Supernova Remnant N 63A. Źródło zdjęcia: Hubble Kliknij, aby powiększyć
Życie na Ziemi stało się możliwe dzięki śmierci gwiazd. Atomy takie jak węgiel i tlen zostały wydalone w ciągu ostatnich kilku gasnących westchnień gwiazd po zużyciu ich ostatecznych zapasów paliwa wodorowego.
To, w jaki sposób te gwiazdy powstały razem, tworząc życie, jest wciąż tajemnicą, ale naukowcy wiedzą, że pewne kombinacje atomowe były konieczne. Woda - dwa atomy wodoru połączone z jednym atomem tlenu - była niezbędna do rozwoju życia na Ziemi, dlatego misje NASA poszukują teraz wody na innych światach w nadziei znalezienia życia gdzie indziej. Ważne są również cząsteczki organiczne zbudowane głównie z atomów węgla, ponieważ całe życie na Ziemi opiera się na węglu.
Najpopularniejsze teorie pochodzenia życia mówią, że niezbędna chemia pojawiła się przy otworach hydrotermalnych na dnie oceanu lub w płytkim basenie nasłonecznionym. Jednak odkrycia dokonane w ciągu ostatnich kilku lat pokazały, że wiele podstawowych materiałów do życia powstaje w zimnych głębinach kosmosu, gdzie życie, jakie znamy, nie jest możliwe.
Po wygaszeniu gwiazd wyrzucają węgiel, niektóre atomy węgla łączą się z wodorem, tworząc wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne (WWA). WWA - rodzaj sadzy węglowej podobnej do spalonych części przypalonego tostu - są najliczniejszymi związkami organicznymi w kosmosie i głównym składnikiem węglowych meteorytów chondrytowych. Chociaż PAH nie występują w żywych komórkach, można je przekształcić w chinony, cząsteczki biorące udział w procesach energii komórkowej. Na przykład chinony odgrywają istotną rolę w fotosyntezie, pomagając roślinom zamieniać światło w energię chemiczną.
Transformacja WWA zachodzi w międzygwiezdnych chmurach lodu i pyłu. Po unoszeniu się w przestrzeni sadza PAH ostatecznie skrapla się w tych „gęstych obłokach molekularnych”. Materiał w tych chmurach blokuje niektóre, ale nie całe, ostre promieniowanie kosmiczne. Promieniowanie, które filtruje, modyfikuje WWA i inne materiały w chmurach.
Obserwacje chmur w podczerwieni i radiotelefonie wykryły WWA, a także kwasy tłuszczowe, proste cukry, słabe ilości aminokwasu glicyny i ponad 100 innych cząsteczek, w tym wodę, tlenek węgla, amoniak, formaldehyd i cyjanowodór.
Z chmur nigdy nie pobierano próbek bezpośrednio - są zbyt daleko - aby potwierdzić to, co dzieje się chemicznie w chmurach, zespół badawczy pod przewodnictwem Maxa Bernsteina i Scotta Sandforda z Astrochemistry Laboratory w NASA Ames Research Center przeprowadził eksperymenty naśladujące warunki chmurowe.
W jednym eksperymencie mieszanina WWA / woda jest osadzana parowo na soli, a następnie bombardowana promieniowaniem ultrafioletowym (UV). Pozwala to naukowcom obserwować, jak podstawowy szkielet PAH zamienia się w chinony. Napromieniowanie zamrożonej mieszaniny wody, amoniaku, cyjanowodoru i metanolu (prekursor chemiczny do formaldehydu) generuje aminokwasy glicynę, alaninę i serynę - trzy najobficiej występujące aminokwasy w organizmach żywych.
Naukowcy stworzyli prymitywne struktury komórkowe lub pęcherzyki.
Ponieważ UV nie jest jedynym rodzajem promieniowania w kosmosie, naukowcy wykorzystali również generator Van de Graaffa do bombardowania WWA protonami megaelektronowymi woltowymi (MeV), które mają energię podobną do promieni kosmicznych. Wyniki MeV dla WWA były podobne, choć nie identyczne z bombardowaniem UV. Badanie MeV dla aminokwasów nie zostało jeszcze przeprowadzone.
