О том, где во Вселенной образуются органические молекулы, можно ли найти в метеоритах «кирпичики жизни» и как химия помогает осваивать космическое пространство, рассказывает доцент кафедры физической и коллоидной химии имени профессора Когана химического факультета ЮФУ Сергей Левченков.
Как возникла жизнь на Земле?
В 1920‑е годы советский биохимик Александр Опарин и английский биолог Джон Холдейн независимо друг от друга выдвинули гипотезу о зарождении жизни. Они предположили, что в условиях ранней Земли с ее атмосферой из метана, аммиака и водорода под воздействием электрических разрядов и ультрафиолета могли самопроизвольно образовываться сложные органические вещества. Эти соединения накапливались в первичном океане, создавая так называемый «первичный бульон». Из него впоследствии формировались коацерватные капли — предшественники клеток.
Экспериментальное подтверждение гипотезы появилось в 1953 году: аспирант Чикагского университета Стенли Миллер и его научный руководитель Гарольд Юри пропустили электрические разряды через смесь газов, имитирующую древнюю атмосферу. За неделю им удалось получить 22 аминокислоты, сахара, липиды и предшественники нуклеиновых кислот.
Существует и альтернативная гипотеза панспермии. Она предполагает, что органические вещества были занесены на Землю из космоса, где образовались под действием космических лучей. Однако, как отмечает Сергей Левченков, эта теория не столько объясняет возникновение жизни, сколько переносит вопрос в другую плоскость: даже если первые микроорганизмы попали на Землю с астероидом или кометой, они все равно должны были где‑то возникнуть изначально.
Сегодня ученые склоняются к тому, что оба механизма могли действовать параллельно. Это означает, что органические молекулы способны формироваться как на планетах, так и в космосе.
Космическое вещество: что можно изучить напрямую?
Лучший способ исследовать внеземное вещество — получить его образцы. Ежедневно на Землю попадает около пяти тонн метеоритов — в сумме примерно две тысячи тонн в год. Однако, основная часть этой массы — космическая пыль и микрометеориты, сгорающие в атмосфере.
Метеоритов, которые действительно можно было бы собрать и изучить, до поверхности земли долетает всего 55 тонн в год. При этом большая их часть падает в океан, и только 10–15 тонн в год приходится на сушу. Самый крупный из найденных — железо‑никелевый метеорит Гоба, его масса составляет 60 тонн.
Еще один важный источник данных — лунный грунт. Экспедиции программы «Аполлон» доставили на Землю 384 кг образцов. Часть из них ученые изучили сразу, а оставшуюся сохранили для будущих исследований — когда появятся более совершенные методы анализа.
«С астероида Бенну доставили буквально несколько граммов, но, что характерно, в грунте астероида обнаружили более тысячи органических соединений, в том числе 14 аминокислот из 21, которыми образованы наши белки, и нуклеотидные основания. На комете Чурюмова — Герасименко нашли 16 органических соединений, в том числе глицин. Марсианские метеориты есть, но их изучать трудно: высока вероятность, что они заражены земной органикой. Именно поэтому главная надежда — на марсоход «Персеверанс», который собирает пробы марсианского грунта в герметичные контейнеры для будущей доставки на Землю, а до тех пор марсоход исследует пробы на месте», — отмечает ученый.
Химия далекого космоса
До звезд и межзвездной среды — световые годы, но их химический состав удается определить с помощью спектроскопии. Этот метод анализирует излучение или поглощение света: каждое соединение обладает уникальным спектральным «отпечатком». Существует несколько разновидностей спектроскопии — оптическая, инфракрасная, ультрафиолетовая и радиочастотная. Каждая из них работает в своем диапазоне и позволяет получать данные о разных молекулах.
Современные приборы способны обнаруживать единичные молекулы на колоссальных расстояниях. Благодаря этому исследователи уже нашли в межзвездном пространстве ряд сложных органических соединений: гликолевый альдегид (простейший сахар), этиламин (из которого может образоваться аланин), цианометанимин и другие вещества.
Как химия помогает летать в космос?
Сегодня ракеты выводят на орбиту с помощью химической тяги. Существует несколько видов ракетного топлива:
- Кислород и керосин. Распространенный и экономичный вариант. Отличается относительной экологичностью и надежностью, хотя и не обладает максимальной эффективностью.
- Гептил (несимметричный диметилгидразин) и тетраоксид азота. Обеспечивают более высокую тягу по сравнению с керосином, но токсичны. При запуске или авариях выделяются характерные коричневые облака — это тетраоксид азота.
- Жидкий водород и жидкий кислород — эффективнее керосина, но дороже и сложнее в использовании.
- Твердое топливо на основе перхлората аммония. Отличается простотой хранения и запуска — компоненты уже смешаны и спрессованы в твердые блоки. Часто применяется в боковых ускорителях ракет. Главный недостаток — невозможность регулировать тягу или остановить двигатель после запуска.
- Жидкий метан и жидкий кислород. Одно из ключевых преимуществ — потенциальная возможность синтезировать метан на Марсе для обеспечения обратных полетов.
За пределами земной орбиты, где солнечные батареи малоэффективны, для энергоснабжения космических аппаратов используют радиоизотопные термоэлектрические генераторы (РТГ) на основе плутония‑238. Изотоп выделяет тепло в результате естественного радиоактивного распада, а термоэлектрический преобразователь превращает его в электричество.
Такие генераторы обеспечивают аппараты теплом и электроэнергией на протяжении десятилетий — это критически важно для долгосрочных миссий, например, к внешним планетам Солнечной системы, подводит итог эксперт.