Сахар из Мурчисонского метеорита имеет внеземное происхождение

Рис. 1. Фрагмент Мурчисонского метеорита, покрытый черной корой плавления, образующейся при прохождении через атмосферу. Источник фото: wikipedia.org

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 (P. Schmitt-Kopplin et al., 2010. High molecular diversity of extraterrestrial organic matter in Murchison meteorite revealed 40 years after its fall), в числе которых 96 аминокислот, включающих 12 из 20 наиболее распространенных в живых организмах (D. P. Glavin et al., 2020. Extraterrestrial amino acids and L‐enantiomeric excesses in the CM2 carbonaceous chondrites Aguas Zarcas and Murchison). 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 нуклонов. 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 δ¹³C и вычисляется по следующей формуле:

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 δ¹³C, 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, что на молодой Земле рибоза была более доступна (за счет доставки метеоритами), а значит было больше материала для сборки молекул РНК. Это 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