(с) Leiden University Linnartz/Tielens
Российские ученые воссоздали на земле условия, благодаря которым в космосе при низких температурах образуются «кирпичики жизни» — полициклические ароматические углеводороды. Как это приближает нас к разгадке тайны возникновения жизни, «Газете.Ru» рассказал соавтор работы Валерий Азязов, директор Самарского филиала Физического института имени П.Н. Лебедева РАН (ФИАН).
— Как проводился этот эксперимент и какую он имеет связь с победившим в конкурсе мегагрантов Самарским филиалом ФИАН?
— Мегагрант правительства Российской Федерации «Происхождение и эволюция органических молекул в нашей Галактике» был запущен в прошлом году, а соглашение было заключено в июне. Понятно, что готовую установку за такое время построить было тяжело, поэтому эксперименты первоначально проводились в лаборатории ведущего ученого этого проекта, руководителя мегагранта, профессора Гавайского университета на Маноа Ральфа Кайзера. Он проводит такие эксперименты на своей установке на Гавайях. Там же работал один из наших ученых, Иван Антонов, который находился в США несколько месяцев, он тоже участвовал в этих экспериментах, в том числе с этой установкой.
Валерий Азязов. (с) Из личного архива
Прежде не было до конца ясно, как образуются те органические молекулы, что выявляются, например, радиотелескопами или по излучению в других электромагнитных диапазонах — в видимом свете, в инфракрасной области. Считалось, что жесткое излучение оказывает на органику губительное воздействие, и молекулы в таких условиях просто разбиваются на части. Однако на самом деле молекулы не только диссоциируют под воздействием этого излучения, при этом идут также реакции синтеза по укрупнению этих молекул.
В газовой фазе концентрация этих молекул очень невелика. Поэтому скорость образования этих молекул и вероятность того, что излучение, которое распространяется в космосе, воздействует на них, недостаточны, чтобы за время существования туманности образовались какие-то сложные молекулы. В результате было выдвинуто предположение, что процессы идут в твердой фазе, где концентрация частиц высокая, и подобные реакции могут быть инициированы космическим излучением.
Если какая-то частица попадает на песчинку, покрытую льдом, то может произойти взаимодействие — примерно так же появляется видимый трек в камере Вильсона — пока высокоэнергичная частица летит, она выбивает из молекулы вторичные электроны, соответственно могут образовываться химические радикалы, которые затем объединяются.
В своих экспериментах мы на пластинку осаждаем пленку льда и тем самым воспроизводим тот лед, что находится в космических условиях, затем запускаем в камеру соответствующие газы, и они будут осаждаться на этой пластинке. И далее контролируем толщину этой пластинки. После того, как мы наморозили слой, скажем, в 1 мкм, мы держим эту пластинку при температуре 10 К и начинаем бомбардировать ее разными частицами, в частности, ультрафиолетом — то есть фотонами жесткого диапазона.
Молекул, которые наблюдаются в космосе, бесчисленное множество, и понять, как образуется та или иная молекула — это означает решить отдельную задачу. Этим предстоит заниматься еще многим лабораториям долгие годы.
— Вы предполагаете продолжить эти эксперименты, построив установку в Самаре, где будут изучаться другие молекулы и другие типы излучения?
— Да, конечно. Такие лаборатории есть не только у нас, они есть в Китае, в Соединенных Штатах и т.д.
Экспериментальная установка строится в Самарском филиале ФИАН. Это вакуумная камера, в которой создается разрежение 10-11 мм рт. ст., чтобы приблизиться к космическим условиям, потом предполагается намораживать лед на пластине, которая будет охлаждаться до 10 К. Система для откачки воздуха включает в себя последовательность безмасляных турбомолекулярных насосов для того, чтобы избежать загрязнений земной органикой.
Мы будем намораживать лед, запуская в камеру контролируемое количество газов, например, пары воды, кислород, CO, CO2, N2. Молекулярные облака в космосе обладают примерно таким же составом газов и пыли, температура там низкая, и газы просто конденсируются на поверхности песчинок, образуя соответствующие слои. При 10 K все эти составляющие, естественно, будут налипать на песчинки в виде льда. Образуется, в частности, метановый лед — если говорить о простейшей органике, — все это осаждается в виде льдов на этих песчинках. Подобная установка действовала и на Гавайях.
