Przełom w astrochemii: po raz pierwszy odkryto prawdziwy cukier w przestrzeni międzygwiezdnej

Przez dziesięciolecia astronomowie znajdowali w ogromnych obłokach gazu i pyłu między gwiazdami aminokwasy, alkohole, a nawet proste cząsteczki przypominające cukry. Jednak prawdziwy cukier – monosacharyd o pełnej strukturze cukru – pozostawał poza zasięgiem. To właśnie się zmieniło.

W badaniu opublikowanym w czasopiśmie Nature Astronomy, kierowanym przez astrochemiczkę Izaskun Jiménez-Serra z hiszpańskiego Centro de Astrobiología (CAB-CSIC/INTA), naukowcy ogłaszają pierwsze wykrycie erytrulozy (C₄H₈O₄) w przestrzeni międzygwiezdnej . Odkrycie to zamyka długotrwałą lukę w chemii prebiotycznej i dostarcza najmocniejszych jak dotąd dowodów na to, że podstawowe składniki życia mogą powstawać naturalnie w zimnej próżni między gwiazdami.

Co odkryli astronomowie

Erytruloza jest chiralnym, czterowęglowym cukrem ketozowym. Na Ziemi występuje naturalnie w malinach i jest powszechnym składnikiem kremów do samoopalania. W kosmosie została wykryta w słynnym, bogatym w molekuły obłoku molekularnym G+0.693-0.027, znajdującym się w pobliżu centrum Drogi Mlecznej, około 26 000 lat świetlnych od Ziemi .

To, co czyni to odkrycie znaczącym, to nie tylko tożsamość cząsteczki, ale jej obfitość. Erytruloza jest co najmniej osiem razy obfitsza niż prostsze trójwęglowe cukry (takie jak glikolaldehyd) w tym samym regionie, co czyni ją dominującym cukrem wykrytym w przestrzeni międzygwiezdnej .

Jak dokonano odkrycia

Zespół wykorzystał dwa z najczulszych radioteleskopów w Hiszpanii – 40-metrowy teleskop Yebes i 30-metrowy teleskop IRAM – do przeprowadzenia ultraczułych, szerokopasmowych badań widmowych obłoku molekularnego G+0.693-0.027 .

Każda cząsteczka ma unikalną sygnaturę rotacyjną, rodzaj chemicznego odcisku palca, który pojawia się jako określone linie widmowe obserwowane przez radioteleskop. Naukowcy dopasowali słabe sygnały radiowe pochodzące z obłoku do widm erytrulozy zmierzonych w laboratorium, potwierdzając jej obecność ponad wszelką wątpliwość .

Poszukiwania były możliwe dzięki żmudnej pracy laboratoryjnej opublikowanej kilka lat wcześniej. W 2021 roku naukowcy z Uniwersytetu Kraju Basków (UPV/EHU) określili bardzo precyzyjną strukturę molekularną erytrulozy, tworząc spektroskopową mapę niezbędną do ostatecznego wykrycia jej w kosmosie .

Jak cukier powstaje w zimnej przestrzeni kosmicznej

Przestrzeń między gwiazdami jest niewyobrażalnie zimna i w większości pusta. Jak więc może się tam uformować cząsteczka cukru?

Wiodący model, poparty obliczeniami chemii kwantowej, sugeruje, że erytruloza tworzy się na powierzchni lodowych ziaren pyłu . Procesy energetyczne – napędzane bombardowaniem promieniowaniem kosmicznym i promieniowaniem ultrafioletowym – powodują reakcje chemiczne między prostszymi dwuwęglowymi aldehydami i alkoholami osadzonymi na ziarnach . Po utworzeniu cząsteczki są uwalniane do fazy gazowej w procesie rozpylania (sputteringu), przypominającym piaskowanie, które jest wywoływane przez fale uderzeniowe.

Obłok G+0.693-0.027 jest w tym szczególnie dobry. Jest to region, w którym dochodzi do kolizji obłoków molekularnych, co generuje potężne wstrząsy, które zrzucają cząsteczki z powierzchni ziaren pyłu do wykrywalnych stężeń w fazie gazowej . Ten sam obłok dostarczył już ponad 20 pierwszych odkryć cząsteczek międzygwiezdnych .

Dlaczego ma to znaczenie dla pochodzenia życia

Odkrycie ma bezpośrednie implikacje dla jednej z najgłębszych tajemnic biologii: skąd wzięły się pierwsze cząsteczki genetyczne?

Najszerzej akceptowana hipoteza pochodzenia życia zakłada „świat RNA”, w którym kwas rybonukleinowy (RNA) służył zarówno jako nośnik informacji, jak i katalizator, zanim wyewoluowało DNA. Jednak sam RNA jest niezwykle złożony. Niektórzy naukowcy sugerują, że prostsze systemy genetyczne poprzedzały RNA.

Erytruloza idealnie wpisuje się w ten obraz. Cząsteczka ta może ulec konwersji chemicznej do treozy, czterowęglowego cukru, który tworzy szkielet kwasu treozowego (TNA) – potencjalnego pre-RNA materiału genetycznego . Ponieważ erytruloza występuje w tak dużej obfitości w tym samym obłoku, który dostarczył już wielu innych prekursorów RNA (w tym hydroksyloaminy, glikoloamidu i kwasu węglowego), odkrycie pokazuje, że natura może wytwarzać elementy składowe alternatywnych systemów genetycznych bez żadnej interwencji biologicznej .

Dostarczanie składników życia na wczesną Ziemię

Odkrycie wzmacnia również długo dyskutowaną hipotezę o tym, w jaki sposób Ziemia uzyskała swój prebiotyczny inwentarz. Złożone cząsteczki organiczne, w tym cukry potrzebne do prekursorów genetycznych, wydają się być już obecne w materii, z której powstał nasz Układ Słoneczny .

Podczas wielkiego bombardowania – okresu około 4,1 do 3,8 miliarda lat temu, kiedy komety, asteroidy i meteoryty nieustannie uderzały w planety wewnętrzne – cząsteczki te mogły zostać dostarczone w nienaruszonym stanie na wczesną Ziemię, zapewniając gotowy zapas prebiotycznych składników . Odkrycie prawdziwego cukru w przestrzeni międzygwiezdnej czyni tę hipotezę dostarczania znacznie bardziej prawdopodobną.

Podsumowanie

Wykrycie erytrulozy nie dowodzi, że życie istnieje gdzieś indziej we wszechświecie. Ale dowodzi, że jedna z najważniejszych klas cząsteczek biologicznych – prawdziwe cukry – może powstawać naturalnie i obficie w przestrzeni międzygwiezdnej. Ta sama chemia, która zachodzi dziś w obłoku molekularnym G+0.693-0.027, miała miejsce prawdopodobnie 4,6 miliarda lat temu w obłoku, który dał początek naszemu Słońcu i planetom. Cukry były tam od samego początku.