Pirmasis tarp žvaigždžių rastas cukrus yra chemija, ne gyvybė

Cukrus radijo spektre

Yra šios istorijos versija, kuri beveik parašo pati save: mokslininkai rado cukraus kosmose, vadinasi, gyvybės sudedamosios dalys yra visur. Skamba viliojančiai, bet tai per didelis šuolis.

Tikrasis rezultatas yra santūresnis ir įdomesnis. Naujame „Nature Astronomy“ straipsnyje Izaskun Jimenez-Serra, Juan Garcia de la Concepcion, Herma Cuppen ir kolegos praneša tarpžvaigždinėje terpėje aptikę eritruliozę. Eritruliozė yra ketozė, turinti keturis anglies atomus: tikras cukrus, chiralinė molekulė, svarbi prebiotinės chemijos keliams ir pakankamai maža, kad jos būtų galima ieškoti pagal rotacinį spektrą.

Signalas gautas iš G+0.693−0.027 – molekulinio debesies netoli Galaktikos centro, maždaug už 8,2 kiloparseko. Komanda panaudojo plačius ir labai jautrius Yebes 40 m ir IRAM 30 m teleskopų radijo tyrimus, apimančius daugiau kaip 91 GHz 7 mm, 3 mm ir 2 mm atmosferos languose. Stebėtas radijo linijas jie palygino su laboratoriniais eritruliozės rotaciniais duomenimis, priderino emisijos modelį ir tada tikrino, ar tarpžvaigždinių ledų chemija galėtų pagaminti pakankamai šios molekulės.

Svarbiausias teiginys yra būtent toks: tikra cukraus molekulė gali susidaryti ir išlikti šaltoje tarpžvaigždinėje aplinkoje pakankamai gausiai, kad ją būtų galima aptikti iš Žemės. Teiginys nėra tas, kad astronomai rado gyvybę, RNR ar tarp žvaigždžių plūduriuojantį šaukštą cukraus.

Ką padarė autoriai

• Panaudojo Galaktikos centro molekulinio debesies G+0.693−0.027 plataus dažnių diapazono radijo spektrus, gautus Yebes 40 m ir IRAM 30 m teleskopais.
• Eritruliozės ieškojo remdamiesi naujais laboratorinės rotacinės spektroskopijos duomenimis, be kurių astronominių linijų nebūtų galima patikimai atpažinti.
• Spektrus modeliavo MADCUBA-SLIM programa, taikydami vietinės termodinaminės pusiausvyros prielaidą ir atsižvelgdami į daugiau kaip 180 kitų molekulinių rūšių, jau nustatytų šiame spektrinėmis linijomis perpildytame debesyje.
• Modelio priderinimą daugiausia grindė ryškiausiomis ir mažiausiai persidengiančiomis eritruliozės linijomis.
• Eritruliozę lygino su giminingomis molekulėmis: glikolaldehidu, etilenglikoliu, gliceraldehidu, dihidroksiacetonu ir gliceroliu.
• Sukūrė kvantinės chemijos ir kinetinio Monte Karlo modelius, aiškinančius, kaip eritruliozė galėtų susidaryti ant ledinių tarpžvaigždinių dulkių grūdelių.

Ką jie nustatė

• Aptikta daug spektrinių linijų. Straipsnyje nustatyta 12 eritruliozės linijų grupių, atitinkančių 17 atskirų perėjimų. Šešios grupės, atitinkančios devynis perėjimus, laikomos daugiausia nepersidengiančiomis; likutinė kitų linijų tarša jose neviršija 25%.
• Šalta ir silpnai spinduliuojanti molekulė. LTE modelis duoda $11.3 \pm 1.8$ K sužadinimo temperatūrą ir $(8.7 \pm 0.8) \times 10^{13}$ cm⁻² stulpelinį tankį, kai centrinis greitis yra 69 km/s, o linijos plotis – 22 km/s.
• Nedidelis, bet išmatuojamas gausumas. Apskaičiuotas eritruliozės gausumas H₂ atžvilgiu yra $(6.4 \pm 0.6) \times 10^{-10}$.
• Trumpesnių cukrų neaptikta. Analogiški trijų anglies atomų cukrūs – gliceraldehidas ir dihidroksiacetonas – neaptikti; jų viršutinės ribos yra atitinkamai ≤$4 \times 10^{-11}$ ir ≤$7 \times 10^{-11}$. Taigi šiame šaltinyje eritruliozės, regis, yra bent 8–17 kartų daugiau nei šių C3 cukrų.
• Atsitiktinio sutapimo tikimybė įvertinta tiesiogiai. Šešioms mažiausiai persidengiančioms savybėms autoriai apskaičiavo 0,2% atsitiktinio linijų sutapimo tikimybę. Net naudojant tik tris ar keturias nepersidengiančias linijas, jų nurodomi pasikliautinumo lygiai yra 95,2% ir 98,3%.
• Yra tikėtinas cheminis susidarymo kelias. Modelyje eritruliozė susidaro ant amorfinio vandens ledo iš dviejų mažesnių C2 rūšių, kurių debesyje jau gausu: glikolaldehido ir etilenglikolio. Geriausiai atitinkančiose simuliacijose metanolio, glikolaldehido, etilenglikolio ir eritruliozės kiekiai nuo stebimų skiriasi ne daugiau kaip penkis kartus, tačiau neaptiktų C3 cukrų modelis pagamina maždaug 25–70 kartų per daug.

