นักดาราศาสตร์ค้นพบ 'น้ำตาลแท้' ครั้งแรกในอวกาศระหว่างดวงดาว ไขปริศนากำเนิดสิ่งมีชีวิต

เป็นเวลาหลายทศวรรษที่นักดาราศาสตร์ค้นพบกรดอะมิโน แอลกอฮอล์ และแม้แต่โมเลกุลคล้ายน้ำตาลอย่างง่ายในเมฆก๊าซและฝุ่นอันกว้างใหญ่ระหว่างดวงดาว แต่ 'น้ำตาลแท้' อย่าง โมโนแซ็กคาไรด์ ที่มีโครงสร้างน้ำตาลสมบูรณ์ยังคงเป็นสิ่งที่หลบหนีการตรวจจับ จนกระทั่งตอนนี้

งานวิจัยที่ตีพิมพ์ในวารสาร Nature Astronomy นำโดยนักเคมีดาราศาสตร์ อิซาสคุน ฆิเมเนซ-เซร์รา (Izaskun Jiménez-Serra) จากศูนย์โหราศาสตร์แห่งสเปน (Centro de Astrobiología; CAB-CSIC/INTA) รายงานการตรวจพบ อีริทรูโลส (erythrulose: C₄H₈O₄) ในอวกาศระหว่างดวงดาวเป็นครั้งแรก การค้นพบนี้ช่วยปิดช่องว่างที่ค้างคาในเคมีก่อนกำเนิดสิ่งมีชีวิต และให้หลักฐานที่แข็งแกร่งที่สุดเท่าที่เคยมีมาว่า วัตถุดิบสำหรับสิ่งมีชีวิตสามารถก่อตัวขึ้นเองตามธรรมชาติในสุญญากาศอันหนาวเหน็บระหว่างหมู่ดาว

นักดาราศาสตร์ค้นพบอะไร

อีริทรูโลสเป็นน้ำตาลประเภทคีโตส (ketose) ที่มีคาร์บอนสี่อะตอมและเป็น 'คิรัล' (chiral) หรือมีโครงสร้างที่เป็นภาพสะท้อนในกระจก บนโลกพบได้ตามธรรมชาติในราสเบอร์รี่ และเป็นส่วนผสมทั่วไปในโลชั่นฟอกผิวแทน โดยในอวกาศ ตรวจพบมันภายในเมฆโมเลกุลอันอุดมสมบูรณ์ชื่อ G+0.693-0.027 ซึ่งตั้งอยู่ใกล้ใจกลางกาแล็กซีทางช้างเผือก ห่างจากโลกประมาณ 26,000 ปีแสง

สิ่งที่ทำให้การค้นพบนี้มีความสำคัญไม่ใช่แค่ชนิดของโมเลกุลเท่านั้น แต่รวมถึงปริมาณที่พบด้วย อีริทรูโลสมีความอุดมสมบูรณ์ อย่างน้อยแปดเท่า ของน้ำตาลสามคาร์บอนที่ง่ายกว่า (เช่น ไกลคอลอัลดีไฮด์) ในบริเวณเดียวกัน ทำให้มันเป็นชนิดน้ำตาลที่มีมากที่สุดที่ตรวจพบในอวกาศระหว่างดวงดาว

วิธีการค้นพบ

ทีมวิจัยใช้กล้องโทรทรรศน์วิทยุที่ไวต่อสัญญาณมากที่สุดสองแห่งในสเปน ได้แก่ กล้องโทรทรรศน์ขนาด 40 เมตรแห่งเยเบส (Yebes 40m) และ กล้องโทรทรรศน์ IRAM ขนาด 30 เมตร (IRAM 30m) เพื่อทำการสำรวจสเปกตรัมคลื่นความถี่กว้างที่มีความไวสูงเป็นพิเศษของเมฆโมเลกุล G+0.693-0.027

