Органический космос

Американские астрономы обнаружили органические молекулы около звезды солнечного типа, из ядра которой выбрасываются в космическое пространство большие массы углерода.
Фото Reuters

Какие только природные феномены не рассматривались в качестве возможного спускового механизма зарождения органической формы жизни во Вселенной. Тут и вулканическая деятельность, и каталитическая активность природных минералов, и процессы полимеризации, происходящие в хвостах комет и в глубоком космосе при абсолютном нуле... Российские исследователи предприняли очередную попытку расставить все точки над «i» в этих спорах.

Органические молекулы, включая полимерные цепочки, аминокислоты и их фрагменты, могут быть синтезированы в процессах сверхскоростного столкновения мельчайших частиц материи. К такому выводу в ходе лабораторных экспериментов пришли ученые под руководством профессора Георгия Манагадзе из Института космических исследований РАН совместно с коллегами из лаборатории прикладной физики университета Джона Хопкинса во главе с доктором Дериком Бринкерхоффом. Если быть более точным, то, согласно проведенным экспериментам, синтез органических веществ происходит в плазменном выбросе, который образуется при ударе, если в сталкивающихся телах имеются атомы углерода и элементы, образующие органические вещества (H, N, O).

У этой гипотезы сразу несколько сильных сторон.

Во-первых, такого рода события – сверхскоростные столкновения пылевых частиц, – можно сказать, самая заурядная вещь во Вселенной. Они постоянно происходят в межзвездных газопылевых облаках и уж наверняка происходили на раннем этапе формирования Земли из газопылевого облака. Для моделирования плазменного выброса, идентичного возникающему при ударе о поверхность движущегося со скоростью около 100 км/с микрометеорита, российско-германская исследовательская группа использовала импульсный лазер. Когда проверили на масс-спектрометре состав образовавшегося плазменного хвоста, то оказалось, что в нем присутствуют ионы сложных органических молекул: аминокислот и их фрагментов, линейные цепочки углерода, фуллерены (шарообразные молекулы, состоящие из десятков и сотен атомов углерода) и предположительно массивные (до 5000 атомных единиц) объекты, подобные нанотрубкам.

Во-вторых, естественно предположить, что синтезированные в ударных процессах органические вещества могли сыграть определяющую роль в процессе зарождения жизни во Вселенной. Кстати тут пришлось и недавнее сообщение от астрономов из Университета Огайо (США), обнаруживших относительно тяжелые органические молекулы около звезды солнечного типа, расположенной в туманности Красного Прямоугольника, из ядра которой выбрасываются в космическое пространство большие массы углерода. И вот – совсем свежее открытие: сотрудники Университета имени Вашингтона в Сент-Луисе обнаружили в составе космической пыли в стратосфере Земли молекулы многоатомных органических соединений, возраст которых заметно превышает время существования Солнечной системы.

Впрочем, даже всего этого еще отнюдь недостаточно для строгого объяснения феномена возникновения жизни.

«Огромная гамма органических соединений возникает вне эволюционной линии жизни, включая аминокислоты, альдегиды, нуклеиновые основания, – подчеркивает президент Международной ассоциации геохимии и космохимии, директор Института геохимии и аналитической химии имени В.И. Вернадского РАН академик Эрик Галимов. – То есть до некоторой степени организационной сложности мир не требует какого-то особого механизма эволюции. Случайное образование глицина, например, с высокой вероятностью возможно. А вот случайное образование даже короткого белка и его последующее воспроизведение – это крайне маловероятная вещь.

Здесь-то и должен начать работать некий механизм, который позволит получить эти соединения».

Другими словами, надо искать какой-то признак, по которому принципиально отличаются живая и мертвая материи. И такой признак в принципе уже давно известен ученым.

В 1848 году Луи Пастер открыл зеркальную изомерию органических молекул. Оказалось, что многие молекулы могут существовать в двух структурных формах, схожих и вместе с тем отличных друг от друга, как левая и правая ладонь человеческой руки. В мире молекул есть точные аналогии правой и левой рук – так называемые молекулы зеркальные антиподы. Такие зеркально отраженные формы одного и того же химического соединения называют оптическими изомерами («левыми» и «правыми») – они вращают плоскость поляризации проходящего через них света в противоположные стороны. Эта особенность молекул существовать в двух зеркально-антиподных формах получила название «хиральность» (от греческого «хирос» – рука).

