Исследование показывает, что гамма-лучи могут превращать метан, широко распространенный в космосе, в ряд сложных молекул, таких как углеводороды и аминокислоты, при комнатной температуре. Эти реакции, вероятно, играют определенную роль в формировании и распространении сложных органических молекул во Вселенной и, как следствие, способствуют возникновению жизни.
Согласно широко распространенной гипотезе, жизнь возникла из сложных органических молекул, зародившихся в космосе. Эти молекулы должны были развиться из простых молекул, широко распространенных в космосе. Космические лучи, такие как гамма-лучи и рентгеновское излучение, могут обеспечить энергию, необходимую для такого рода химических реакций.
«Гамма-лучи, высокоэнергетические фотоны, часто встречающиеся в космических лучах и при распаде нестабильных изотопов, обеспечивают внешнюю энергию для запуска химических реакций простых молекул в ледяных оболочках межзвездной пыли и ледяных межзвездных зерен», — объясняет Вэйсинь Хуан из Университета науки и технологий Китая в Wiley Online Library. «Это может привести к появлению более сложных органических молекул, вероятно, из метана (CH4), который широко распространен в межзвездной среде».
Эти органические молекулы состоят в основном из углерода (C), водорода (H), кислорода (O) и азота (N), а источником C и H служит CH4. Эксперименты показали, что твердый CH4 образует сложные углеводороды (до 7 атомов углерода и 16 атомов водорода) при воздействии гамма-излучения и температуре -196 °C. Углеводороды с 22 атомами углерода также могут быть образованы при воздействии на метан гамма-излучения с энергией 5 кэВ при температуре -268 °C.
Однако большинство исследований, направленных на расшифровку этих космических процессов, проводились в смоделированных условиях вакуума космоса и при очень низких температурах. Однако на Земле и других планетах, находящихся в обитаемой зоне своих звездных систем, давление и температура выше, а CH4 и другие простые молекулы существуют там в виде газа и жидкости.
Хуанг и его коллеги считают, что реакции, происходящие в условиях, приближенных к земным, и в обитаемых зонах, с большей вероятностью способствуют образованию сложных органических молекул, которые могли бы послужить источником жизни. «Реактивность [простых молекул], вызванная космическими лучами и энергичными частицами, может быть ответственна за эволюцию сложных молекул на этих больших твердых телах и даже за возникновение жизни, но изучалась лишь эпизодически», — говорится в их исследовании, недавно опубликованном в журнале .
Реакции ускоряются в присутствии воды и кислорода
Исследовательская группа изучала реакции метана в газовой и водной фазах с высокоэнергетическим гамма-излучением при температуре окружающей среды. Нестабильный изотопный распад кобальта-60 также использовался в качестве источника энергии для эффективного преобразования CH4. Также оценивалось влияние добавления других соединений, таких как вода и кислород.
Исследователи обнаружили, что состав и выход сложных молекул варьируется в зависимости от исходного сырья. Чистый метан, подвергшийся воздействию гамма-излучения, дает очень низкий выход, образуя только этан (C2H6), пропан (C3H8) и водород. С другой стороны, присутствие кислорода ускоряет реакцию и увеличивает выход, в результате чего образуются диоксид углерода (CO2) и монооксид углерода (CO), а также этилен (C2H4) и вода. В присутствии воды и в водной фазе метан дает ацетон (C3H6O) и третичный бутиловый спирт ((CH3)3COH), а в газообразной фазе — этан и пропан.
При добавлении аммиака реакция приводит к образованию еще более сложных молекул, таких как глицин (C2H5NO2), аминокислота, встречающаяся в космосе. «Под действием гамма-лучей глицин может быть получен из метана, кислорода, воды и аммиака — молекул, которые в больших количествах встречаются в космосе», — объясняет Хуанг. Эти результаты позволяют предположить, что радикалы O2 и OH играют существенную роль в скорости и выходе реакций, и эта роль не зависит от температуры. Поэтому эти реакции, вероятно, часто происходят в космосе.
Повышение селективности в присутствии твердых частиц
Присутствие в межзвездной пыли твердых частиц, таких как диоксид кремния, оксид железа, силикат магния и оксид графена, изменяет селективность получаемых продуктов. Например, диоксид кремния позволяет превращать метан в уксусную кислоту (CH3COOH) с селективностью 82 %. Эксперты предполагают, что изменчивость состава космической пыли могла, таким образом, способствовать различиям в распределении сложных органических молекул в космосе.
Эти наблюдения позволяют по-новому взглянуть на эволюцию сложных органических молекул во Вселенной. Они также могут проложить путь к более эффективному и менее дорогостоящему преобразованию метана в промышленных целях. «Поскольку гамма-излучение является легкодоступным источником энергии, безопасным в контролируемом и устойчивом контексте, это может стать новым подходом к использованию метана в качестве источника углерода для эффективного преобразования в продукты с добавленной стоимостью в мягких условиях, что является давней проблемой для промышленной синтетической химии», — заключает Хуанг.