Астрономы обнаружили изопропанол в облаке космического газа. Это одно из наиболее сложных органических соединений, когда-либо найденных в межзвездном пространстве. В связи с этим открытием Naked Science рассказывает о происхождении органических веществ в ледяных космических пустотах и о том, что они могут рассказать нам о возможности существования жизни за пределами Земли.
Астрономы использовали радиотелескоп ALMA, являющийся одним из самых передовых в мире обнаружили в межзвездном облаке Стрелец B2 (Sgr B2) спирт изопропанол. Наряду со своим братом-близнецом пропанолом это самый сложный спирт и вообще одно из сложнейших химических соединений, найденных в межзвездном веществе. Открытие поможет ученым разобраться, откуда в космосе берутся органические вещества, которые, возможно, служат питательной средой для возникновения жизни.
Пропанол, также известный как пропиловый спирт, представляет собой спирт с химической формулой C 3H7Пропанол используется в производстве парфюмерных изделий, а также входит в состав дезинфицирующих средств для кожи и других продуктов (важно помнить, что его употребление внутрь категорически запрещено).
Это уже третий спирт, зафиксированный в космическом пространстве. Ранее были идентифицированы метанол (CH 3OH) и этанол (C2H5Легко увидеть, что молекула пропанола имеет более сложную структуру: она содержит 12 атомов. Хотя девятиатомный этанол был рассмотрен ранее, он не является причиной нашей привязанности к нему.
Вообще, на сегодня в межзвездной среде обнаружены молекулы 276 веществ, органических или нет (ниже мы поговорим о том, как астрономы обнаруживают в космосе химические соединения). Лишь 19 из них состоят из 12 и более атомов. Если не считать фуллеренов C 60 и C70, самым сложным «межзвездным» соединением является цианонафталин C 10H7CN. Молекулы, содержащие двадцать атомов, не сильно отличаются по размеру от двенадцати. Поэтому пропанол является не только самым крупным спиртом, но и одним из наиболее сложных соединений, когда-либо найденных в межзвездной среде.
Внимательный читатель может спросить: какое отношение имеет пропанол к обсуждаемому изопропанолу? Ведь это практически одно и то же вещество. Изопропанол, также известный как 2-пропанол, отличается от пропанола лишь положением атомов в молекуле. Гидроксильная группа (OH) присоединена не к конечному, а к центральному атому углерода.
Астрономы, использующие ALMA, ранее выявили пропанол в облаке Стрелец B2. Теперь к нему присоединился изопропанол, его структурный аналог. Обнаружение изопропанола оказалось сложной задачей. ALMA, являясь самым чувствительным инструментом в своем классе радиоволн, позволил астрономам зафиксировать это соединение; в противном случае его было бы невозможно увидеть.
Ученым необходимо точно определить концентрацию пропанола и изопропанола в межзвездном облаке и установить соотношение между ними. В чем заключается значимость этого исследования? Дело в том, что эти соединения имеют схожую молекулярную структуру, а следовательно, близкие химические и физические характеристики. Существует крайне мало процессов, которые бы отдавали предпочтение одному веществу над другим. Это серьезное ограничение для любой теории, стремящейся объяснить формирование органических соединений в холодных облаках межзвездной среды. Ученые ценят строгие наблюдательные ограничения, поскольку они позволяют исключать ошибочные модели и более точно понимать происходящие процессы.
Субстрат жизни
Изначально термин «органический» обозначал «происходящий из живой природы». Естествоиспытатели использовали его для веществ, получение которых, как им казалось, невозможно без участия живых организмов. Однако это представление было опровергнуто еще в начале XIX века, и сегодня оно полностью утратило свою актуальность. Несмотря на это, прилагательное «органический» прочно закрепилось за определенными соединениями. Поэтому современные авторы учебников сталкиваются с задачей определения этого термина, чтобы в него попадали, например, метан и мочевина, но не вода и углекислый газ.
Мы не будем уделять особое внимание точности формулировок. Вместо этого отметим, что фундаментом почти любой органической молекулы — цепочка из атомов углерода. По бокам к этим углеродным звеньям крепятся атомы других элементов, чаще всего водорода.
Иногда такие соединения состоят всего из нескольких атомов, формируя простейшие органические вещества, такие как этанол и пропанол, о которых говорилось ранее. Однако атомы углерода могут также образовывать цепи значительной протяженности. Так, в молекуле полиэтилена в ряд расположены тысячи атомов. Сложные многоатомные молекулы, безусловно, являются отличительной чертой органической химии.
Даже полиэтилен кажется простым по сравнению с ДНК человека, состоящей из миллиардов углеродных связей. Однако жизнь – это самое сложное химическое явление, известное науке. Неудивительно, что для ее поддержания необходимы чрезвычайно сложные соединения.
Органический» уже не равнозначен «биологический», хотя «биологический» чаще всего и подразумевает «органический». Белки, жиры, углеводы, ДНК и другие вещества относятся к органическим соединениям. Жизнь, которую мы знаем, невозможна без сложной органики. Неудивительно, что ученые проявляют большой интерес к органическим веществам в космосе.
