Na Ziemię mogło spaść 50 mln ton cukru. Tak kosmos szykował życie

Astronomowie po raz pierwszy bezpośrednio wykryli cukier w przestrzeni międzygwiazdowej. Erytruloza powstała w zimnym obłoku gazu i pyłu, ale podobne cząsteczki mogły zostać zamknięte w planetoidach, a następnie dostarczone na młodą Ziemię. Według ostrożnych szacunków na naszą planetę mogło w ten sposób trafić nawet 50 mln ton tej substancji.

Erytrulozę wykryto w obłoku molekularnym G+0.693−0.027, znajdującym się w rejonie centrum Drogi Mlecznej, około 27 tys. lat świetlnych od Ziemi. Jest to jeden z najbogatszych chemicznie obszarów znanych w naszej galaktyce. W jego gazie astronomowie znaleźli już wiele złożonych cząsteczek organicznych, które mogą uczestniczyć w reakcjach poprzedzających narodziny życia.

Obłoki molekularne są ogromnymi i bardzo zimnymi skupiskami gazu oraz pyłu. To właśnie z nich powstają gwiazdy, planety, komety i planetoidy. Zanim jednak materia zbierze się w większe obiekty, na powierzchni mikroskopijnych ziaren pyłu zachodzi intensywna chemia. Drobiny są pokryte cienkimi warstwami lodu zawierającego m.in. wodę, tlenek węgla, metanol i inne proste związki. Promieniowanie ultrafioletowe, promienie kosmiczne oraz zderzenia cząsteczek dostarczają energii, dzięki której niewielkie składniki mogą łączyć się w bardziej rozbudowane struktury.

Właśnie w takim środowisku mogła powstać erytruloza. Jest to monosacharyd, czyli cukier prosty, zbudowany z czterech atomów węgla. Na Ziemi można znaleźć ją m.in. w malinach, a przemysł kosmetyczny wykorzystuje ją jako składnik samoopalaczy. W kosmosie jej znaczenie jest jednak znacznie większe niż jej ziemskie zastosowania.

Cukry tworzą szkielety RNA i DNA, są źródłem energii oraz uczestniczą w licznych reakcjach metabolicznych. Bez nich nie mogłyby funkcjonować znane nam komórki. Jedną z największych zagadek badań nad powstaniem życia pozostaje jednak to, skąd odpowiednie cukry wzięły się na młodej Ziemi. Eksperymenty próbujące odtworzyć warunki panujące na naszej planecie miliardy lat temu pokazują, że monosacharydy mogą powstawać samoczynnie, ale zwykle w niewielkich ilościach i w mieszaninach szybko ulegających rozpadowi. Kosmiczne dostawy mogły więc uzupełnić ziemski rezerwuar potrzebnych związków.

Naukowcy nie pobrali próbki erytrulozy bezpośrednio z obłoku. Cząsteczkę rozpoznali na podstawie fal radiowych docierających z centrum galaktyki. Każda cząsteczka obraca się w charakterystyczny sposób i może pochłaniać lub emitować promieniowanie o ściśle określonych częstotliwościach. Powstaje zestaw linii widmowych, który działa podobnie jak chemiczny odcisk palca. Jeżeli sygnał obserwowany w kosmosie zgadza się z pomiarami przeprowadzonymi w laboratorium, można ustalić, jaka substancja znajduje się w odległym obłoku.

Do obserwacji wykorzystano 40-metrowy radioteleskop Yebes w Hiszpanii oraz 30-metrowy teleskop IRAM. Instrumenty objęły szeroki zakres częstotliwości i pozwoliły odnaleźć 12 zestawów linii odpowiadających łącznie 17 przejściom energetycznym erytrulozy.

Część sygnałów nakładała się na linie pochodzące od innych związków, co jest częstym problemem w regionach wypełnionych setkami różnych cząsteczek. Badacze znaleźli jednak 6 szczególnie czystych zestawów, w których udział innych substancji był niewielki. Prawdopodobieństwo, że wszystkie dopasowały się do widma erytrulozy przypadkowo, oszacowano na około 0,2 proc. Obserwowane linie pojawiły się dokładnie tam, gdzie przewidywały pomiary laboratoryjne, miały odpowiednie proporcje intensywności i pasowały do prędkości pozostałej materii w obłoku.

