Сахар из Мурчисонского метеорита имеет внеземное происхождение

Долгое время вопрос о том, происходит ли синтез сахаров в космосе, оставался открытым: соединения из этого класса обнаруживали в метеоритах, но из-за крайне малых концентраций не удавалось выяснить, где они образовались. То ли эти сахара действительно прилетели на Землю из космоса, то ли они попали на метеорит в результате загрязнения при падении. Анализ изотопов углерода в сахарах двух метеоритов, проведенный недавно командой американских и японских ученых, подтвердил их внеземное происхождение и добавил важный аргумент в пользу гипотезы мира РНК.

Метеориты из класса углистых хондритов могут содержать в своем составе большое количество разнообразных органических веществ. Так, сообщения о первых находках сахаров в метеоритах относятся еще к началу 1960-х годов (E. Degens, M. Bajor, 1962. Amino acids and sugars in the Bruderheim and Murray meteorite). Однако на тот момент возможностей методов анализа было недостаточно, чтобы различить сахара, попавшие в пробу в результате загрязнения земными молекулами, и собственные сахара, прилетевшие из космоса, поэтому многие ученые относились к этой информации с недоверием.

Настоящий бум в изучении внеземного органического вещества произошел немного позже, в семидесятых, после падения метеорита Мурчисон. Оно произошло 28 сентября 1969 года неподалеку от одноименной австралийской деревни. Значительная часть осколков была собрана в течение нескольких дней после падения, что обеспечило их отличную сохранность для дальнейших исследований. Из-за высоких концентраций ароматических соединений фрагменты этого метеорита обладают отчетливым запахом, который иногда характеризуют как «смоляной» или «похожий на метиловый спирт».

Уже в 1970 году была опубликована статья, в которой сообщалось о находке в Мурчисонском метеорите аминокислот и ряда других углеводородных соединений (K. Kvenvolden et al., 1970. Evidence for extraterrestrial amino-acids and hydrocarbons in the Murchison meteorite). За сорок лет в нем было найдено более 14 000 различных органических соединений, в их числе 70 аминокислот, из которых на Земле встречаются только 19 (P. Schmitt-Kopplin et al., 2010. High molecular diversity of extraterrestrial organic matter in Murchison meteorite revealed 40 years after its fall). Если молекула не характерна для земных органических соединений и известных реакций, то доказать ее космическое происхождение не представляет особой сложности. Но как быть, например, с повсеместно распространенными сахарами?

Самый характерный маркер, по которому можно определить происхождение углеродного соединения, — соотношение изотопов углерода. Изотопы — атомы одного и того же элемента с одинаковым количеством протонов и электронов, но с разным количеством нейтронов. Это влияет на вес и размер атома и, соответственно, на его поведение в химических и физических процессах. Некоторые наборы нейтронов являются нестабильными и через какое-то время самопроизвольно распадаются, такие изотопы радиоактивны. У углерода есть два стабильных (не распадающихся) изотопа ¹²С и ¹³С с соответствующим количеством нейтронов. Земная органика из-за особенностей биохимических процессов, в особенности фотосинтеза, обогащена ¹²С относительно космического. Соответственно, проанализировав содержание этих изотопов в образце и поделив на некоторый неизменный стандарт, можно сравнить относительное содержание изотопов углерода в любых образцах. Этот параметр обозначается ?¹³C и вычисляется по следующей формуле:

[delta^{13}mathrm{C}=left(dfrac{left(dfrac{^{13}mathrm{C}}{^{12}mathrm{C}} ight)_{mathrm{sample}}}{left(dfrac{^{13}mathrm{C}}{^{12}mathrm{C}} ight)_{mathrm{standard}}}-1 ight) imes1000,‰.]

Проанализировав фрагменты метеорита Мурчисон и еще одного углистого хондрита NWA 801, найденного в 2001 году на северо-западе Африки, команда ученых их Японии и США впервые не просто установила набор сахаров в них, но и абсолютно точно подтвердила их космическое происхождение с помощью описанного изотопного метода. Их статья недавно вышла в журнале PNAS.

С помощью газовой хромато-масс-спектрометрии были установлены четыре альдопентозы — пятиуглеродных моносахарида (рибоза, арабиноза, ксилоза и ликсоза, см. рис. 2) в концентрациях от 2,3 до 11 мг/т в NWA 801 и от 6,7 до 180 мг/т в Мурчисонском метеорите. Также были найдены несколько шестиуглеродных моносахаридов (гексоз), которые детально не изучались.

Рис. 2. Структуры молекул альденопентоз (2–5) космического происхождения. Рисунок из обсуждаемой статьи в PNAS

Затем были измерены соотношения стабильных изотопов углерода в обнаруженных сахарах. Для сравнения и оценки возможного загрязнения также были проанализированы эти соотношения в сахарах из проб почвы, отобранной в 1999 году на месте падения Мурчисонского метеорита.

Ксилоза в NWA 801, а также рибоза и арабиноза в Мурчисонском метеорите оказались обогащены изотопом ¹³С относительно стандарта (от +8 до 43 промилле), тогда как ксилоза из Мурчисона — обеднена (?1‰, рис. 3). Это разительно отличает их от «местных» сахаров, возникших биогенным путем и обогащенных другим изотопом ¹²С (значения в зеленом поле на рис. 3). Пентозы и гексозы из водорослей и высших растений, к примеру, имеют значения ?¹³C, лежащие в диапазоне от ?32 до 1‰, а сахара из почвы в месте падения — и того меньше: от ?52 до ?44‰. Отличия изотопного состава являются решительным аргументом в пользу их внеземного происхождения, и исключают гипотезу загрязнения земным материалом.

Рис. 3. Результаты анализа соотношений стабильных изотопов углерода в Мурчисонском метеорите и метеорите NWA 801 (красный), которые сравниваются с земными образцами (зеленый) и иными внеземными органическими соединениями (синий). Рисунок из обсуждаемой статьи в PNAS

Основным механизмом формирования сахаров на метеорите авторы статьи предполагают реакцию Бутлерова. Эта автокаталитическая (поддерживаемая получаемыми в ходе реакции продуктами) реакция образования сахаров из формальдегида (CH₂O) вполне могла происходить в слабощелочных растворах на астероидах в присутствии ионов магния. Поставив эту реакцию в лабораторных условиях, авторы статьи получили итоговое соотношение концентраций сахаров очень близкое к тому, что наблюдалось в исследуемых метеоритах. Это может служить аргументом в пользу именно такого пути формирования.

Обнаруженные сахара, в особенности рибоза, имеют критическое значение для жизни и биохимических процессов. Кроме того, факт их обнаружения подтверждает, что на малых телах нашей и других планетарных систем могут протекать соответствующие химические реакции. Отсутствие дезоксирибозы и одновременное наличие рибозы, позволяет предположить большую ее доступность на молодой Земле (за счет доставки метеоритами), что является весомым геологическим аргументом в пользу гипотезы мира РНК — идее об этапе возникновения жизни, предшествовавшем возникновению ДНК, когда за хранение генетической информации и поддержание биохимических реакций отвечали молекулы РНК.

Источник: Yoshihiro Furukawa, Yoshito Chikaraishi, Naohiko Ohkouchi, Nanako O. Ogawa, Daniel P. Glavin, Jason P. Dworkin, Chiaki Abe, and Tomoki Nakamura. Extraterrestrial ribose and other sugars in primitive meteorites // PNAS. 2019. DOI: 10.1073/pnas.1907169116.

Кирилл Власов