Skała starsza od Ziemi. W środku chemiczny chaos

Wygląda jak kawałek ciemnego kamienia, ale chemicznie bardziej przypomina bibliotekę, w której ktoś wymieszał dziesiątki tysięcy książek. Naukowcy ponownie zbadali słynny meteoryt Murchison i odkryli, że zachowana w nim materia organiczna jest znacznie bardziej skomplikowana, niż pokazywały wcześniejsze analizy. W niewielkich próbkach znaleziono dziesiątki tysięcy formuł molekularnych. Co więcej, jedna taka formuła może odpowiadać kilku cząsteczkom o różnej budowie. Badacze zaczęli więc nie tylko liczyć kosmiczne związki. Po raz pierwszy mogli także przyjrzeć się strukturze części pojedynczych cząsteczek pochodzących z materii pamiętającej początki Układu Słonecznego.

Murchison należy do najsłynniejszych meteorytów, jakie kiedykolwiek trafiły do laboratoriów. Spadł dokładnie 28 września 1969 r. w australijskim stanie Wiktoria. Odnaleziono około 100 kg jego fragmentów, dzięki czemu przez następne dekady badacze mogli poddawać je coraz dokładniejszym analizom.

To chondryt węglisty typu CM, czyli przedstawiciel jednej z najbardziej pierwotnych klas meteorytów. Takie skały zachowały materiał pochodzący z czasu, gdy Słońce i planety dopiero się formowały. Ich wiek sięga około 4,6 mld lat. Ziemia uformowała się nieco później, około 4,54 mld lat temu. Jeszcze ciekawsze jest jednak to, co Murchison przyniósł ze sobą w środku. Znajdowano w nim mikroskopijne ziarna pyłu powstałe przed narodzinami Słońca. Część z nich liczy nawet około 7 mld lat.

Jak już wcześniej pisaliśmy, niewielkie meteoryty potrafią przechowywać materiał starszy od naszej planety i zapis najwcześniejszych etapów historii Układu Słonecznego. Murchison jest pod tym względem wyjątkowo bogatym archiwum.

Tym razem naukowców interesowała jednak przede wszystkim rozpuszczalna materia organiczna. Obok Murchisona zbadali także meteoryt Aguas Zarcas, który spadł w Kostaryce w 2019 r. Oba należą do podobnej rodziny chondrytów węglistych, więc można byłoby oczekiwać, że ich skład chemiczny będzie do siebie mocno zbliżony. Stało się jednak coś przeciwnego.

Próbki rozdrobniono, a następnie ich składniki rozpuszczano w kolejnych rozpuszczalnikach o różnych właściwościach. Powstałe ekstrakty trafiły do spektrometru FT-ICR pracującego w polu magnetycznym o natężeniu 21 T. Spektrometr masowy działa jak niezwykle precyzyjna waga dla cząsteczek. Pozwala rozdzielać substancje na podstawie ich masy i na tej podstawie określać ich skład pierwiastkowy.

W każdym ekstrakcie badacze przypisali ponad 18 tys. różnych formuł molekularnych. W całym materiale liczba wykrywanych związków idzie w dziesiątki tysięcy. Pojawiały się struktury zawierające od 10 do nawet 70 atomów węgla. Oprócz węgla i wodoru występowały w nich tlen, azot, siarka, magnez, a nawet związki związane z żelazem. I to jeszcze nie pokazuje pełnej skali komplikacji.

Spektrometr może powiedzieć, ile atomów poszczególnych pierwiastków znajduje się w cząsteczce. Nie zawsze mówi jednak, jak dokładnie są one ze sobą połączone. Dwie cząsteczki mogą zawierać dokładnie taką samą liczbę atomów węgla, wodoru i tlenu, a jednocześnie mieć zupełnie inną budowę i właściwości. Chemicy nazywają takie związki izomerami. Dlatego 18 tys. formuł nie musi oznaczać 18 tys. konkretnych cząsteczek. Rzeczywista różnorodność może być znacznie większa.

Żeby zajrzeć jeszcze głębiej, zespół wykorzystał wysokorozdzielczą bezkontaktową mikroskopię sił atomowych. Niezwykle ostra końcówka przesuwa się wtedy nad badaną powierzchnią i rejestruje oddziaływania z pojedynczymi cząsteczkami. W ten sposób udało się uzyskać obrazy 14 organicznych cząsteczek wyizolowanych z Murchisona. Można było zobaczyć nie tylko ich przybliżony skład, ale również sposób połączenia atomów. To dopiero trzeci przypadek wykorzystania tej techniki do badania materii meteorytowej.

Jednym z najbardziej zaskakujących wyników było porównanie Murchisona i Aguas Zarcas. Na pierwszy rzut oka ich historia powinna prowadzić do podobnej chemii. Oba są chondrytami węglistymi typu CM i przechowują materię pochodzącą z bardzo wczesnego Układu Słonecznego. Mimo to ich chemiczne odciski palców mocno się różnią. Wspólna okazała się tylko niewielka część bardziej złożonych cząsteczek.

To sugeruje, że nawet podobne planetoidy mogły przechodzić zupełnie różne procesy chemiczne. Znaczenie miała ilość wody, temperatura, obecność poszczególnych minerałów oraz reakcje zachodzące już wewnątrz ciał macierzystych meteorytów. Młody Układ Słoneczny nie był więc wielkim zbiornikiem wypełnionym wszędzie takim samym chemicznym koktajlem. Poszczególne planetoidy działały jak osobne laboratoria.

Jak już wcześniej pisaliśmy, inny meteoryt typu CM również ujawnił ślady słonej wody, aminokwasów i niezwykle bogatej chemii organicznej. Coraz więcej wskazuje więc na to, że małe ciała Układu Słonecznego nie były po prostu kawałkami martwej skały. Zachodziły w nich całe sieci reakcji chemicznych.

Chemicy nazywają związkami organicznymi ogromną grupę substancji opartych przede wszystkim na węglu. Wiele z nich jest niezbędnych życiu, ale do ich powstania nie potrzeba komórki, bakterii ani żadnego organizmu. Kosmos potrafi tworzyć skomplikowaną chemię całkowicie sam.

Cukry, aminokwasy i inne półprodukty niezbędne dla biologii mogą powstawać jeszcze przed narodzinami planet. Później część z nich zostaje zamknięta w planetoidach i kometach, które mogą dostarczać ten materiał na powierzchnie młodych planet. Nowe badanie Murchisona nie dowodzi więc, że życie przyszło na Ziemię z kosmosu. Pokazuje nam jednak, że zanim na naszej planecie powstała pierwsza komórka, Wszechświat potrafił już produkować oszałamiająco złożone mieszaniny węglowych cząsteczek. Co więcej, chemiczny chaos zachowany w Murchisonie jest pod względem różnorodności porównywany z jednymi z najbardziej skomplikowanych mieszanin znanych na Ziemi, takich jak ropa naftowa.

Murchison jest badany od ponad pół wieku i wydawałoby się, że z tak znanego meteorytu wyciągnięto już niemal wszystko. Problem polega na tym, że wraz z rozwojem aparatury naukowcy potrafią zadawać tej samej próbce zupełnie nowe pytania. Najpierw udało się wykazać obecność aminokwasów i innych substancji organicznych. Później znaleziono materiał przedsłoneczny. Teraz można już obrazować pojedyncze cząsteczki ukryte w chemicznej mieszaninie. To dlatego kawałek czarnej skały, który spadł na Australię w 1969 r., nadal jest szalenie cennym laboratorium.

*Grafika wprowadzająca wygenerowana przez AI