Astronomowie już wcześniej informowali o odkrywaniu cukrów w kosmosie. Najczęściej chodziło jednak o glikoaldehyd, niewielką cząsteczkę złożoną z dwóch atomów węgla, która może uczestniczyć w reakcjach prowadzących do powstawania bardziej złożonych sacharydów.

Glikoaldehyd bywa nazywany najprostszym cukrem, lecz w ścisłym znaczeniu chemicznym nie jest pełnoprawnym sacharydem. Jest związkiem z grupy hydroksyaldehydów oraz ważnym prekursorem cukrów. Erytruloza spełnia już klasyczną definicję monosacharydu. Jest jedynym możliwym cukrem ketozowym z czterema atomami węgla, czyli takim, który zawiera grupę ketonową. Jej odkrycie stanowi więc pierwszy przypadek bezpośredniego zidentyfikowania rzeczywistego cukru w ośrodku międzygwiazdowym.

Cząsteczka składa się z 14 atomów. Według autorów badania jest największą niecykliczną molekułą znalezioną dotąd w przestrzeni międzygwiazdowej oraz pierwszą wykrytą tam substancją zawierającą 4 atomy tlenu. Co ciekawe, erytruloza okazała się od 8 do 17 razy powszechniejsza od podobnych cukrów zbudowanych z trzech atomów węgla, których nie udało się wykryć. To zaskoczyło badaczy, ponieważ w wielu rodzinach związków większe cząsteczki są rzadsze. Każdy dodatkowy atom węgla zwykle oznacza bowiem kolejny trudny etap syntezy. W tym przypadku natura mogła jednak skorzystać ze skrótu.

Dotychczas popularny model zakładał, że cząsteczki organiczne w kosmosie rozbudowują się stopniowo. Do niewielkiej struktury miały być kolejno przyłączane pojedyncze atomy węgla lub małe grupy chemiczne. Modele przygotowane po odkryciu erytrulozy wskazują na inny mechanizm. Cukier mógł powstać przez połączenie dwóch stosunkowo dużych fragmentów zawierających po dwa atomy węgla. Ich źródłem są glikoaldehyd oraz glikol etylenowy, czyli związki obecne w badanym obłoku w znacznych ilościach.

Reakcje mogą zachodzić na powierzchni amorficznego lodu wodnego pokrywającego międzygwiazdowe ziarna pyłu. Temperatura takich drobin w badanym regionie wynosi około 20-30 K, czyli od około -253 do -243 st. C. Mimo tak silnego chłodu cząsteczki nie pozostają całkowicie nieruchome.

Promienie kosmiczne i promieniowanie ultrafioletowe rozrywają część wiązań chemicznych, tworząc reaktywne fragmenty nazywane rodnikami. Gdy dwa odpowiednie rodniki znajdą się wystarczająco blisko siebie, mogą połączyć się w większą cząsteczkę. Obliczenia pokazują, że w ten sposób erytruloza może powstawać stosunkowo sprawnie.

Mniejszym cukrom może być natomiast trudniej przetrwać. Modele wskazują, że cząsteczki z trzema atomami węgla są bardziej podatne na niszczenie przez promieniowanie ultrafioletowe. Większa erytruloza ma więcej możliwości rozproszenia pochłoniętej energii, dlatego może pozostawać stabilna dłużej.

Materiał zgromadzony w lodzie nie zawsze pozostaje na ziarnach. Obłoki w pobliżu centrum Drogi Mlecznej są poddawane zderzeniom i przechodzącym przez nie falom uderzeniowym. Mogą one wybijać cząsteczki z powierzchni pyłu i wprowadzać je do gazu. Dopiero wtedy ich sygnał staje się dostępny dla radioteleskopów.

Erytruloza jest również cząsteczką chiralną. Oznacza to, że może występować w dwóch odmianach będących dla siebie lustrzanymi odbiciami, podobnie jak lewa i prawa dłoń. Mają taki sam skład chemiczny, ale nie można ich na siebie idealnie nałożyć.

Ta pozornie niewielka różnica ma ogromne znaczenie biologiczne. Znane życie korzysta niemal wyłącznie z jednego ułożenia wielu podstawowych cząsteczek. Aminokwasy budujące białka są przeważnie lewoskrętne, natomiast cukry w DNA i RNA mają przeciwną orientację. Nie wiadomo, dlaczego pierwotna chemia życia wybrała akurat te wersje. Zjawisko to nazywa się homochiralnością i pozostaje jedną z ważnych zagadek dotyczących narodzin biologii.

