Ученые Лейденского (Нидерланды), Штутгартского (Германия) и Уральского федерального (УрФУ, Екатеринбург, Россия) университетов выяснили, что формальдегид образуется на гораздо более ранних этапах эволюции космических молекулярных облаков (в них зарождаются звезды), чем считалось до сих пор.
Используя методы вычислительной химии, они показали, что формальдегид может образовываться путем взаимодействия атомарного углерода с водяным льдом. Статья с описанием работы опубликована в одном из ведущих профильных научных изданий мира The Journal of Physical Chemistry Letters.
Формальдегид — простое соединение, играет центральную роль в образовании сложных органических соединений. Он является одним из источников молекул, необходимых для зарождения жизни и ее развития. Доказав, что формальдегид образуется из атомарного углерода и водяного льда, ученые Европы и России, таким образом, обосновали, что сложные органические соединения могут появляться в космосе уже на ранних стадиях эволюции молекулярных облаков, до вымораживания CO, и значительно раньше возникновения звезд и планетарных систем. Причем, вероятно, в большом количестве — так как туманности содержат колоссальные объемы воды и, следовательно, формальдегида.
По прежним представлениям, образование формальдегида H2CO на поверхности космической пыли, покрытой водяным льдом, посредством присоединения атомов углерода С к молекуле воды Н2О затруднено. Противоречие в том, что реакция между атомом углерода и молекулой воды с образованием формальдегида требует огромного количества энергии, которой в космических туманностях, при температуре -263 градусов Цельсия, для этого недостаточно. Поэтому считалось, что молекулы формальдегида формируются на более поздних стадиях жизни молекулярных облаков — когда на космических пылинках в изобилии представлен монооксид углерода СО в твердом состоянии.
«Вода в данном случае представлена в виде кластера аморфного льда. Аморфного — так как в молекулярных облаках лед формируется при моментальном остывании образующихся молекул воды, которые не успевают выстроиться в кристаллическую решетку. Молекулы водяного льда, покрывающие частицы космической пыли субмикрометрового размера, вступают в реакцию с атомами углерода, вымораживаемым из газовой фазы. Так образуется комплекс молекулы воды и атома углерода», — поясняет суть гипотезы ведущий научный Глеб Федосеев.
При этом молекулы воды, связанные водородными связями, действуют одновременно как доноры и акцепторы протонов. Они осуществляют псевдоперенос протонов с атома кислорода образовавшегося комплекса на атом углерода. Этот согласованный перенос протонов по цепочке водородных связей между молекулами воды катализирует реакцию, убыстряя процесс образования формальдегида. Такие превращения происходят практически безбарьерно и не требуют много энергии. Это обстоятельство устраняет противоречие между классическими представлениями о механизме реакции и возможностью ее протекания в реальных условиях космоса.
«Более 150 лет назад наш соотечественник, выдающийся химик Александр Бутлеров предложил один из первых методов абиотического синтеза сахаров. Этот метод предполагал использование растворов формальдегида в воде. Мог ли Бутлеров представить, что все компоненты, необходимые для протекания реакции, названной затем его именем, присутствуют в газопылевых облаках, из которых образуются звездные системы подобные нашей Солнечной, где суммарная масса формальдегида и воды на порядки превышает массу Земли?» — добавляет Глеб Федосеев.
Гипотезу астрохимики проверили в нескольких экспериментах на установке, воспроизводящих условия космоса. Результаты экспериментов подтвердились в Институтe астрономии Общества Макса Планка — ведущей европейской сети научно-исследовательских организаций. Кроме того, по словам Глеба Федосеева, в перспективе теория будет подвергнута дополнительным проверкам с помощью телескопа имени Джеймса Уэбба, который запущен в космос 25 декабря. Новый телескоп придет на смену знаменитому «Хабблу», чтобы, отдалившись на 1,6 млн км от Земли, продолжить наблюдение за космическими объектами, в том числе космическими льдами. По снимкам, полученным от «Джеймса Уэбба», ученые надеются получить данные о зарождении Вселенной, образовании звезд, обнаружить следы внеземной жизни.
Учитывая научную значимость проведенных теоретических разработок и экспериментов, исследованиям Глеба Федосеева и его коллег содействовали государственные организации поддержки науки Германии, Нидерландов, Дании, а с российской стороны — Министерство науки и высшего образования РФ. По заказу министерства в научной лаборатории астрохимических исследований УрФУ создается установка для моделирования условий космоса.
Уральский федеральный университет (УрФУ) — один из ведущих вузов России со столетней историей. Расположен в Екатеринбурге — столице Всемирных летних студенческих игр 2023 года. В Год науки и технологий стал одним из лидеров программы «Приоритет–2030». Вуз выполняет функции проектного офиса Уральского межрегионального научно-образовательного центра мирового уровня (НОЦ).
- УрФУ оперативный — в телеграм