Согласно результатам исследования, гамма-излучение способно преобразовывать метан, распространенный в космическом пространстве, в сложные соединения, включая углеводороды и аминокислоты, при обычной температуре. Вероятно, эти процессы играют важную роль в образовании и распространении сложных органических молекул во Вселенной, что, в свою очередь, может способствовать возникновению жизни.
Существует распространенная гипотеза, согласно которой жизнь появилась из сложных органических соединений, образовавшихся в космосе. Эти соединения, вероятно, возникли из более простых молекул, широко распространенных в космическом пространстве. Космические лучи, такие как гамма-лучи и рентгеновское излучение, могут обеспечить энергию, необходимую для такого рода химических реакций.
«Высокоэнергетические фотоны, известные как гамма-лучи, часто присутствуют в космических лучах и образуются при распаде нестабильных изотопов. Они способны обеспечивать энергию, необходимую для протекания химических реакций в простых молекулах, содержащихся в ледяных оболочках межзвездной пыли и ледяных межзвездных зёрнах », — поясняет Вэйсинь Хуан, научный сотрудник Университета науки и технологий Китая, в публикации Wiley Online Library. « Вероятно, из метана (CH4), распространенного в межзвездной среде, могут образоваться более сложные органические молекулы ».
Органические молекулы преимущественно содержат углерод (C), водород (H), кислород (O) и азот (N), при этом CH4 выступает в качестве источника углерода и водорода. Исследования демонстрируют, что под воздействием гамма-излучения и при температуре -196 °C твердый CH4 формирует сложные углеводороды, состоящие до семи атомов углерода и шестнадцати атомов водорода. Также, облучение метана гамма-излучением с энергией 5 кэВ и при температуре -268 °C может приводить к образованию углеводородов, содержащих 22 атома углерода.
Большинство исследований, посвященных изучению этих космических процессов, проводились в условиях, имитирующих вакуум космоса и крайне низкие температуры. В то же время, на Земле и на других планетах, расположенных в обитаемой зоне своих звездных систем, давление и температура значительно выше, а метан и другие простые молекулы существуют в газообразном и жидком состояниях.
Хуанг и его коллеги полагают, что реакции, протекающие в условиях, имитирующих земные, и в обитаемых зонах, вероятно, создают условия для формирования сложных органических соединений, которые могли бы стать основой для возникновения жизни. « Взаимодействие космических лучей и энергичных частиц с простыми молекулами, вероятно, способствовало эволюции более сложных молекул на крупных твердых телах и, возможно, даже стало причиной зарождения жизни, однако это явление исследовалось лишь изредка », — согласно их исследованию, которое недавно было опубликовано в журнале .
Вода и кислород выступают в роли катализаторов, увеличивая скорость химических реакций
В ходе исследования ученые анализировали взаимодействие метана в газовой и водной средах под воздействием высокоэнергетического гамма-излучения при комнатной температуре. Для эффективного преобразования CH4 также применялся нестабильный изотопный распад кобальта-60. Кроме того, была оценена роль добавления других веществ, включая воду и кислород.
Варьирование состава и количества сложных молекул зависит от используемого исходного сырья, как показал анализ исследователей. Воздействие гамма-излучения на чистый метан приводит к незначительному выходу продуктов, формируя в основном этан (C2H6), пропан (C3H8) и водород. Напротив, наличие кислорода способствует ускорению реакции и увеличению количества образующихся веществ, в частности диоксида углерода (CO2), монооксида углерода (CO), этилена (C2H4) и воды. При наличии воды и в водной фазе метан производит ацетон (C3H6O) и третичный бутиловый спирт ((CH3)3COH), а в газообразной фазе — этан и пропан.
В результате добавления аммиака происходит образование более сложных молекул, например, глицина (C2H5NO2) — аминокислоты, которая была обнаружена в космическом пространстве. « Используя гамма-излучение, глицин можно синтезировать из метана, кислорода, воды и аммиака — веществ, которые широко распространены в космическом пространстве », — поясняет Хуанг. Полученные данные указывают на то, что радикалы O2 и OH оказывают значительное влияние на скорость протекания реакций и их выход, причем это влияние не зависит от температуры. Исходя из этого, можно предположить, что подобные реакции довольно часто происходят в космическом пространстве.
Увеличение избирательности при наличии твердых включений
Наличие в межзвездной пыли твердых частиц, включая диоксид кремния, оксид железа, силикат магния и оксид графена, влияет на селективность получаемых продуктов. Так, диоксид кремния позволяет достичь превращения метана в уксусную кислоту (CH3COOH) с селективностью 82 %. Ученые считают, что вариабельность состава космической пыли могла способствовать различиям в распределении сложных органических молекул в космическом пространстве.
Полученные данные открывают новые перспективы для изучения эволюции сложных органических молекул в космическом пространстве. Кроме того, они могут способствовать разработке более экономичных и эффективных технологий преобразования метана для промышленного использования. « Благодаря доступности гамма-излучения как источника энергии, которое безопасно и стабильно при контролируемых условиях, появляется новая возможность использовать метан в качестве углеродного ресурса для эффективного преобразования в продукты с высокой добавленной стоимостью. Это решение давней проблемы промышленной синтетической химии, заключающейся в необходимости проведения реакций в щадящих условиях », — заключает Хуанг.