Kodėl tai nėra tiesiog „cukrus kosmose“

Ankstesnėse astronomijos antraštėse glikolaldehidas kartais vadintas „paprasčiausiu cukrumi“. Jis chemiškai giminingas cukrams ir svarbus prebiotinei chemijai, tačiau straipsnyje aiškiai daromas skirtumas: glikolaldehidas yra hidroksialdehidas, o ne tikras sacharidas. Eritruliozė kitokia. Ji yra monosacharidas ir ketozė, o autoriai ją apibūdina kaip pirmąjį tarpžvaigždinėje terpėje aptiktą cukrų.

Tai svarbu todėl, kad gyvybės kilmės chemijoje cukrus dažnai tenka laikyti pradine žaliava. Ribozės ir gliukozės rasta meteorituose bei asteroido Bennu mėginiuose, tad dalis cukrų atsargų galėjo būti nežemiškos kilmės. Tačiau cukrui gimininga molekulė meteorite nėra tas pats, kas cukrus dujose ir dulkėse tarp žvaigždžių. Šis darbas grandinę pastumia vienu žingsniu atgal: iki pirminių mažųjų kūnų, iki meteoritų, iki planetų.

Rezultatas įdomus ir tuo, kad cheminiu požiūriu jis kiek netikėtas. Paprastai tarpžvaigždinėse cheminių junginių šeimose didėjant anglies atomų skaičiui didesnių molekulių gausumas smarkiai mažėja. Čia keturių anglies atomų cukrus aptinkamas, o analogiški trijų anglies atomų cukrūs – ne. Autoriai teigia, kad susidarymo ir skilimo keliai ant ledinių grūdelių šioje aplinkoje gali būti palankesni būtent eritruliozei.

Ko tai neįrodo

• Tai nerodo gyvybės kosmose. Cukraus molekulė yra prebiotinė chemija, ne biologija.
• Tai nėra ribozės, RNR ar DNR aptikimas. Eritruliozė vandeninėje terpėje gali izomerizuotis į giminingas aldozes ir dalyvauti prebiotiniuose keliuose, bet ji nėra RNR cukrinė grandinės dalis.
• Tai nerodo biologinio chirališkumo pasirinkimo. Eritruliozė yra chiralinė, tačiau radijo stebėjimas nustato molekulę; jis nematuoja enantiomerinio pertekliaus ir nerodo, kad vyrautų viena molekulės „ranka“.
• Tai neįrodo, kad ši molekulė pasiekė ankstyvąją Žemę. Straipsnyje svarstomas galimas atgabenimas mažaisiais Saulės sistemos kūnais, bet tai yra išvada, grindžiama gausumu, meteoritų chemija ir Saulės sistemos istorija, o ne tiesioginis matavimas.
• Tai nereiškia, kad išspręsta gyvybės kilmės problema. Vienos molekulių klasės tiekimas nėra tas pats, kas metabolizmo, replikacijos ar ląstelių atsiradimas.
• Tai nepašalina viso aptikimo neapibrėžtumo. Įrodymai stiprūs, tačiau šaltinyje gausu spektrinių linijų, todėl autoriai daug dėmesio skiria jų persidengimui – būtent ten gali atsirasti klaidingų identifikacijų.
• Apskaičiuotas atgabenimo kiekis nėra išmatuotas dydis. Straipsnyje vertinama, kad vėlyvojo intensyvaus bombardavimo metu į ankstyvąją Žemę galėjo patekti maždaug (0.5–50) × $10^{9}$ kg eritruliozės, tačiau šis skaičius priklauso nuo kelių prielaidų, o autoriai pažymi, kad pati tokio bombardavimo samprata yra ginčijama.

