Учёные выяснили, как ключевой ингредиент для жизни может формироваться в космосе

Химики из Университета Мэриленда открыли новый способ создания карбенов — класса высокореактивных, но крайне нестабильных и короткоживущих молекул. Карбены участвуют во многих высокоэнергетических реакциях, таких как образование углеводов, и являются ключевыми предшественниками строительных блоков жизни на Земле и, возможно, в космосе.

Учёные успешно получили карбен гидроксиметилен (HCOH), разлагая метанол (распространённый спирт, содержащийся во многих промышленных химикатах, например, в формальдегиде) импульсами ультрафиолетового излучения. Результаты были опубликованы 14 мая 2024 года в Journal of the American Chemical Society.

"Удивительно видеть, что этот карбен образуется из такой обычной молекулы, как метанол — у нас в лабораториях повсюду есть бутылочки с ним", — сказала Лия Додсон, старший автор статьи.

"УФ-лазеры с длиной волны 193 нанометра также довольно стандартны. Это означает, что карбены могут естественным образом образовываться в таких местах, как космос, где много метанола и ультрафиолетового излучения. А дальнейшие реакции карбенов, образованных в космосе таким образом, могут привести к биомолекулам, из которых состоит жизнь".

Результаты исследования проливают свет на механизмы образования и реакций карбенов на Земле, что позволяет лучше понять их потенциал для создания сахаров, необходимых для жизни.

"Существуют исследования, которые предполагают, что HCOH может реагировать с образованием простых сахаров, включая те, что ранее были обнаружены в космосе", — сказала ведущий автор исследования Эмили Хокки. "Мы считаем, что этот карбен, поскольку он происходит от молекулы, которая так широко распространена в космосе, может быть недостающим звеном, связывающим пробелы в наших знаниях о том, как метанол и простые сахара могут привести к более крупным и сложным биомолекулам".

Из-за своей сверхреактивности молекулы карбенов обычно имеют очень короткое время жизни. Это делает их сложными для генерации и наблюдения, что ограничивало глубокое понимание их природы. Однако новый метод команды учёных позволил им детально изучить образование и распад карбенов в миллисекундных масштабах времени. Исследователи с удивлением обнаружили, что HCOH относительно медленно реагирует с кислородом при комнатной температуре.

"Когда мы посмотрели на реакционную способность HCOH в нашей системе при комнатной температуре, мы увидели, что он распадается в течение 15 миллисекунд", — объяснила Хокки. "Интересно то, что, хотя карбены считаются сверхреактивными видами, можно было бы предположить, что эта реакция с кислородом будет настолько быстрой, что её невозможно зафиксировать. Но этого не произошло. Хотя карбен распадался всё быстрее при воздействии кислорода, это было достаточно медленно, чтобы мы могли наблюдать этот распад".

Исследователи полагают, что их метод получения и изучения карбенов поможет астрономам и астрохимикам получить новые данные о происхождении жизни и о том, как она в космосе могла эволюционировать иначе, чем на Земле. Они планируют продолжить работу, более детально изучив процесс распада метанола и количественно оценив различные продукты его реакции на УФ-свет.

"Мы знаем, что в нашем процессе образуются такие карбены, как HCOH, но мы хотели бы глубже изучить, какой процент в итоге превращается в формальдегид, метилен или другие углеводородные радикалы", — пояснила Хокки. "Изначально мы думали, что все продукты будут метоксильными радикалами, но наши эксперименты показывают, что процесс и получаемые продукты сложнее наших первоначальных предположений".

Знание типов и количества продуктов, образующихся при разложении метанола УФ-излучением, даст астрономам и астрохимикам более точное представление об астрофизических объектах и их эволюции за миллиарды лет.

"Если существующие данные о продуктах фотодиссоциации метанола неверны, то и модели, построенные на их основе, будут ошибочными — и наше понимание того, как жизнь эволюционировала из этих молекул, также может быть скомпрометировано", — сказала Додсон. "Наша дальнейшая работа, надеюсь, заложит основу для такого рода симуляций".