Աստղերի միջև հայտնաբերված առաջին իսկական շաքարը քիմիա է, ոչ կյանք

Շաքար՝ ռադիոսպեկտրում

Այս պատմության մի տարբերակ գրեթե ինքն իրեն է գրվում․ գիտնականները տիեզերքում շաքար են գտել, հետևաբար կյանքի բաղադրիչներն ամենուր են։ Գայթակղիչ է, բայց չափազանց արագ եզրակացություն է։

Իրական արդյունքը ավելի զուսպ է և ավելի հետաքրքիր։ Nature Astronomy-ում հրապարակված նոր հոդվածում Իզասկուն ԽիմենեսՍերան, Խուան Գարսիա դե լա Կոնսեպսիոնը, Հերմա Կուպենը և գործընկերները հաղորդում են միջաստղային միջավայրում էրիթրուլոզի հայտնաբերման մասին։ Էրիթրուլոզը չորս ածխածնային ատոմ ունեցող կետոզ է՝ իսկական շաքար, քիրալ մոլեկուլ, որը քիմիապես առնչվում է նախակենսաբանական ուղիներին և այնքան փոքր է, որ կարելի է որոնել նրա պտտական սպեկտրով։

Ազդանշանը գալիս է G+0.693−0.027-ից՝ Գալակտիկական կենտրոնի մոտ գտնվող մոլեկուլային ամպից, որը մեզնից մոտ 8.2 կիլոպարսեկ հեռու է։ Թիմն օգտագործել է Yebes 40 m և IRAM 30 m աստղադիտակների լայնաշերտ և շատ զգայուն ռադիոդիտարկումները՝ ընդհանուր առմամբ ընդգրկելով ավելի քան 91 GHz՝ 7 mm, 3 mm և 2 mm մթնոլորտային պատուհաններում։ Դիտված ռադիոգծերի հավաքածուն համեմատվել է էրիթրուլոզի լաբորատոր պտտական սպեկտրոսկոպիայի տվյալների հետ, ճառագայթումը մոդելավորվել է, ապա հեղինակները հարցրել են՝ արդյոք միջաստղային սառցային քիմիան կարող է այդ մոլեկուլից բավարար քանակ ստեղծել։

Սա է կարևոր պնդումը․ իսկական շաքարի մոլեկուլ կարող է առաջանալ և բավական երկար պահպանվել սառը միջաստղային միջավայրում, որպեսզի մենք այն Երկրից հայտնաբերենք։ Պնդումը այն չէ, թե աստղագետները կյանք, ՌՆԹ կամ աստղերի միջև լողացող մի գդալ շաքար են գտել։

Ինչ արեցին հեղինակները

• Օգտագործեցին G+0.693−0.027 Գալակտիկական կենտրոնի մոլեկուլային ամպի լայնաշերտ ռադիոսպեկտրները՝ Yebes 40 m և IRAM 30 m աստղադիտակներից։
• Էրիթրուլոզը որոնեցին նոր լաբորատոր պտտական սպեկտրոսկոպիայի տվյալներով, առանց որոնց աստղագիտական գծերը վստահորեն նույնականացնել հնարավոր չէր։
• Սպեկտրները մոդելավորեցին MADCUBA-SLIM-ով՝ տեղային թերմոդինամիկական հավասարակշռության պայմաններում, միաժամանակ հաշվի առնելով նույն՝ սպեկտրային գծերով հարուստ ամպում արդեն նույնականացված ավելի քան 180 մոլեկուլային տեսակ։
• Ֆիթինգը կենտրոնացրին էրիթրուլոզի ամենապայծառ և ամենաքիչ միախառնված հատկությունների վրա։
• Էրիթրուլոզը համեմատեցին հարակից մոլեկուլների՝ գլիկոլալդեհիդի, էթիլենգլիկոլի, գլիցերալդեհիդի, դիհիդրօքսիացետոնի և գլիցերինի հետ։
• Կառուցեցին քվանտաքիմիական և կինետիկ Monte Carlo մոդելներ՝ պարզելու, թե էրիթրուլոզն ինչպես կարող է առաջանալ սառցապատ միջաստղային փոշեհատիկների վրա։