โมเลกุลทุกชนิดมีลายเซ็นการหมุน (rotational signature) ที่ไม่ซ้ำกัน เปรียบเสมือนลายนิ้วมือทางเคมี ซึ่งปรากฏเป็นเส้นสเปกตรัมจำเพาะเมื่อมองผ่านกล้องโทรทรรศน์วิทยุ นักวิจัยเทียบสัญญาณคลื่นวิทยุแผ่วเบาที่มาจากเมฆกับสเปกตรัมของอีริทรูโลสที่วัดได้ในห้องปฏิบัติการเพื่อยืนยันการมีอยู่ของมันอย่างไม่ต้องสงสัย

การค้นหานี้เป็นไปได้ด้วยงานในห้องปฏิบัติการที่พิถีพิถันซึ่งตีพิมพ์เมื่อหลายปีก่อน ในปี 2021 นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยเดลไปส์บาสโก (UPV/EHU) ได้ระบุโครงสร้างโมเลกุลที่มีความแม่นยำสูงของอีริทรูโลสแล้ว ซึ่งเป็นการสร้างแผนที่ทางสเปกโทรสโกปีที่จำเป็นสำหรับการตรวจจับในอวกาศอย่างแน่ชัด

น้ำตาลก่อตัวขึ้นในความหนาวเย็นของอวกาศได้อย่างไร

อวกาศระหว่างดวงดาวนั้นหนาวเย็นและว่างเปล่าเป็นส่วนใหญ่ แล้วโมเลกุลน้ำตาลจะประกอบกันขึ้นที่นั่นได้อย่างไร?

แบบจำลองชั้นนำซึ่งได้รับการสนับสนุนจากการจำลองทางเคมีควอนตัม ชี้ว่าอีริทรูโลสก่อตัวขึ้นบนพื้นผิวของ เม็ดฝุ่นน้ำแข็ง การแปรรูปด้วยพลังงานสูง ซึ่งขับเคลื่อนโดย การโจมตีของรังสีคอสมิก และรังสีอัลตราไวโอเลต ทำให้เกิดปฏิกิริยาเคมีระหว่างอัลดีไฮด์และแอลกอฮอล์ที่มีคาร์บอนสองอะตอมซึ่งเกาะอยู่บนเม็ดฝุ่น เมื่อก่อตัวแล้ว โมเลกุลจะถูกปล่อยเข้าสู่สถานะก๊าซผ่านกระบวนการ 'สปัตเตอริง' (sputtering) ซึ่งคล้ายกับการพ่นทรายที่เกิดจากคลื่นกระแทก

เมฆ G+0.693-0.027 เหมาะเป็นพิเศษสำหรับกระบวนการนี้ นี่คือบริเวณที่มี การชนกันระหว่างเมฆ อย่างต่อเนื่อง ซึ่งก่อให้เกิดคลื่นกระแทกอันทรงพลังที่กระแทกโมเลกุลออกจากพื้นผิวเม็ดฝุ่น ทำให้ตรวจพบในสถานะก๊าซได้ในปริมาณมาก เมฆก้อนเดียวกันนี้ให้ผลการตรวจพบโมเลกุลระหว่างดวงดาวเป็นครั้งแรกมากกว่า 20 ชนิดมาแล้ว

เหตุใดเรื่องนี้จึงสำคัญต่อจุดกำเนิดสิ่งมีชีวิต

การค้นพบนี้มีผลกระทบโดยตรงต่อหนึ่งในปริศนาที่ลึกซึ้งที่สุดของชีววิทยา: โมเลกุลทางพันธุกรรมแรกเริ่มมาจากไหน?