— А в космосе не предполагаются эксперименты на спутниках или на МКС?
— Нам требуется выполнять эксперименты в строго контролируемых условиях. Космическое излучение бывает самым разным, в том числе и по энергиям. Конечно, этот лед можно наморозить, выставить за борт космического корабля и подождать, что там будет со временем. Но там же еще нужно будет диагностику проводить. А как в космосе все это делать? На данный момент необходимости в подобных космических экспериментах пока нет. Гораздо удобнее это делать в лабораторных, хорошо прогнозируемых и строго контролируемых условиях.
Когда мы бомбардируем образец электронами, то воспроизводим те условия, в которых эволюционирует какая-либо туманность.
В начале она долгое время находится при данной криогенной температуре, там образуются песчинки, а на песчинках — молекулы в виде льда. Если возникнет какая-то флуктуация плотности в каком-то месте туманности, то газ начинает сжиматься. При сжатии, коллапсе, он нагревается, температура в нем начинает подниматься. Получается 10 К, 50 К, 100 К, потом 300 К. И эти молекулы, которые были во льду, начинают при повышении температуры сублимироваться, переходить в газовую фазу. В области звездообразования, где звезда только-только начинает образовываться, в этот момент еще ничего нет, но уже нагрелась какая-то центральная часть этого облака. И когда эти молекулы начинают выходить в газовую фазу, наши радиоастрономы их и регистрируют по спектрам. Таким образом зарегистрировано уже несколько сот молекул.
Помимо регистрации молекул астрономами, к нам на Землю попадают метеориты, их собирают и изучают состав. И там тоже находят эти молекулы. Еще один путь обнаружения сложных органических молекул из космоса — это вещество, доставленное с комет и астероидов, например, с кометы Чурюмова — Герасименко, куда летала автоматическая межпланетная станция Rosetta. То же самое проделывали японские аппараты «Хаябуса» и «Хаябуса-2», доставившие образцы грунта с астероидов Итокава и Рюгу.
Молекулы эти везде присутствуют, а теперь надо понять, как же они образуются. Это важно потому, что тем самым мы ищем ответ на вопрос о том, как появилась жизнь, где образовались исходные сложные молекулы. То ли они образовались уже на Земле, то ли Вселенная так устроена, что эти молекулы образуются в самых разных местах самыми разными способами. Один из возможных сценариев — образование в туманностях за счет воздействия космических лучей. Чтобы химическая реакция при низких температурах пошла, надо сделать молекулы активными, сообщить им энергию. После того, как молекулы при воздействии частиц разлетелись на куски, образовались какие-то радикалы, они начинают реагировать со своим окружением, создавая новые молекулы.
Есть и второй возможный вариант, где можно искать фабрики таких молекул. Речь может идти о финальной стадии эволюции небольших звезд, похожих на наше Солнце. Спустя миллиарды лет Солнце, выработав в своих недрах водород, перейдет на другой процесс синтеза, будет жечь другое термоядерное «горючее». Гравитация при этом уже не справляется, и звезда сильно раздувается, переходя в стадию красного гиганта. Считается, что Солнце тогда поглотит Меркурий, Венеру и, возможно, Землю.
И когда дело дойдет до Земли, температура на ее поверхности будет уже не такая высокая, порядка 2000 К, при этом тоже могут образовываться активные молекулы.
Затем происходит сброс внешних оболочек звезды, сама она превращается в белого карлика, а вокруг нее образуется так называемая планетарная туманность. И в этой туманности будет содержаться бульон из самых разных молекул, а не только простейшие гелий и водород.
— То есть смерть звезды на каком-то очередном витке может дать начало новой жизни?
— Да, космическое пространство не стоит представлять исключительно холодным, безжизненным и состоящим исключительно из простых соединений, максимум молекул воды. Образуются бесчисленные фуллерены, наночастицы, нанотрубки, графен. Но на данном этапе мы больше занимаемся углеводородами. Потому что это основа жизни. А если в эту «ароматику» начинают внедряться еще и атомы азота, то получаются уже практически пребиотические молекулы.
