Pirmais starp zvaigznēm atrastais cukurs ir ķīmija, nevis dzīvība

Cukurs radiospektrā

Šim stāstam ir versija, kas gandrīz uzrakstās pati: zinātnieki kosmosā atrada cukuru, tātad dzīvības sastāvdaļas ir visur. Tas ir vilinoši — un pārāk ātri.

Patiesais rezultāts ir precīzāks un interesantāks. Jaunā Nature Astronomy rakstā Izaskun Jimenez-Serra, Juan Garcia de la Concepcion, Herma Cuppen un kolēģi ziņo par eritrulozes noteikšanu starpzvaigžņu vidē. Eritruloze ir četru oglekļa atomu ketoze — īsts cukurs, hirāla molekula, ķīmiski nozīmīga prebiotiskos procesos un pietiekami maza, lai to meklētu pēc rotācijas spektra.

Signāls nāk no G+0.693−0.027 — molekulārā mākoņa netālu no Galaktikas centra, aptuveni 8.2 kiloparseku attālumā. Komanda izmantoja plaša frekvenču diapazona, ļoti jutīgus radiospektroskopiskos apsekojumus ar Yebes 40 m un IRAM 30 m teleskopiem, kopā aptverot vairāk nekā 91 GHz 7 mm, 3 mm un 2 mm atmosfēras logos. Novērotās radiolīnijas tika salīdzinātas ar laboratorijā izmērītiem eritrulozes rotācijas datiem, emisija tika modelēta, un pēc tam autori pārbaudīja, vai starpzvaigžņu ledus ķīmija spēj radīt pietiekamu šīs molekulas daudzumu.

Tas ir svarīgais apgalvojums: īsta cukura molekula var veidoties un saglabāties aukstā starpzvaigžņu vidē pietiekamā daudzumā, lai to no Zemes noteiktu. Apgalvojums nav, ka astronomi atraduši dzīvību, RNS vai karoti cukura, kas peld starp zvaigznēm.

Ko autori darīja

• Izmantoja plaša diapazona radiospektrus no Galaktikas centra molekulārā mākoņa G+0.693−0.027, kas iegūti ar Yebes 40 m un IRAM 30 m teleskopiem.
• Meklēja eritrulozi, balstoties uz neseniem laboratorijas rotācijas spektroskopijas datiem, bez kuriem astronomiskās līnijas nevarētu droši identificēt.
• Modelēja spektrus ar MADCUBA-SLIM lokālā termodinamiskā līdzsvara režīmā, ņemot vērā vairāk nekā 180 citas molekulāras sugas, kas jau identificētas šajā ar līnijām bagātajā mākonī.
• Pielāgojumu koncentrēja uz spilgtākajām un vismazāk pārklātajām eritrulozes pazīmēm.
• Salīdzināja eritrulozi ar radniecīgām molekulām: glikolaldehīdu, etilēnglikolu, gliceraldehīdu, dihidroksiacetonu un glicerīnu.
• Izveidoja kvantu ķīmijas un kinētiskā Montekarlo modeļus, lai pārbaudītu, kā eritruloze varētu veidoties uz ledainiem starpzvaigžņu putekļu graudiem.