«Оказывается, что живой природе присуща абсолютная хиральная чистота: белки содержат только «левые» аминокислоты, а ДНК и РНК – только «правые» сахара, – пояснял принципиальную важность оптических изомеров в беседе со мной еще десять лет назад академик Виталий Гольданский. – Если равное содержание в смеси левых и правых изомеров – а в химии такие смеси называются рацематами – это зеркально симметричное состояние вещества, то хиральная чистота соответствует полному нарушению его зеркальной симметрии. Именно в этом и состоит отличие живой природы – вернее, одно из отличий! – от мертвого неорганического мира. Да и от предбиологического органического мира. Неживая природа – это рацемат».

Академик Гольданский с коллегами занимался как раз выяснением причин нарушения в живой природе этой зеркальной симметрии. По его мнению, право-левая асимметрия современной биосферы – результат спонтанного нарушения зеркальной симметрии в природе. Механизм процесса нарушения зеркальной симметрии – когда и почему он был «запущен», в конце концов, никуда не деться и от «антинаучного» вопроса: зачем это понадобилось Универсуму? – эти вопросы до сих пор остаются едва ли не самыми волнующими в современной науке. «Нас интересует проблема того, как в мире, где уже возникли простейшие органические молекулы, как в таком мире могли возникнуть простейшие биологические структуры», – подчеркивал Виталий Гольданский. Только что появившееся сообщение о работе группы химиков из университета Аризоны, возможно, несколько приближает нас к ответу на эти сакральные вопросы мироздания.

Оказывается, в том, что молекула ДНК закручена по часовой стрелке, а все аминокислоты – исключительно против часовой, виноваты┘ метеориты.

Смоделировав влияние древнего метеорита, который упал в «бульон» из равного количества «правой» и «левой» органики, который существовал на Земле несколько миллиардов лет назад, химик Сандра Пиццарелло из университета Аризоны и ее коллеги показали, как химия жизни могла обрести склонность закручиваться в одном направлении.

Дело в том, что один из способов получить закрученные в одну сторону молекулы – это использование молекулы-образца, некоей исходной матрицы. Поэтому группа Пиццарелло занялась поиском такой матрицы, которая могла бы присутствовать, когда жизнь зарождалась на Земле. Внимание исследователей привлек метеорит, упавший на австралийский город Мурчисон в 1969 году. Этому камню более 4,5 млрд. лет – то есть он примерно такого же возраста, как и планета Земля. Интересно, что и возраст гена оценивается в 3,8 млрд. лет!

Так вот, было известно, что этот метеорит содержал примерно на треть больше левозакрученных аминокислот, чем правозакрученных. Причину, вызвавшую такую неравномерность, мы теперь вряд ли сможем узнать точно. Один из возможных сценариев – поляризованный свет какой-нибудь нейтронной звезды мог избирательно разрушить больше правозакрученных молекул, оставив избыток левозакрученных форм.

Итальянские химики смешали эти аминокислоты (обе формы: и «левую», и «правую» – в тех же пропорциях, как на метеорите) с двумя углеродными соединениями, которые, как считаются, были распространены на Земле, – глюкоальдегидом и формальдегидом. В ходе реакции получилась треоза – простой сахар, распространенный в живых существах. Удивительно, но в итоге правозакрученного сахара было на 5% больше. По мнению Сандры Пиццарелло, этого вполне достаточно для начала распространения асимметрии в сахарах.

Интересный момент: одна из аминокислот, найденная в Мурчисонском метеорите, помогает молекулам сворачиваться в спираль. То есть до начала хирально чистой жизни после этого остается уже даже не шаг – полшага.

Одним словом, приобретает буквальный смысл чисто литературная, казалось бы, аллюзия со знаменитой строчкой из стихотворения Иосифа Бродского: «┘как будто жизнь качнется вправо, / качнувшись влево».