Бездна органики: в космосе обнаружен новый сложный спирт

Астрономы с помощью лучшего в своем классе радиотелескопа ALMA обнаружили в межзвездном облаке Стрелец B2 (Sgr B2) спирт изопропанол. Наряду со своим братом-близнецом пропанолом это самый сложный спирт и вообще одно из сложнейших химических соединений, найденных в межзвездном веществе. Открытие поможет ученым разобраться, откуда в космосе берутся органические вещества, которые, возможно, служат питательной средой для возникновения жизни.

Пропанол (пропиловый спирт) — это спирт с химической формулой C₃H₇OH. Пропанол входит в состав парфюмерии, дезинфицирующих средств для кожи и так далее (на всякий случай: его ни в коем случае нельзя пить).

Это всего третий спирт, обнаруженный в космосе. Первыми были метанол (CH₃OH) и этанол (C₂H₅OH). Нетрудно заметить, что молекула пропанола сложнее: в ней 12 атомов. Девятиатомный этанол остался позади, но любим мы его не за это.

Вообще, на сегодня в межзвездной среде обнаружены молекулы 276 веществ, органических или нет (ниже мы поговорим о том, как астрономы обнаруживают в космосе химические соединения). Лишь 19 из них состоят из 12 и более атомов. Если не считать фуллеренов C₆₀ и C₇₀, самое сложное «межзвездное» соединение — цианонафталин C₁₀H₇CN. Двадцать атомов в молекуле — это ненамного больше двенадцати. Таким образом, пропанол не только самый сложный спирт, но и вообще одно из самых сложных веществ, когда-либо обнаруженных в межзвездном пространстве.

Стоп, воскликнет внимательный читатель, причем здесь пропанол, когда мы говорили про изопропанол? Притом что это почти то же самое. Изопропанол, он же 2-пропанол, отличается от пропанола только расположением атомов в молекуле. Группа OH в нем прикреплена не к концевому, а к среднему атому углерода.

Ранее астрономы, работающие с ALMA, обнаружили пропанол в том же облаке Стрелец B2. Теперь к нему добавился его близнец изопропанол. Сделать это открытие было непросто. ALMA — самый чувствительный инструмент в мире в своем диапазоне радиоволн, и будь его чувствительность меньше хотя бы вдвое, не видать бы астрономам нового соединения.

Теперь ученым предстоит тщательно измерить, чего в межзвездном облаке больше, пропанола или изопропанола, и насколько. Почему это важно? Потому что эти соединения очень похожи по строению молекулы, а значит, по своим химическим и физическим свойствам. Процессов, предпочитающих одно из этих веществ другому, очень немного. И это весьма строгое ограничение для любой теории, объясняющей, как в холодных облаках межзвездного вещества образуется органика. А ученые любят строгие наблюдательные ограничения. Они позволяют отбрасывать неверные модели и разбираться, что же происходит на самом деле.

Субстрат жизни

Кстати, что вообще такое органика? Когда-то «органический» означало «происходящий из живой природы». Естествоиспытатели называли так вещества, которые, казалось, невозможно получить без участия живых организмов. Правда, первая брешь в этом представлении была пробита еще в начале XIX века, а сегодня оно и вовсе сдано в утиль. Но прилагательное «органический» намертво прилипло к определенным соединениям. Так что сегодня авторам учебников приходится ломать голову, как же определить этот термин, чтобы в числе прочего охватить метан и мочевину, но не воду или углекислый газ.

Мы не будем гоняться за строгостью формулировок. Просто заметим, что основа почти любой органической молекулы — цепочка из атомов углерода. По бокам к этим углеродным звеньям крепятся атомы других элементов, чаще всего водорода.

Иногда эти цепочки содержат лишь несколько атомов. Тогда получается простейшая органика вроде уже упомянутых этанола и пропанола. Но атомы углерода способны выстраиваться и в цепи огромной длины. Например, в молекуле полиэтилена в ряд выстроены несколько тысяч атомов. Вообще, причудливые многоатомные молекулы — визитная карточка органической химии.

Но и полиэтилен меркнет по сравнению с ДНК человека, в молекуле которой миллиарды углеродных звеньев. Впрочем, жизнь — самое сложное химическое явление, которое нам известно. Ничего удивительного, что оно требует сложнейших веществ.

Итак, «органический» больше не значит «биологический», но «биологический» это почти всегда «органический». Белки, жиры, углеводы, ДНК и многое другое — органические соединения. Без сложной органики невозможна жизнь, какой мы ее знаем. Именно поэтому так велик интерес к органике в космосе.