Eksperymenty te sugerują, że promieniowanie UV i inne formy promieniowania dostarczają energię potrzebną do zerwania wiązań chemicznych w niskich temperaturach i ciśnieniach gęstych chmur. Ponieważ atomy wciąż są uwięzione w lodzie, cząsteczki nie rozpadają się, lecz zamiast tego łączą się w bardziej złożone struktury.
W innym eksperymencie prowadzonym przez Jasona Dworkina zamrożoną mieszaninę wody, metanolu, amoniaku i tlenku węgla poddano promieniowaniu UV. Ta kombinacja dała materiał organiczny, który tworzył bąbelki po zanurzeniu w wodzie. Te bąbelki przypominają błony komórkowe, które otaczają i koncentrują chemię życia, oddzielając ją od świata zewnętrznego.
Pęcherzyki wytworzone w tym eksperymencie miały od 10 do 40 mikrometrów lub mniej więcej wielkości czerwonych krwinek. Co ciekawe, bąbelki fluoryzują lub świecą pod wpływem promieniowania UV. Pochłanianie promieniowania UV i przekształcanie go w światło widzialne w ten sposób może zapewnić energię prymitywnej komórce. Gdyby takie bąbelki odgrywały rolę w początkach życia, fluorescencja mogłaby być prekursorem fotosyntezy.
Fluorescencja może również działać jak filtr przeciwsłoneczny, rozpraszając wszelkie uszkodzenia, które w przeciwnym razie zostałyby wyrządzone przez promieniowanie UV. Taka funkcja ochronna byłaby niezbędna dla życia na wczesnej Ziemi, ponieważ warstwa ozonowa, która blokuje najbardziej niszczące promienie UV Słońca, nie utworzyła się, dopóki życie fotosyntetyczne nie zaczęło wytwarzać tlenu.
Od chmur kosmicznych po nasiona życia
Gęste chmury molekularne w kosmosie ostatecznie zapadają się grawitacyjnie, tworząc nowe gwiazdy. Niektóre resztki pyłu zbijają się później, tworząc asteroidy i komety, a niektóre z tych asteroid zbierają się, tworząc jądra planet. Na naszej planecie życie powstało wtedy z wszelkich dostępnych podstawowych materiałów.
Duże cząsteczki niezbędne do budowy żywych komórek to:
* Białka
* Węglowodany (cukry)
* Lipidy (tłuszcze)
* Kwasy nukleinowe
Stwierdzono, że meteoryty zawierają aminokwasy (budulce białek), cukry, kwasy tłuszczowe (budulce lipidów) i zasady kwasów nukleinowych. Na przykład meteoryt Murchison zawiera łańcuchy kwasów tłuszczowych, różne rodzaje cukrów, wszystkie pięć zasad kwasów nukleinowych i ponad 70 różnych aminokwasów (życie wykorzystuje 20 aminokwasów, z których tylko sześć znajduje się w meteorycie Murchison).
Ponieważ takie meteoryty węglowe mają na ogół jednorodny skład, uważa się je za reprezentatywne dla początkowej chmury pyłu, z której narodziły się Słońce i Układ Słoneczny. Wygląda więc na to, że prawie wszystko, co potrzebne do życia, było dostępne na początku, a meteoryty i komety następnie z czasem dostarczają te materiały na planety.
Jeśli to prawda i jeśli chmury pyłu molekularnego są chemicznie podobne w całej galaktyce, składniki do życia powinny być szeroko rozpowszechnione.
Minusem abiotycznej produkcji składników do życia jest to, że żadnego z nich nie można użyć jako „biomarkerów”, które wskazują, że życie istnieje w określonym środowisku.