Когда органика старше звезд
Органические вещества довольно распространены в Солнечной системе. Их присутствие зафиксировано на планетах и спутниках, кометах и астероидах, на ледяных объектах пояса Койпера, а также в метеоритах. Однако, когда именно сформировалась эта органика? Появилась ли она уже после формирования планет? Или же возникла раньше, в протопланетном диске, окружавшем молодое Солнце? Возможно, ее возраст превышает возраст нашей звезды, и она была доставлена к нам из протозвездного облака?
Правильный ответ на этот вопрос зависит от того, о какой именно органике идет речь. Определенные органические соединения формируются в Солнечной системе и возникают в настоящее время. К примеру, считается, что оранжевое свечение в атмосфере Титана вызвано органическими веществами, которые образуются под воздействием солнечного ультрафиолета. В то же время, органика присутствовала и в протопланетном диске. Некоторые метеориты, образовавшиеся раньше планет. О составе протосолнечного вещества известно крайне мало. В метеоритах эпизодически обнаруживаются его микроскопические включения, известные как пресолярные зерна. Однако это лишь незначительный объем данных. Поиск свидетельств событий, произошедших 5 миллиардов лет назад, представляет собой сложную задачу!
К счастью, в Галактике существует множество областей, где звезды формируются в настоящее время. Одной из таких областей является Стрелец B2.
Космос никуда не торопится
Межзвездное пространство — это не абсолютный вакуум. Общая масса вещества, распределенного в нем, сопоставима с суммарной массой звезд. Более того, именно из этого вещества формируются новые светила, поэтому его нельзя игнорировать.
Встретить молекулы там непросто, а уж тем более химические реакции – задача еще более сложная. Если выбрать случайную точку в Млечном Пути, водород, скорее всего, будет в виде плазмы или одиночных атомов, а не в виде молекул H 2.
Несмотря на это, в Галактике существуют облака, состоящие из молекулярного водорода. Масса таких образований может достигать миллионов солнечных масс. Облака эти характеризуются огромными размерами и неоднородностью. В них формируются области повышенной плотности, где достаточно вещества для появления новых звезд. Именно эти области представляют собой химические «котели» Вселенной. Однако, если вам кажется, что они находятся в состоянии бурного кипения, это не так.
Начальный уровень концентрации газа крайне низок, что позволяет определить по радиоволнам, излучаемым молекулами водорода. Расстояние между соседними молекулами в среднем составляет несколько метров – по земным стандартам это практически вакуум. Также не порадует химика и температура, лишь на несколько градусов превышающая абсолютный ноль.
Состав этой материи практически не изменился со времен, когда во Вселенной еще не образовались звезды. Она по-прежнему в основном состоит из самых простых элементов: 77% водорода и 21% гелия. На все остальные элементы, представленные в таблице Менделеева, приходится менее 2%. Чему и с чем тут реагировать?
В рассеянном облаке плавают микроскопические твердые частицы, унаследованные от ушедших поколений звезд. Именно на их поверхности протекают химические реакции. Межзвездный химический «котел» располагает огромным запасом времени. Процессы, занимающие на Земле считанные секунды, там растягиваются на сотни тысяч и миллионы лет. Космические лучи способствуют протеканию реакций, срывая электроны с некоторых атомов и превращая их в ионы, которые значительно более активны, чем нейтральные атомы.
Действительно, некоторые из образующихся молекул вызвали бы недоумение у земного химика. К примеру, молекула OH (не H 2Когда эти две молекулы соединятся, получится молекула воды!» — воскликнет химик. «Они не смогут соединиться», — ответит астроном с улыбкой. Однако в межзвездных облаках присутствуют и обычные вещества, такие как формальдегид и уксусная кислота.
Темный лес органики
Астрономы определяют состав далеких межзвездных облаков, анализируя излучение, которое испускают или поглощают содержащиеся в них вещества. Молекулы взаимодействуют с электромагнитным излучением на специфических частотах, формируя спектральные линии. У каждого вещества есть уникальный набор таких линий, подобный индивидуальным отпечаткам пальцев. Чтобы этот спектральный «след» был заметен с Земли, необходимо достаточное количество вещества в поле зрения телескопа. При этом важна не концентрация, которая обычно очень низкая, а суммарная масса.
У молекул, состоящих из десяти атомов, может насчитываться до тысячи спектральных линий, и многие из них остаются неизвестными ученым. Рядом с ними располагаются линии других молекул, которые сливаются в сложную, запутанную картину. Поэтому идентификация спектральной линии представляет собой более сложная задача, чем ее обнаружение. В результате мы до сих пор не располагаем исчерпывающим списком компонентов межзвездной среды.
Со временем в эксплуатацию вводятся более современные телескопы. Кроме того, лаборатории собирают информацию о спектральных линиях различных веществ. Астрономы XXI века столкнутся с захватывающей задачей: провести полный учет межзвездной органики. Это позволит выяснить, какую роль она играет в зарождении жизни на планетах.