Kiek tvirti yra įrodymai?

Tai nėra vienos spektrinės linijos aptikimas, kuriam vėliau pritaikyta patraukli istorija. Rezultatas remiasi laboratorine spektroskopija, plataus diapazono radijo apžvalga, keliais tinkamo dažnio ir greičio perėjimais, kiekybiniu linijų modeliu ir aiškia persidengimo analize. Šešios daugiausia nepersidengiančios savybės sudaro pagrindinį įrodymo branduolį; kitos linijos ir bendras modelio atitikimas suteikia papildomo nuoseklumo. Sudėtingam molekuliniam debesiui tai yra rimta aptikimo strategija.

Silpnesnė dalis yra ne pati molekulės identifikacija, o platesnė interpretacija apie gyvybės kilmę. Cheminis modelis rodo, kad eritruliozė gali pagrįstai susidaryti ant ledinių grūdelių iš mažesnių molekulių, o stebimas jos gausumas patenka į tinkamą bendrą intervalą. Tačiau modelis vis dar smarkiai pervertina kai kurių neaptiktų C3 cukrų kiekį ir neaprašo viso kelio nuo tarpžvaigždinio ledo iki ankstyvosios Žemės reakcijų tinklo. Tiltas nuo „ši molekulė egzistuoja kosmose“ iki „ji padėjo prasidėti gyvybei“ yra tikėtinas, bet neįrodytas.

Todėl tiksliausia išvada tokia: astrocheminis aptikimas stiprus; susidarymo chemija tikėtina; biologinė reikšmė – spekuliatyvi.

Kodėl tai svarbu

Prebiotinei chemijai reikia žaliavų. Kai kurias molekules, naudojamas gyvybės kilmės scenarijuose, paprastomis ankstyvosios Žemės sąlygomis nėra lengva pagaminti pakankamais kiekiais. Vienas galimas sprendimas – medžiagų pristatymas iš išorės: kometos, asteroidai ir meteoritai atgabena molekules, kurios susidarė anksčiau, šaltesnėse ir neįprastesnėse aplinkose.

Šis darbas tokiam scenarijui suteikia konkretesnį ankstesnį šaltinį. Jis rodo, kad bent vienos rūšies tikras cukrus gali susidaryti pačioje tarpžvaigždinėje terpėje, dar prieš medžiagai tampant mažųjų kūnų dalimi. Tai nereiškia, kad gyvybė neišvengiama. Tačiau tai rodo, kad pradinė cheminė „atsargų dėžė“ nėra vien planetinė: dalis svarbios chemijos gali prasidėti dar prieš susidarant planetoms.

Geriausia šios istorijos versija nėra „gyvybės sudedamosios dalys yra visur“. Ji siauresnė: šaltame molekuliniame debesyje netoli Galaktikos centro yra aptinkamo chiralinio cukraus, o jį kurianti chemija gali vykti ant ledinių dulkių grūdelių. To jau pakanka, kad rezultatas būtų svarbus.

Trumpa santrauka

Astronomai praneša pirmą kartą tarpžvaigždinėje terpėje aptikę tikrą cukraus molekulę – eritruliozę, chiralinę keturių anglies atomų ketozę, esančią Galaktikos centro debesyje G+0.693−0.027. Įrodymai remiasi keliomis radijo spektrinėmis linijomis, stebėtomis Yebes 40 m ir IRAM 30 m teleskopais, jų priderinimu prie laboratorinių spektrinių duomenų ir susidarymo ant ledinių dulkių grūdelių modeliu. Rezultatas svarbus todėl, kad parodo: dalis prebiotinių cukrų chemijos gali vykti dar prieš susidarant planetoms ir meteoritams. Tai nėra gyvybė, ribozė ar RNR ir neįrodo, kad tokios molekulės pradėjo biologiją Žemėje. Tai stiprus astrocheminis aptikimas su atsargia išvada: kosmose gali susidaryti didesnė prebiotinių molekulių įvairovė, nei iki šiol žinojome.