Max Bernstein wskazuje meteoryt Alan Hills 84001 jako przykład biomarkerów, które nie dostarczyły dowodu życia. W 1996 roku Dave McKay z NASA Johnson Space Center i jego koledzy ogłosili, że w tym marsjańskim meteorycie istnieją cztery możliwe biomarkery. ALH84001 miał globulki węgla zawierające WWA, rozkład minerałów sugerujący chemię biologiczną, kryształy magnetytu przypominające te wytwarzane przez bakterie i kształty podobne do bakterii. Chociaż nie uważano, że każdy z nich sam w sobie jest dowodem na życie, czwórka w połączeniu wydawała się przekonująca.
Po ogłoszeniu McKay'a kolejne badania wykazały, że każdy z tak zwanych biomarkerów może być również wytwarzany za pomocą nieożywionych środków. Dlatego większość naukowców jest skłonna wierzyć, że meteoryt nie zawiera skamieniałego życia obcych.
„Gdy tylko uzyskali wynik, ludzie zaczęli strzelać do nich, bo tak to działa” - mówi Bernstein. „Szanse, że nie popełnimy błędu, gdy wymyślimy biomarker na Marsie lub w Europie, będą znacznie lepsze, jeśli zrobiliśmy już ekwiwalent tego, co zrobili ci faceci po opublikowaniu przez McKaya i wsp.”
Bernstein mówi, że symulując warunki na innych planetach, naukowcy mogą dowiedzieć się, co powinno się tam dziać chemicznie i geologicznie. Następnie, gdy odwiedzamy planetę, możemy zobaczyć, jak blisko rzeczywistość odpowiada przewidywaniom. Jeśli na planecie znajduje się coś, czego nie spodziewaliśmy się znaleźć, może to wskazywać, że procesy życiowe zmieniły obraz.
„To, co masz na Marsie lub w Europie, to dostarczony materiał” - mówi Bernstein. „Ponadto masz wszystko, co powstało później, niezależnie od istniejących warunków. Więc (aby szukać życia), musisz spojrzeć na znajdujące się tam cząsteczki i pamiętać o chemii, która mogła nastąpić z czasem. ”
Bernstein uważa, że chiralność lub „sprawność ręki” cząsteczki mogą być biomarkerem na innych światach. Cząsteczki biologiczne często występują w dwóch postaciach, które chociaż chemicznie identyczne, mają przeciwne kształty: „leworęczny”, a jego odbicie lustrzane „praworęczny”. Poręczność cząsteczki wynika z wiązania atomów. Podczas gdy handedness jest równomiernie rozproszony w całej naturze, w większości przypadków żywe systemy na Ziemi mają leworęczne aminokwasy i praworęczne cukry. Bernstein twierdzi, że jeśli cząsteczki na innych planetach wykazują inne preferencje dotyczące rąk, może to wskazywać na życie obcych.
„Gdybyś pojechał na Marsa lub Europę i zobaczyłeś uprzedzenia takie same jak nasze, z cukrami lub aminokwasami o naszej chiralności, ludzie po prostu podejrzewaliby, że to zanieczyszczenie”, mówi Bernstein. „Ale jeśli zobaczysz aminokwas z odchyleniem w prawo lub jeśli zobaczysz cukier, który miał odchylenie w lewo - innymi słowy, nie w naszej formie - byłoby to naprawdę przekonujące.”
Bernstein zauważa jednak, że formy chiralne znajdujące się w meteorytach odzwierciedlają to, co widać na Ziemi: meteoryty zawierają lewoskrętne aminokwasy i prawoskrętne cukry. Jeśli meteoryty reprezentują szablon życia na Ziemi, to życie gdzie indziej w Układzie Słonecznym może również odzwierciedlać tę samą stronniczość w przekazie. Zatem dowód życia może wymagać czegoś więcej niż chiralności. Bernstein mówi, że znalezienie łańcuchów cząsteczek „takich jak kilka aminokwasów połączonych ze sobą” może być również dowodem na życie, „ponieważ w meteorytach zwykle widzimy pojedyncze cząsteczki”.
Oryginalne źródło: NASA Astrobiology
