементы», 30.10.2006.

3) Получены новые результаты старого эксперимента Стэнли Миллера, «Элементы», 20.10.2008.

4) Тайна происхождения жизни скоро будет разгадана?, «Элементы», 12.01.2009.

5) Химики преодолели главное препятствие на пути к абиогенному синтезу РНК, «Элементы», 18.05.2009.

6) Цианосульфидный протометаболизм — верный путь к земной жизни, «Элементы», 24.03.2015.

Александр Марков