Ko viņi atklāja

• Noteikšanu ar vairākām līnijām. Rakstā identificētas 12 eritrulozes līniju kopas, kas atbilst 17 atsevišķām pārejām. Sešas no šīm kopām, kopā deviņas pārejas, klasificētas kā pārsvarā nepārklātas, ar atlikušo piesārņojumu ne lielāku par 25%.
• Aukstu un vāju molekulu. LTE pielāgojums dod ierosmes temperatūru $11.3 \pm 1.8$ K un kolonnas blīvumu $(8.7 \pm 0.8) \times 10^{13}$ cm⁻², pie centrālā ātruma 69 km/s un līnijas platuma 22 km/s.
• Nelielu, bet izmērāmu daudzumu. Aprēķinātais eritrulozes daudzums ir $(6.4 \pm 0.6) \times 10^{-10}$ attiecībā pret H₂.
• Īsāku cukuru nav. Līdzīgie trīs oglekļa atomu cukuri — gliceraldehīds un dihidroksiacetons — netika noteikti; to augšējās robežas ir attiecīgi ≤$4 \times 10^{-11}$ un ≤$7 \times 10^{-11}$. Tātad šajā avotā eritrulozes ir vismaz 8–17 reižu vairāk nekā šo C3 cukuru.
• Nejaušas līniju sakritības iespēja ir novērtēta tieši. Sešām vismazāk pārklātajām pazīmēm autori lēš nejaušas sakritības varbūtību 0.2%. Pat izmantojot tikai trīs vai četras nepārklātas līnijas, viņi ziņo attiecīgi par 95.2% un 98.3% ticamības līmeni.
• Ir ticams veidošanās ceļš. Modelī eritruloze uz amorfa ūdens ledus veidojas no divām mazākām C2 molekulām, kuru mākonī jau ir daudz — glikolaldehīda un etilēnglikola. Labākās simulācijas metanola, glikolaldehīda, etilēnglikola un eritrulozes daudzumu atveido piecu reižu robežās, lai gan nenoteiktos C3 cukurus pārvērtē aptuveni 25–70 reizes.

Kāpēc tas nav tikai „cukurs kosmosā”

Agrāk astronomijas virsrakstos glikolaldehīdu dažkārt sauca par „vienkāršāko cukuru”. Tas ir ķīmiski saistīts ar cukuriem un svarīgs prebiotiskajā ķīmijā, taču raksts rūpīgi nošķir jēdzienus: glikolaldehīds ir hidroksialdehīds, nevis īsts saharīds. Eritruloze ir cita. Tā ir monosaharīds, ketoze, un autori to raksturo kā pirmo starpzvaigžņu vidē ziņoto cukuru.

Tas ir svarīgi, jo dzīvības izcelsmes ķīmijā cukuri bieži jāpieņem kā sākuma izejvielas. Riboze un glikoze ir atrastas meteorītos un asteroīda Bennu paraugos, kas liecina, ka daļai cukuru krājuma var būt ārpuszemes izcelsme. Taču ar cukuriem saistītu molekulu atrast meteorītā nav tas pats, kas noteikt cukuru gāzē un putekļos starp zvaigznēm. Šis raksts pārbīda ķēdi par vienu posmu atpakaļ — pirms mazajiem Saules sistēmas ķermeņiem, pirms meteorītiem un pirms planētām.

Rezultāts ir arī ķīmiski neparasts noderīgā veidā. Parasti, palielinoties starpzvaigžņu molekulu ģimenes oglekļa atomu skaitam, lielāko locekļu kļūst daudz mazāk. Šeit četru oglekļa atomu cukurs ir noteikts, bet līdzīgie trīs oglekļa atomu cukuri — ne. Autori argumentē, ka veidošanās un noārdīšanās ceļi uz ledus graudiem šajā vidē var būt salīdzinoši labvēlīgi tieši eritrulozei.

Ko tas nepierāda

• Tas neparāda dzīvību kosmosā. Cukura molekula ir prebiotiska ķīmija, nevis bioloģija.
• Tas neparāda ribozi, RNS vai DNS. Eritruloze ūdens vidē var izomerizēties par radniecīgiem aldozes savienojumiem un piedalīties prebiotiskos ceļos, taču tā nav RNS cukura mugurkauls.
• Tas neparāda bioloģisku hiralitātes pārsvaru. Eritruloze ir hirāla, bet radio novērojums identificē molekulu; tas nemēra enantiomēru pārpalikumu un neparāda, ka dominē viena molekulārā „roka”.
• Tas nepierāda, ka šī molekula nonāca uz agrīnās Zemes. Raksts apspriež iespējamu piegādi ar maziem debess ķermeņiem, taču tā ir ekstrapolācija no daudzuma, meteorītu ķīmijas un Saules sistēmas vēstures.
• Tas nenozīmē, ka „dzīvības izcelsmes” problēma ir atrisināta. Vienas molekulu klases piegāde nav tas pats, kas vielmaiņas, replikācijas vai šūnu izveidošanās.
• Tas neizņem nenoteiktību no noteikšanas problēmas. Pierādījumi ir stipri, bet avotā ir ļoti daudz spektrālo līniju, un raksts rūpīgi analizē to pārklāšanos, jo tieši tur var rasties kļūdainas identifikācijas.
• Tas nepadara piegādes aplēsi par mērījumu. Rakstā lēsts, ka Vēlīnā smagā bombardējuma laikā uz agrīnās Zemes varēja nonākt aptuveni (0.5–50) × $10^{9}$ kg eritrulozes, taču šis skaitlis balstās uz vairākiem pieņēmumiem, un autori norāda, ka pati bombardējuma aina ir apstrīdēta.