Когда органика старше звезд

В Солнечной системе органические вещества не редкость. Они обнаружены на планетах и спутниках, кометах и астероидах, на ледяных телах пояса Койпера и в составе метеоритов. Но когда возникла эта органика? Уже после образования планет? Или раньше, в протопланетном диске, окружавшем новорожденное Солнце? А может быть, она старше нашей звезды и досталась нам в наследство от протозвездного облака?

Правильный ответ на этот вопрос — смотря какая органика. Некоторые органические вещества возникают в Солнечной системе и прямо сейчас. Например, предполагается, что оранжевая дымка в атмосфере Титана состоит из органики, образующейся под действием солнечного ультрафиолета. С другой стороны, органика была и в протопланетном диске. Ею богаты некоторые метеориты, образовавшиеся раньше планет. А вот о составе протосолнечного вещества у нас мало сведений. Правда, в метеоритах изредка встречаются его микроскопические включения (пресолярные зерна). Но это в буквальном смысле крохи нужной информации. Не так-то легко отыскать следы событий, происходивших 5 миллиардов лет назад!

К счастью, в Галактике хватает мест, где звезды зарождаются прямо сейчас. В числе этих «родильных домов» и Стрелец B2.

Космос никуда не торопится

Межзвездное пространство — вовсе не абсолютная пустота. Суммарная масса рассеянного по нему вещества не уступает общей массе звезд. И в конце концов именно из него и рождаются светила, так что мы никак не можем сбрасывать его со счетов.

Но там не так-то просто встретить молекулы, а тем более химические реакции. Если вы ткнете пальцем в случайную точку Млечного Пути, местный водород наверняка будет представлять собой плазму или одиночные атомы, но не молекулы H₂.

И все же в Галактике есть облака молекулярного водорода. Масса такого облака может измеряться миллионами солнц. Эти облака огромны и неоднородны. В них есть сгустки, где плотность вещества достаточна для рождения звезд. Это и есть химический котел Вселенной. Но если вам кажется, что он кипит и бурлит, вы ошибаетесь.

Для начала, там очень низкая концентрация газа (мы можем узнать ее благодаря радиоволнам, которые испускают молекулы водорода). Среднее расстояние между соседними молекулами измеряется метрами. Метрами! По земным меркам это просто-напросто вакуум. Не обрадует химика и температура, которая всего на несколько градусов выше абсолютного нуля.

Наконец, состав этой материи мало изменился со времен, когда во Вселенной еще не было звезд. Она все еще почти полностью состоит из простейших элементов: на 77% из водорода и на 21% из гелия. На всю остальную таблицу Менделеева приходится меньше 2 процентов. Чему и с чем тут реагировать?

И все же по облаку рассеяны микроскопические твердые пылинки, доставшиеся ему в наследство от предыдущего поколения звезд. На их поверхности и происходят реакции. Время — вот ресурс, который в избытке имеется у межзвездного химического котла. Процессы, которые на Земле занимают секунды, там идут сотни тысяч и миллионы лет. Реакции облегчают космические лучи. Они срывают с некоторых атомов электроны и превращают их в ионы, которые гораздо активнее нейтральных атомов.

Правда, некоторые из образующихся молекул повергли бы земного химика в замешательство. Это, например, молекула OH (не H₂O). «Две такие молекулы образуют молекулу воды, как только встретятся!» — воскликнет химик. «Они не встретятся», — улыбнется астроном. Впрочем, есть в межзвездных облаках и вполне привычные вещества, например формальдегид и уксусная кислота.

Темный лес органики

Как астрономы обнаруживают те или иные вещества в далеких межзвездных облаках? Дело в том, что молекулы испускают или поглощают излучение на строго определенных частотах (в спектральных линиях, как говорят специалисты). Каждое вещество имеет свой набор спектральных линий, индивидуальный, как отпечатки пальцев. Разумеется, спектральный след вещества становится различим с Земли, лишь когда этого вещества в поле зрения телескопа достаточно много. Речь не о концентрации (она очень низкая), а о суммарной массе.

Однако у молекулы из десятка атомов могут быть тысячи линий, и далеко не все они известны экспериментаторам. А совсем рядом с ними располагаются линии других молекул, и все это сливается в непроходимый лес. Так что обнаружить спектральную линию не так трудно, как ее опознать. Поэтому у нас все еще нет сколько-нибудь полного перечня ингредиентов межзвездного коктейля.

Но постепенно в строй вступают более совершенные телескопы. Да и лаборатории накапливают данные о спектральных линиях различных веществ. Астрономам XXI века предстоит очень интересная задача: полная перепись межзвездной органики. Это поможет понять, какую роль она играет в возникновении жизни на планетах.