Без пыли нет жизни: доказано, что органика рождается прямо внутри космических частиц

Космос кажется пустым только на первый взгляд. На самом деле пространство между звездами заполнено газом и микроскопическими твердыми частицами — космической пылью. Долгое время астрономы считали эту пыль просто мусором, которая заслоняет свет далеких звезд. Чуть позже ее переосмыслили, и начали воспринимать как пассивную поверхность, на которую просто намерзает лед.

Новое исследование группы ученых под руководством Алексея Потапова (Йенский университет) и коллег из Великобритании и США предлагает переосмыслить ее роль еще раз. Их работа, опубликованная в The Astrophysical Journal, доказывает: космическая пыль — это активный химический реактор. Именно она позволяет создавать сложные органические молекулы, необходимые для возникновения жизни.

Почему старые модели ошибались?

В холодных уголках Вселенной, таких как межзвездные облака, температуры опускаются почти до абсолютного нуля. В таких условиях атомы и молекулы практически не двигаются. Традиционная наука предлагала модель «луковицы»: в центре находится твердое зерно пыли, а поверх него намерзают толстые слои льда (преимущественно воды, оксида углерода и аммиака).

Согласно этой теории, зерно пыли спрятано подо льдом, не контактирует с окружающей средой и не участвует в химических реакциях.

Однако последние данные наблюдений и лабораторных экспериментов показали, что пылинки устроены иначе. Это не гладкие шарики, а пористые агрегаты силикатов или углерода. У них огромная внутренняя площадь поверхности. И, что самое важное, они часто не покрыты сплошной коркой льда. Это открывает доступ к самой поверхности пылинки.

Как заставить молекулы встретиться?

Химия — это наука о встречах. Чтобы произошла реакция, реагенты должны столкнуться. В твердом теле при температуре минус 193 (80 Кельвинов) градуса Цельсия это кажется невозможным. Молекулы зафиксированы на своих местах.

Исследователи поставили перед собой задачу выяснить, могут ли молекулы перемещаться сквозь твердую пыль, и сталкиваться между собой.

Для этого они использовали установку «Jena Dust Machine», которая имитирует условия открытого космоса. Эксперимент был построен так:

1. Нижний слой: лед аммиака (NH3).
2. Средний слой: пористая силикатная пыль (аналог космической пыли, силикат магния).
3. Верхний слой: лед углекислого газа (CO2).

Реагенты были физически разделены слоем камня толщиной от 10 до 210 нанометров, что достаточно чтобы понять будет ли она препятствовать взаимодействию.

Что произошло внутри пыли?

Ученые нагрели образец до 80 Кельвинов. Это температура, характерная для протопланетных дисков — областей вокруг молодых звезд, где формируются планеты.

Результаты спектрального анализа показали появление нового вещества: карбамата аммония (NH4+NH2COO-).

Это означает две вещи:

1. Диффузия работает. Молекулы CO2 и NH3 не остались на местах. Они проникли в поры силикатной пыли, прошли сквозь нее и встретились.
2. Эффективность. Реакция прошла с высоким выходом продукта. Почти 50% молекул углекислого газа превратились в карбамат аммония.

Карбамат аммония — это ионное твердое тело, которое содержит сложный органический фрагмент. Оно считается предшественником мочевины — одной из базовых молекул пребиотической химии (химии, предшествующей жизни). Недавно это соединение обнаружили в реальном протопланетном диске с помощью телескопа Джеймса Уэбба.

Какова роль поверхности?

Еще одним важным выводом было то, что пыль не просто пропустила молекулы сквозь себя, а ускорила реакцию.

В газовой фазе или в чистом льду для такой реакции требуется преодолеть высокий энергетический барьер. Однако поверхность силикатной пыли обладает каталитическими свойствами. Она облегчает перенос протонов (ядер водорода) между молекулами.

Процесс выглядит так:

1. Молекулы диффундируют (перемещаются) по поверхности и внутри пор пылинки.
2. Пыль предоставляет площадку для встречи реагентов.
3. Поверхность снижает энергию, необходимую для начала реакции, действуя как катализатор.

Без пылевой прослойки, просто при смешивании льдов, образование карбамата аммония происходит иначе и требует избытка аммиака. Присутствие пористой пыли делает процесс возможным даже при равных пропорциях реагентов и направляет его по эффективному пути.

Что это меняет в понимании Вселенной?

Это исследование закрывает пробел в наших знаниях о том, как Вселенная переходит от простых элементов к сложной органике.

Раньше считалось, что для сложной химии нужны экстремальные условия или длительное облучение льдов. Теперь мы знаем, что сама структура космической пыли способствует синтезу органики. Это происходит не только в далеких холодных облаках, но и в более теплых регионах, где рождаются планеты.

Мы получили доказательство того, что строительные блоки жизни формируются не вопреки условиям космоса, а благодаря им. Пыль обеспечивает транспорт молекул и ускоряет их взаимодействие. Это фундаментально меняет оценку вероятности возникновения жизни. Химические предпосылки для нее закладываются еще на этапе формирования звездных систем, и этот процесс гораздо эффективнее, чем предполагали старые модели.

Источник: The Astrophysical Journal