Cik pārliecinoši ir pierādījumi?

Šī nav viena spektrālā līnija, kurai pievienots stāsts. Noteikšana balstās uz laboratorijas spektroskopiju, plašu radio apsekojumu, vairākām pārejām pareizajās frekvencēs un ātrumos, kvantitatīvu līniju modeli un tiešu pārklāšanās analīzi. Sešas pārsvarā nepārklātās pazīmes veido pierādījumu kodolu; pārējās līnijas un kopējais pielāgojums pievieno savstarpēju saskanību. Sarežģītam molekulāram mākonim tā ir nopietna noteikšanas stratēģija.

Vājākā daļa nav pati identifikācija, bet plašākais stāsts par dzīvības izcelsmi. Ķīmiskais modelis rāda, ka eritruloze ticami var veidoties uz ledus graudiem no mazākām molekulām, un novērotais daudzums ir aptuveni pareizajā diapazonā. Taču modelis joprojām rada pārāk daudz dažu nenovēroto C3 cukuru un neizseko pilnu ceļu no starpzvaigžņu ledus līdz agrīnās Zemes reakciju tīklam. Tilts no „šī molekula pastāv kosmosā” līdz „tas palīdzēja sākties dzīvībai” ir ticams, nevis pierādīts.

Tāpēc skaidrais statuss ir: stipra astroķīmiska noteikšana; ticams veidošanās mehānisms; spekulatīva bioloģiskā nozīme.

Kāpēc tas ir svarīgi

Prebiotiskajai ķīmijai ir izejvielu problēma. Dažas molekulas, kas nepieciešamas dzīvības izcelsmes scenārijos, vienkāršos agrīnās Zemes apstākļos nav viegli izveidojamas pietiekamā daudzumā. Viens iespējamais risinājums ir piegāde no ārpuses: komētas, asteroīdi un meteorīti atnes molekulas, kas veidojušās agrāk, aukstākā un citādākā vidē.

Šis raksts šai idejai pievieno konkrētāku avotu vēl agrākā posmā. Tas rāda, ka vismaz viens īsts cukurs var veidoties pašā starpzvaigžņu vidē, pirms materiāls nonāk mazajos ķermeņos. Tas nepadara dzīvību neizbēgamu. Tas tikai padara sākotnējo ķīmisko inventāru mazāk lokālu — daļa attiecīgās ķīmijas var sākties vēl pirms planētu pastāvēšanas.

Labākā šī stāsta versija nav „dzīvības sastāvdaļas ir visur”. Tā ir šaurāka: aukstā molekulārā mākonī pie Galaktikas centra ir nosakāms hirāls cukurs, un tā veidošanās ķīmija var darboties uz ledainiem putekļu graudiem. Ar to jau pietiek.

Īss kopsavilkums

Astronomi ziņo par pirmo īsta cukura molekulas noteikšanu starpzvaigžņu vidē: eritrulozi — hirālu četru oglekļa atomu ketozi — Galaktikas centra mākonī G+0.693−0.027. Pierādījumi nāk no vairākām radio pārejām, kas novērotas ar Yebes 40 m un IRAM 30 m teleskopiem, salīdzinātas ar laboratorijas spektrālajiem datiem un atbalstītas ar veidošanās modeli uz ledainiem putekļu graudiem. Rezultāts ir svarīgs, jo rāda, ka viena prebiotisko cukuru ķīmijas daļa var notikt vēl pirms planētu un meteorītu veidošanās. Tā nav dzīvība, ne riboze, ne RNS un nav pierādījums, ka šādas molekulas uz Zemes ierosināja bioloģiju. Tā ir stipra astroķīmiska noteikšana ar rūpīgi ierobežotu secinājumu: kosmoss spēj radīt lielāku prebiotisko izejvielu daļu, nekā līdz šim zinājām.