— Но для того, чтобы эти «кирпичики жизни» развились в жизнь, они же должны еще попасть в какое-то подходящее место? И где это может быть: на планетах, спутниках — в какой именно части Солнечной системы?
— Главное, что стадия образования крупных молекул из мелких может успешно протекать даже в космосе. И это — часть ответа на вопрос, одиноки ли мы во Вселенной или еще где-то есть жизнь. После таких исследований вероятность всех этих событий увеличивается. Если подобные молекулы есть везде в космосе, то вероятность зарождения жизни тоже увеличивается.
Но для появления привычной нам жизни, конечно, нужна вода и достаточно высокая температура. Хотя и в Антарктиде, где -50°С, находят живые организмы, которые живут во льду и как-то двигаются. И на Марсе они могут сохраняться до сих пор — конечно, в первую очередь, где-то не на поверхности, а чуть глубже. Их там ищут целенаправленно марсианские аппараты. И на некоторых спутниках планет-гигантов, где есть вода, которая покрыта льдом, возникновение жизни не исключается. Порой просто хорошо видно, как бьют гейзеры, как там вода испаряется, — это происходит, например, на Европе и Энцеладе. Поскольку там действуют мощные приливные силы планет-гигантов, Юпитера и Сатурна, внутренности спутников начинают нагреваться. Раз идет пар — значит, там есть тепло, есть энергия. А если заработает внутри какой-то вулкан, то тоже выделятся газы. В принципе, считается, что в этих местах тоже может быть жизнь.
— Называют еще Титан, но там, если жизнь и может развиться, то, видимо, какого-то иного, не земного типа, на другой основе?
— Да, там органики на самом деле много, и у того же Ральфа Кайзера, руководителя нашего гранта, имеется масса работ по Титану. Там в том числе наблюдались облака желтого цвета, состоящие из какой-то органики. Но не надо забывать и про экзопланеты. В скором времени появятся новые данные по спектрам излучения и поглощения атмосфер, можно будет выяснить, есть ли там вода, есть ли кислород, озон. Если все это есть и температура соответствующая, то может возникнуть жизнь. Вот и в атмосфере Венеры есть углекислый газ CO2, он диссоциирует, появляется кислород, там обнаружены «маркеры жизни» — спектральные линии газа фосфина, но все это, конечно, еще нуждается в подтверждении.
У Ральфа Кайзера есть работы про возможность жизни иного типа — когда вместо углерода используется кремний, то есть жизнь, возможно, способна развиться и на основе кремния.
Он изучает подобные соединения, берет и смотрит, как образуются соответствующие молекулы, каковы их свойства, как они реагируют друг с другом. Таблица Менделеева, конечно, большая, но все это работает не со всеми элементами. По богатству соединений, которые может обеспечить углерод, с ним на самом деле не может соревноваться даже кремний.
— Но ведь идея мегагранта прежде всего в международном сотрудничестве? А не будет ли сейчас проблем, в том числе с оборудованием?
— Все так. Но вместе можно сделать очень много хороших вещей, зная потенциал друг друга. Тем более, что уже было потрачено на все это немало усилий. Был потрачен год, и бросать это дело не в чьих интересах. Сложности, конечно, появились, не без этого, и они не только у нас, они у всех ученых. Научное оборудование изготавливается в разных странах, много делается в Китае, а много — в Европе, здесь всюду интернациональная работа — кто-то делает хорошо одно, кто-то — другое. Самодостаточных стран нет.
— В 2030 году в России планируется запустить очередную космическую обсерваторию, на этот раз работающую в миллиметровом и инфракрасном диапазонах, «Миллиметрон». Он поможет искать новые сложные молекулы?
— Да, он должен позволить регистрировать спектры в миллиметровом диапазоне, но это лишь одна из его задач. На самом деле, он решает еще более фундаментальные задачи, но в принципе, если его настроить на нужный диапазон, то он позволяет и наши задачи решать. Скорее всего, так и будет, когда его все-таки запустят.
Авторы:
Максим Борисов
Павел Котляр