Ինչ գտան

• Բազմագիծ հայտնաբերում։ Հոդվածը նույնականացնում է էրիթրուլոզի 12 գծային խմբեր, որոնք համապատասխանում են 17 առանձին անցումների։ Դրանցից վեց խմբերը՝ ինը առանձին անցում, դասակարգվել են որպես հիմնականում չմիախառնված, իսկ մնացորդային աղտոտումը գնահատվել է 25% կամ պակաս։
• Սառը և թույլ մոլեկուլ։ LTE ֆիթինգը տալիս է $11.3 \pm 1.8$ K գրգռման ջերմաստիճան և $(8.7 \pm 0.8) \times 10^{13}$ cm⁻² սյունային խտություն՝ ընդունելով 69 km/s կենտրոնական արագություն և 22 km/s գծի լայնություն։
• Փոքր, բայց չափելի առատություն։ H₂-ի համեմատ էրիթրուլոզի հաշվարկված առատությունը $(6.4 \pm 0.6) \times 10^{-10}$ է։
• Ավելի կարճ շաքարները չեն երևում։ Նմանատիպ երեք ածխածնային շաքարները՝ գլիցերալդեհիդը և դիհիդրօքսիացետոնը, չեն հայտնաբերվել․ դրանց վերին սահմաններն են համապատասխանաբար ≤$4 \times 10^{-11}$ և ≤$7 \times 10^{-11}$։ Այս աղբյուրում էրիթրուլոզը, հետևաբար, առնվազն 8–17 անգամ ավելի առատ է թվում, քան այդ C3 շաքարները։
• Պատահական համընկնման հարցը քանակապես քննարկված է։ Վեց ամենաքիչ միախառնված հատկությունների համար հեղինակները պատահական գծային համընկնման հավանականությունը գնահատում են 0.2%։ Նույնիսկ միայն երեք կամ չորս չմիախառնված գծեր օգտագործելու դեպքում նրանք հայտնում են համապատասխանաբար 95.2% և 98.3% վստահության մակարդակներ։
• Քիմիան ունի հավանական ուղի։ Մոդելում էրիթրուլոզը ամորֆ ջրային սառույցի վրա առաջանում է ամպում արդեն առատ երկու փոքր C2 տեսակներից՝ գլիկոլալդեհիդից և էթիլենգլիկոլից։ Լավագույն համապատասխանող սիմուլյացիաները մեթանոլի, գլիկոլալդեհիդի, էթիլենգլիկոլի և էրիթրուլոզի քանակները վերարտադրում են մոտ հնգապատիկ սահմաններում, թեև չհայտնաբերված C3 շաքարներն ավելցուկով են արտադրում՝ մոտ 25–70 անգամ։

Ինչու սա պարզապես «շաքար տիեզերքում» պատմություն չէ

Աստղագիտության ավելի վաղ վերնագրերում գլիկոլալդեհիդը երբեմն անվանել են «ամենապարզ շաքար»։ Այն քիմիապես առնչվում է շաքարներին և կարևոր է նախակենսաբանական քիմիայի համար, բայց հոդվածը զգուշորեն տարբերակում է հասկացությունները․ գլիկոլալդեհիդը հիդրօքսիալդեհիդ է, ոչ իսկական սախարիդ։ Էրիթրուլոզն այլ բան է։ Այն մոնոսախարիդ է, կետոզ, և հեղինակներն այն նկարագրում են որպես միջաստղային միջավայրում երբևէ հաղորդված առաջին շաքար։

Սա կարևոր է, որովհետև կյանքի ծագման քիմիական սցենարներում շաքարները հաճախ պետք է ընդունվեն որպես մեկնարկային նյութեր։ Ռիբոզ և գլյուկոզ հայտնաբերվել են երկնաքարերում և Bennu աստերոիդից բերված նմուշներում, ինչը հուշում է, որ շաքարների պաշարի մի մասը կարող է արտերկրային ծագում ունենալ։ Բայց երկնաքարում շաքարին առնչվող մոլեկուլ տեսնելը նույնը չէ, ինչ աստղերի միջև գտնվող գազում ու փոշում իսկական շաքար հայտնաբերելը։ Այս աշխատանքը շղթան մեկ քայլ հետ է տանում՝ մինչև ծնող մարմինները, մինչև երկնաքարերը, մինչև մոլորակները։

