Космическая сладость: эритрулоза — первый сахар в межзвёздной среде ✦
Происхождение моносахаридов в добиологических условиях — центральная проблема исследований зарождения жизни. Лабораторные синтезы дают недостаточные концентрации, а находки сахаров в метеоритах указывают на их внеземное происхождение. Впервые сообщается об обнаружении сахара (эритрулозы, хиральной C4-кетозы) в межзвёздной среде. Детектирование выполнено по данным сверхчувствительных широкополосных спектральных обзоров молекулярного облака G+0.693-0.027 в направлении центра Галактики с помощью телескопов Yebes 40m и IRAM 30m. Эритрулоза как минимум в восемь раз обильнее аналогичных трёхуглеродных сахаров, которые остались необнаруженными. Квантово-химические и астрохимические модели показывают, что эритрулоза эффективно образуется на межзвёздных пылинках из более простых двухуглеродных альдегидов и спиртов. Поскольку кетозы легко изомеризуются в альдозы в водной среде, межзвёздная эритрулоза могла пополнить запас сахаров, доступных для ранних метаболических и репликационных процессов.
Контекст
Вопрос о происхождении сахаров, необходимых для возникновения жизни, остаётся открытым: лабораторные симуляции ранней Земли не дают достаточных концентраций. Обнаружение рибозы и глюкозы в астероидах и кометах подтолкнуло к идее их внеземного синтеза. Однако до сих пор ни один сахар не был найден в межзвёздной среде, несмотря на прогресс спектроскопии со времён Йозефа фон Фраунгофера и развитие методов радиоастрономии, заложенных Чарльзом Таунсом. Гипотеза Фреда Хойла о внеземном происхождении органики ждала прямого подтверждения.
Методы
Используя широкополосную радиоспектроскопию на телескопах Yebes 40m и IRAM 30m, исследователи провели обзор молекулярного облака G+0.693, расположенного в Галактическом центре на расстоянии 8.2 кпк. Обзор покрыл более 91 ГГц в нескольких диапазонах длин волн. Для идентификации эритрулозы применялись точные лабораторные данные о вращательных переходах, полученные методом сверхбыстрой лазерной вапоризации. Анализ спектров проводился с помощью программного пакета MADCUBA-SLIM, позволившего выделить незапылённые линии и провести фит в предположении локального термодинамического равновесия.
Результаты
Эритрулоза обнаружена с колоночной плотностью (8.7±0.8)×10¹³ см⁻², что соответствует содержанию ~6.4×10⁻¹⁰ относительно молекулярного водорода. Это по крайней мере в 8 раз больше, чем верхние пределы для трёхуглеродных сахаров. Вращательная температура газа составила всего 11.3±1.8 K, что типично для холодных облаков. Спектральные линии демонстрируют хорошее согласие с моделью и имеют высокую статистическую значимость (вероятность случайного совпадения ~0.2%). Химическое моделирование показывает, что эритрулоза эффективно образуется на поверхности космических пылевых зёрен из радикалов гликолевого альдегида и этиленгликоля, особенно при высоком темпе ионизации космическими лучами, характерном для Галактического центра. Реакция протекает через стадию интеркомбинационной конверсии и практически не имеет активационного барьера на холодных льдах.
Значение
Это открытие впервые доказывает, что хиральные углерод-содержащие молекулы с четырьмя атомами кислорода могут формироваться в межзвёздной среде, а затем доставляться на планеты через астероиды и кометы. Эритрулоза способна изомеризоваться в альдозы, служа предшественником нуклеиновых кислот, в частности треозо-нуклеиновой кислоты — более простого аналога РНК. Это усиливает гипотезу о вкладе космического материала в добиотическую химию на экзопланетах и объясняет наблюдаемые энантиомерные избытки в метеоритах. Таким образом, межзвёздная среда предстаёт полноценной фабрикой добиотических сахаров.
Развитие
В будущем планируется поиск других сахаров, таких как рибоза и глюкоза, с помощью ещё более чувствительных обзоров, включая субмиллиметровые телескопы. Особый интерес представляет исследование поведения сахаров при взаимодействии с водяным льдом в условиях протопланетных дисков. Развитие лабораторных методов синтеза и спектроскопии сложных органических молекул позволит расширить список кандидатов для астрономических поисков.
Влияние
Результаты окажут влияние на астробиологию, астрохимию и планетологию, связывая химию межзвёздных льдов с добиотическими процессами на планетах.
Следующие шаги
Следующие шаги включают лабораторное уточнение скоростей реакций изомеризации и поиск эритрулозы в других облаках, включая протопланетные диски, с помощью интерферометров высокого разрешения.
Ключевые проблемы
Связь с нерешёнными проблемами: механизм возникновения биологической гомохиральности и вопрос о том, насколько распространены сахара в зонах формирования планет, что напрямую влияет на вероятность абиогенеза во Вселенной.
🎯 Эритрулоза активно используется в косметике как средство для автозагара, а теперь она найдена на расстоянии около 27 тысяч световых лет от Земли.
🎬 В романе Фреда Хойла «Чёрное облако» межзвёздные облака рассматриваются как носители жизни; обнаружение сахаров в таких облаках придаёт научное обоснование идее о космическом распространении пребиотических молекул.
Ключевые числа
- содержание эритрулозы: 6.4×10⁻¹⁰ от H₂
- колоночная плотность: 8.7×10¹³ см⁻²
- температура газа: 11.3 K
- расстояние до облака: 8.2 кпк
- превышение над C3-сахарами: в 8–17 раз