Исследователи пролили свет на то, как ключевой ингредиент жизни может образовываться в космосе

На этом рисунке изображена химическая структура метанола (CH₃OH), распадающаяся на гидроксиметилен (HCOH), важнейший предшественник строительных блоков жизни. Автор: Leah Dodson and Emily Hockey.

Команда химиков из Университета Мэриленда открыла новый способ создания карбенов — класса высокореактивных, но, как известно, недолговечных и нестабильных молекул. Карбены, участвующие во многих высокоэнергетических химических реакциях, таких как образование углеводов, являются важнейшими предшественниками строительных блоков жизни на Земле — и, возможно, в космосе.

Ученые успешно образовали карбен под названием гидроксиметилен (HCOH), разлагая метанол (обычный спирт, содержащийся во многих промышленных химикатах, таких как формальдегид) импульсами ультрафиолетового излучения. Результаты были опубликованы в статье 14 мая 2024 года в Журнале Американского химического общества.

«Удивительно видеть, что этот карбен произошел от такой распространенной молекулы, как метанол — у нас есть бутылки с ним в лабораториях повсюду», — сказала Лия Додсон, доцент кафедры химии и биохимии в UMD и старший автор статьи.

«УФ-лазеры с длиной волны 193 нанометра также являются довольно стандартными. Это означает, что карбены могут естественным образом образовываться в таких местах, как космос, где много метанола и ультрафиолетового излучения. И дальнейшие реакции карбенов, образующихся в космосе в результате этого процесса, могут привести к биомолекулы, из которых состоит жизнь».

Результаты исследования дают представление о механизмах образования и реакций карбенов на Земле, что ведет к лучшему пониманию потенциала молекулы по созданию сахаров, необходимых для жизни.

«Имеются авторитетные исследования, которые предполагают, что HCOH может реагировать с образованием простых сахаров, в том числе тех, которые ранее были обнаружены в космосе», — сказала ведущий автор исследования Эмили Хоккей. «Мы думаем, что этот карбен, поскольку он происходит от молекулы, которая настолько распространена в космосе и может быть обнаружена где угодно, является недостающим элементом, заполняющим пробелы в наших знаниях о том, как метанол и простые сахара могут привести к созданию более крупных и совершенных биомолекул. "

Додсон (слева) и Хоккей (справа) наблюдают за данными в исследовательском центре Advanced Light Source в Национальной лаборатории Лоуренса Беркли в Беркли, Калифорния, где они проводили эксперименты с метанолом и ультрафиолетовым излучением. Автор: Leah Dodson and Emily Hockey.

Из-за своей сверхреактивности молекулы карбена обычно имеют очень короткое время жизни. Эти характеристики затрудняют создание и наблюдение учеными карбенов, что ограничивает глубокое понимание молекулы. Но новый метод производства карбенов, предложенный командой UMD, позволил им изучить молекулы достаточно внимательно, чтобы увидеть их образование и распад в течение миллисекундных интервалов времени. Исследователи были удивлены, обнаружив, что HCOH относительно медленно реагирует с кислородом при комнатной температуре.

«Когда мы посмотрели на реактивность HCOH в нашей системе комнатной температуры, мы увидели, что он распадается в течение 15 миллисекунд», — объяснил Хоккей. «Интересно то, что, поскольку карбены считаются сверхреактивными соединениями, разумно предположить, что этот карбен будет реагировать так быстро на что-то вроде кислорода, что его невозможно будет уловить. Но этого не произошло. Хотя карбен разлагался быстрее и быстрее при воздействии кислорода, он был достаточно медленным, чтобы мы все еще могли наблюдать этот распад».

Исследователи полагают, что их метод производства и изучения карбенов поможет астрономам и астрохимикам получить новое представление о происхождении жизни и о том, как жизнь в космосе могла развиваться иначе, чем жизнь на Земле. Они надеются развить свои выводы, внимательно изучив, что происходит во время распада метанола, и количественно определив различные продукты, образующиеся в результате реакции метанола на ультрафиолетовый свет.

«Мы знаем, что карбены, такие как HCOH, образуются в ходе нашего процесса, но мы хотели бы углубиться в то, какой процент из них превращается, например, в формальдегид, метилен или другие углеводородные радикалы», — объяснил Хоккей. «Изначально мы думали, что все продукты будут метокси-радикалами, но наши эксперименты показывают, что процесс и получаемые продукты более сложны, чем наши первоначальные предположения».

Знание типов и количества продуктов, образующихся в результате расщепления метанола УФ-излучением, предоставит астрономам и астрохимикам более точное представление об астрофизических объектах и о том, как они развивались на протяжении миллиардов лет.

«Если существующие данные о том, что образуется в результате фотодиссоциации метанола, неверны, то и распространяемые модели также будут неверными, и наше понимание того, как жизнь возникла из этих молекул, также может быть поставлено под угрозу», — сказал Додсон. «Наша последующая работа, надеюсь, заложит основу для подобных симуляций».

Больше информации: Emily K. Hockey et al, Direct Observation of Gas-Phase Hydroxymethylene: Photoionization and Kinetics Resulting from Methanol Photodissociation, Journal of the American Chemical Society (2024). DOI: 10.1021/jacs.4c03090

Источник: University of Maryland