สมมติฐานที่ได้รับการยอมรับอย่างกว้างขวางที่สุดเกี่ยวกับจุดกำเนิดสิ่งมีชีวิตเกี่ยวข้องกับ 'โลกอาร์เอ็นเอ' (RNA World) ซึ่งกรดไรโบนิวคลีอิก (RNA) ทำหน้าที่ทั้งเก็บข้อมูลและเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาก่อนที่ดีเอ็นเอจะวิวัฒนาการขึ้นมา แต่ตัวอาร์เอ็นเอเองก็ซับซ้อนอย่างยิ่ง นักวิจัยบางคนเสนอว่าระบบพันธุกรรมที่ง่ายกว่านั้นมีมาก่อนอาร์เอ็นเอ

อีริทรูโลสเข้ากับภาพนี้ได้อย่างลงตัว โมเลกุลนี้สามารถเปลี่ยนทางเคมีเป็น ทรีโอส (threose) ซึ่งเป็นน้ำตาลสี่คาร์บอนที่เป็นโครงสร้างหลักของ กรดทรีโอสนิวคลีอิก (threose nucleic acid: TNA) ซึ่งเป็นสารพันธุกรรมที่เป็นไปได้ซึ่งมีมาก่อนอาร์เอ็นเอ เนื่องจากตรวจพบอีริทรูโลสในปริมาณที่สูงมากในเมฆก้อนเดียวกันที่ให้สารตั้งต้นของอาร์เอ็นเออื่นๆ อีกมากมายแล้ว (รวมถึงไฮดรอกซิลามีน, ไกลโคเอไมด์ และกรดคาร์บอนิก) การค้นพบนี้แสดงให้เห็นว่าธรรมชาติสามารถผลิตส่วนประกอบสำคัญสำหรับระบบพันธุกรรมทางเลือกอื่นๆ ได้โดยปราศจากการแทรกแซงทางชีวภาพใดๆ

การส่งมอบวัตถุดิบแห่งชีวิตสู่โลกยุคแรกเริ่ม

นอกจากนี้ การค้นพบยังสนับสนุนสมมติฐานที่มีการถกเถียงกันมานานว่า โลกได้รับสินค้าคงคลังก่อนกำเนิดสิ่งมีชีวิตมาได้อย่างไร โมเลกุลอินทรีย์ที่ซับซ้อน รวมถึงน้ำตาลที่จำเป็นสำหรับสารตั้งต้นทางพันธุกรรม ดูเหมือนจะมีอยู่แล้วในวัตถุที่ก่อตัวเป็นระบบสุริยะของเรา

ในช่วง การโจมตีอย่างหนักในช่วงปลาย (Late Heavy Bombardment) ซึ่งเป็นช่วงเวลาประมาณ 4.1 ถึง 3.8 พันล้านปีก่อน เมื่อดาวหาง ดาวเคราะห์น้อย และอุกกาบาตถล่มดาวเคราะห์ชั้นใน โมเลกุลเหล่านี้อาจถูกส่งมายังโลกยุคแรกเริ่มได้โดยไม่ถูกทำลาย ทำให้มีวัตถุดิบก่อนกำเนิดสิ่งมีชีวิตพร้อมใช้ การตรวจพบน้ำตาลแท้ในอวกาศระหว่างดวงดาวทำให้สมมติฐานการส่งมอบนี้มีความเป็นไปได้มากขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ

สรุป

การตรวจพบอีริทรูโลสไม่ได้พิสูจน์ว่าสิ่งมีชีวิตมีอยู่ที่อื่นในจักรวาล แต่มันพิสูจน์ว่าโมเลกุลที่สำคัญที่สุดประเภทหนึ่งของสิ่งมีชีวิต—น้ำตาลแท้—สามารถก่อตัวขึ้นเองตามธรรมชาติและอย่างอุดมสมบูรณ์ในอวกาศระหว่างดวงดาว เคมีเดียวกันที่เกิดขึ้นในวันนี้ในเมฆโมเลกุล G+0.693-0.027 น่าจะเกิดขึ้นเมื่อ 4.6 พันล้านปีก่อนในเมฆที่ให้กำเนิดดวงอาทิตย์และดาวเคราะห์ของเรา น้ำตาลมีอยู่ตั้งแต่เริ่มต้น