Отслеживание фосфора в космической эволюции: от межзвездного пространства до биохимии Земли

Одна из главных задач астрохимии — понять, как химическое разнообразие планет, комет и газовых облаков возникает из космического цикла материи. Трехвалентный фосфор, связанный с анаэробными условиями на Земле, обнаружен в атмосферах планет-гигантов и в межзвездной среде. Фосфаты найдены в метеоритах и на спутнике Сатурна Энцеладе.

Ученые из Института физической химии Польской академии наук исследуют в лабораториях свойства необычных молекул, которые могут присутствовать в межзвездном пространстве. Их работа опубликована в журнале Physical Chemistry Chemical Physics.

В нашей области галактики содержание фосфора примерно в 200 раз меньше, чем азота. Это отражается в том, что в межзвездной среде (МЗС) идентифицировано только семь P-содержащих соединений (CP, NCCP, CCP, HCP, PN, PO, PH₃), в то время как известно более 100 N-содержащих видов. Однако фосфор более распространен на Земле, чем в целом во Вселенной, и является ключевым для жизни (нуклеотиды, фосфолипиды, нуклеиновые кислоты).

Команда под руководством проф. Роберта Колоса исследовала фотохимию фосфабутина (CH₃CH₂CP). Молекула, вмороженная в инертный лед при ~10 Кельвин и облученная ультрафиолетом, подвергалась изомеризации и потере водорода. Были обнаружены два важных продукта:

• Фосфабутадиин (HC₃P) — аналог известного астрономического соединения цианоацетилена (HC₃N).
• Винилфосфаэтин (H₂CCHCP) — аналог винилцианида (H₂CCHCN).

Эти реакционноспособные молекулы были стабилизированы в аргоновой матрице и охарактеризованы с помощью инфракрасной спектроскопии. Квантово-химические расчеты помогли сопоставить частоты молекулярных колебаний с конкретными соединениями. Также были обнаружены экзотические изомеры исходной молекулы и меньшие продукты: этинилфосфиниден (HCCP) и фосфаэтин (HCP).

"Мы исследовали совершенно неизученную инфракрасную спектроскопию HC₃P и CH₂CHCP. До сих пор были опубликованы только их микроволновые, то есть чисто вращательные спектры. Характеристика молекулярных колебаний таких экзотических P-содержащих молекул важна для развивающейся области инфракрасной астроспектроскопии", — говорит проф. Колос.

Др. Ловзер уточняет: "В случае HC₃P мы измерили целых пять колебательных частот, что должно помочь будущим удаленным обнаружениям".

Исследование раскрывает колебательные сигнатуры малоизученных молекул и показывает, как УФ-свет может разрушать фосфорсодержащие производные в химически инертной ледяной среде, что является первым шагом к пониманию реакций в МЗС.

"HC₃P, фосфорный аналог известной астромолекулы HC₃N, выглядит кандидатом для обнаружения с помощью космического телескопа Джеймса Уэбба", — отмечает др. Кастер.

Со временем исследователи надеются выяснить, присутствуют ли такие переносчики фосфора в космосе и важны ли они для происхождения жизни.