Արդյունքը նաև օգտակար իմաստով քիմիապես տարօրինակ է։ Սովորաբար, երբ միջաստղային քիմիական ընտանիքները ածխածնի ատոմներ ավելացնելով մեծանում են, ավելի մեծ անդամները շատ ավելի հազվադեպ են դառնում։ Այստեղ, սակայն, չորս ածխածնային շաքարը հայտնաբերվում է, իսկ համապատասխան երեք ածխածնային շաքարները՝ ոչ։ Հեղինակները ենթադրում են, որ սառցապատ հատիկների վրա քայքայման և առաջացման ուղիները կարող են այս միջավայրում էրիթրուլոզը հարաբերականորեն նպաստավոր դարձնել։

Ինչ սա չի ապացուցում

• Սա չի ցույց տալիս կյանք տիեզերքում։ Շաքարի մոլեկուլը նախակենսաբանական քիմիա է, ոչ կենսաբանություն։
• Սա չի ցույց տալիս ռիբոզ, ՌՆԹ կամ ԴՆԹ։ Էրիթրուլոզը ջրային պայմաններում կարող է իզոմերացվել հարակից ալդոզների և մասնակցել նախակենսաբանական ուղիների, բայց այն ՌՆԹի շաքարային կմախքը չէ։
• Սա չի ցույց տալիս կենսաբանական քիրալ ընտրություն։ Էրիթրուլոզը քիրալ է, սակայն այս ռադիոհայտնաբերումը միայն նույնականացնում է մոլեկուլը․ այն չի չափում էնանտիոմերային ավելցուկ և չի ցույց տալիս, որ մոլեկուլի մի «ձեռքը» գերակշռում է մյուսին։
• Սա չի ապացուցում, որ մոլեկուլը հասել է վաղ Երկիր։ Հոդվածը քննարկում է փոքր երկնային մարմիններով հնարավոր մատակարարումը, բայց դա արտածում է առատության, երկնաքարային քիմիայի և Արեգակնային համակարգի պատմության տվյալներից։
• Սա չի նշանակում, որ «կյանքի ծագման» խնդիրը լուծված է։ Մոլեկուլների մեկ դաս ապահովելը նույնը չէ, ինչ նյութափոխանակություն, վերարտադրություն կամ բջիջներ հավաքելը։
• Սա չի վերացնում հայտնաբերման անորոշությունը։ Ապացույցը ուժեղ է, բայց աղբյուրը սպեկտրային գծերով հարուստ է, և հոդվածը լուրջ ուշադրություն է դարձնում գծերի միախառնմանը, որովհետև հենց այնտեղ կարող են առաջանալ սխալ նույնականացումներ։
• Սա մատակարարման գնահատականը չի դարձնում չափում։ Հոդվածը գնահատում է, որ Ուշ ծանր ռմբակոծման ժամանակ վաղ Երկիր կարող էր հասնել մոտ (0.5–50) × $10^{9}$ kg էրիթրուլոզ, բայց այդ թիվը կախված է մի քանի ենթադրություններից, և հեղինակներն իրենք նշում են, որ ռմբակոծման այդ սցենարը վիճարկվել է։

Որքանո՞վ է ուժեղ ապացույցը

Հայտնաբերումը մեկ սպեկտրային գիծ չէ, որի շուրջ պատմություն է կառուցվել։ Այն հիմնված է լաբորատոր սպեկտրոսկոպիայի, լայնաշերտ ռադիոդիտարկման, ճիշտ հաճախականություններով ու արագություններով մի քանի անցումների, քանակական գծային մոդելի և միախառնման բացահայտ վերլուծության վրա։ Դեպքի միջուկը վեց հիմնականում չմիախառնված հատկություններն են․ մյուս գծերն ու ամբողջական ֆիթինգը լրացուցիչ համահունչություն են տալիս։ Բարդ մոլեկուլային ամպի համար սա լուրջ հայտնաբերման ռազմավարություն է։