Erytruloza jest dopiero drugą chiralną cząsteczką zidentyfikowaną w ośrodku międzygwiazdowym. Samo odkrycie nie pokazuje jeszcze, czy w obłoku przeważa jeden z jej wariantów. Potwierdza jednak, że związki mające cechę tak istotną dla biologii mogą powstawać długo przed narodzinami planet. W meteorytach znajdowano już niewielkie przewagi jednej lustrzanej odmiany niektórych cząsteczek. Badacze rozważają więc możliwość, że pierwsza nierównowaga pojawiła się w środowisku kosmicznym, a późniejsze reakcje na Ziemi jedynie ją wzmocniły.

Odkrycie nie oznacza, że badany obłok ma bezpośredni związek z Układem Słonecznym. Znajduje się daleko od nas i nie jest miejscem, z którego powstały Słońce oraz Ziemia. Pokazuje jednak, że w typowym środowisku międzygwiazdowym mogą samoczynnie powstawać cukry.

Podobne reakcje mogły zachodzić w obłoku, z którego około 4,6 mld lat temu narodził się Układ Słoneczny. Cząsteczki uwięzione w lodzie zostałyby później włączone do komet i planetoid. Te działałyby jak kapsuły chroniące związki organiczne podczas kolejnych etapów formowania planet.

Potwierdzenia takiego scenariusza dostarczają próbki pozyskane bezpośrednio z planetoid. Jak pisaliśmy w tekście: Bennu wreszcie puściła parę z ust. Skały zrobiły nas w balona, materia przywieziona przez sondę OSIRIS-REx zawierała aminokwasy, zasady azotowe oraz cukry, w tym rybozę i glukozę.

Znamy więc końcowy etap podróży: cukry mogą być przechowywane w małych ciałach Układu Słonecznego. Nowe odkrycie pokazuje początek tej drogi. Niektóre z tych związków mogły powstać jeszcze przed planetami, na lodowych ziarnach dryfujących w obłoku molekularnym.

Podobnie wygląda historia innych składników chemii prebiotycznej. Jak pisaliśmy w tekście: Kometa 3I/Atlas odpięła wrotki. Jest po brzegi wypełniona alkoholem, metanol jest powszechnym produktem reakcji zachodzących na międzygwiazdowym lodzie. Później trafia do komet, które zachowują chemiczny zapis warunków panujących przed narodzinami układów planetarnych.

Odkrycie erytrulozy nie potwierdza panspermii w jej najbardziej radykalnej wersji. Nie znaleziono organizmów, komórek ani materiału biologicznego podróżującego między gwiazdami. Cukier również nie jest życiem. Jest zwykłą cząsteczką powstającą w reakcjach chemicznych. Znalezisko wzmacnia jednak mniej spektakularny, ale znacznie lepiej uzasadniony scenariusz. Młoda Ziemia mogła otrzymać z kosmosu ogromny zestaw gotowych półproduktów: cukry, aminokwasy, zasady azotowe, alkohole oraz inne związki organiczne.

Na powierzchni planety składniki te trafiały do wody, mieszały się z materiałem powstającym lokalnie i uczestniczyły w kolejnych reakcjach. Same nie tworzyły życia, ale mogły zwiększyć liczbę chemicznych prób odbywających się jednocześnie w oceanach, płytkich zbiornikach, szczelinach skalnych oraz pobliżu źródeł hydrotermalnych.

rzeczytaj także:

Najważniejszy wniosek brzmi więc inaczej niż sugerują najbardziej śmiałe wersje panspermii. Życie prawdopodobnie nie spadło na Ziemię gotowe. Kosmos mógł jednak przygotować sporą część magazynu, z którego później korzystała ziemska chemia.

Jeżeli cukry mogą powstawać w zimnych obłokach przed narodzinami gwiazd, to nie są wyjątkowym produktem jednej planety. Mogą być włączane do komet i planetoid w niezliczonych układach planetarnych, a następnie trafiać na ich powierzchnie. Ziemia być może nie wygrała więc kosmicznej loterii pojedynczym cudem. Mogła otrzymać pakiet startowy, który galaktyka rozdaje znacznie częściej, niż dotąd potrafiliśmy udowodnić.

*Grafika wprowadzająca wygenerowana przez AI