Ավելի թույլ մասը ոչ այնքան մոլեկուլի նույնականացումն է, որքան կյանքի ծագման լայն մեկնաբանությունը։ Քիմիական մոդելը ցույց է տալիս, որ էրիթրուլոզը կարող է հավանականորեն ձևավորվել սառցապատ հատիկների վրա՝ փոքր մոլեկուլներից, և դիտված առատությունը լայն իմաստով ճիշտ կարգի է։ Բայց մոդելը դեռ չափազանց շատ է արտադրում չհայտնաբերված C3 շաքարներից և չի հետևում ամբողջական ուղուն՝ միջաստղային սառույցից մինչև վաղ Երկրի ռեակցիոն ցանց։ «Այս մոլեկուլը տիեզերքում գոյություն ունի»-ից մինչև «այն օգնել է կյանքի սկզբնավորմանը» կամուրջը հավանական է, ոչ ապացուցված։

Ուստի ամենազուսպ ձևակերպումն այսպիսին է․ ուժեղ աստրոքիմիական հայտնաբերում, հավանական առաջացման քիմիա, ենթադրական կենսաբանական նշանակություն։

Ինչու է սա կարևոր

Նախակենսաբանական քիմիան ունի «մատակարարման» խնդիր։ Կյանքի ծագման որոշ սցենարներում օգտագործվող մոլեկուլները պարզ վաղերկրային պայմաններում օգտակար քանակներով ստանալը հեշտ չէ։ Այդ դժվարությունը մեղմելու հնարավոր ուղիներից մեկը արտաքին մատակարարումն է․ գիսաստղերը, աստերոիդներն ու երկնաքարերը կարող են բերել ավելի վաղ՝ ավելի սառը և տարօրինակ միջավայրերում ձևավորված մոլեկուլներ։

Այս աշխատանքն այդ գաղափարին տալիս է ավելի հստակ նախնական աղբյուր։ Այն ցույց է տալիս, որ առնվազն մեկ իսկական շաքար կարող է ձևավորվել հենց միջաստղային միջավայրում՝ մինչև նյութը փակվի փոքր մարմինների մեջ։ Սա կյանքը անխուսափելի չի դարձնում։ Բայց մեկնարկային քիմիական պաշարը դարձնում է ավելի քիչ «տեղային»․ համապատասխան քիմիայի մի մասը կարող է սկսել դեռ մոլորակների գոյությունից առաջ։

Պատմության լավագույն տարբերակը «կյանքի բաղադրիչներն ամենուր են» չէ։ Ավելի նեղ ձևակերպումն արդեն բավական հետաքրքիր է․ Գալակտիկական կենտրոնի մոտ գտնվող սառը մոլեկուլային ամպում կա հայտնաբերելի քիրալ շաքար, և այն ստեղծող քիմիան կարող է աշխատել սառցապատ փոշեհատիկների վրա։ Դա ինքնին մեծ արդյունք է։

Կարճ ամփոփում

Աստղագետները հաղորդում են միջաստղային միջավայրում իսկական շաքարի մոլեկուլի առաջին հայտնաբերման մասին՝ էրիթրուլոզ, քիրալ չորս ածխածնային կետոզ, G+0.693−0.027 Գալակտիկական կենտրոնի ամպում։ Ապացույցը գալիս է Yebes 40 m և IRAM 30 m աստղադիտակներով դիտված մի քանի ռադիոանցումներից, որոնք համեմատվել են լաբորատոր սպեկտրային տվյալների հետ, քանակապես ֆիթինգվել և լրացվել սառցապատ փոշեհատիկների վրա առաջացման մոդելով։ Արդյունքը կարևոր է, որովհետև ցույց է տալիս, որ նախակենսաբանական շաքարային քիմիայի առնվազն մի տեսակ կարող է ընթանալ դեռ մոլորակների ու երկնաքարերի ձևավորումից առաջ։ Սա կյանք չէ, ռիբոզ չէ, ՌՆԹ չէ և ապացույց չէ, որ նման մոլեկուլները Երկրի վրա կենսաբանություն են «սերմանել»։ Սա ուժեղ աստրոքիմիական հայտնաբերում է՝ զգուշորեն սահմանափակ հետևությամբ․ տիեզերքը կարող է ստեղծել նախակենսաբանական նյութերի ավելի մեծ մաս, քան նախկինում գիտեինք։