Του καθηγητή Ξενοφώντος Μουσά
Οι σύγχρονες διαστημικές αποστολές έχουν δείξει ότι οργανικές ενώσεις είναι εξαιρετικά διαδεδομένες στο Ηλιακό Σύστημα. Αυτό δεν σημαίνει ύπαρξη ζωής, αλλά δείχνει ότι τα «δομικά υλικά» της ζωής σχηματίζονται εύκολα στην φύση.
Στον δορυφόρο Τιτάνα, που μελετήσαμε με την ομάδα μου, έχουν ανιχνευθεί μεγάλες ποσότητες υδρογονανθράκων, μεθανίου και αιθανίου, λίμνες υγρών υδρογονανθράκων και πολύπλοκα οργανικά αερολύματα στην ατμόσφαιρα. Οι αποστολές Cassini–Huygens έδειξαν ότι η φωτοχημεία στην ατμόσφαιρα του Τιτάνα παράγει συνεχώς οργανικά μόρια.
Το ίδιο ισχύει και για τον δορυφόρο Εγκέλαδο, που επίσης μελέτησε η ομάδα μας, ανιχνεύθηκαν οργανικά μόρια μέσα στους πίδακες νερού που εκτοξεύονται από τον υπόγειο ωκεανό του. Βρέθηκαν επίσης ενώσεις άνθρακα και πιθανές ενδείξεις υδροθερμικής δραστηριότητας στον πυθμένα του ωκεανού, κάτι ιδιαίτερα σημαντικό για την αστροβιολογία.
Ο κομήτης 67P/Churyumov–Gerasimenko που μελέτησε η αποστολή Rosetta έδωσε εξαιρετικά σημαντικά αποτελέσματα: ανιχνεύθηκαν αμινοξέα όπως η γλυκίνη, φωσφόρος και πολλές οργανικές ενώσεις. Αυτά θεωρούνται βασικά συστατικά της προβιοτικής χημείας.
Πολύ σημαντικό είναι το γεγονός ότι στον αστεροειδή Ryugu της ιαπωνικής αποστολής Hayabusa2 και στον Bennu της αποστολής OSIRIS-REx βρέθηκαν οργανικά μόρια, αμινοξέα και ενώσεις πλούσιες σε άνθρακα.
Ωστόσο χρειάζεται προσοχή στη διατύπωση:
- Δεν βρέθηκε DNA ούτε πραγματικά τμήματα DNA. Βρέθηκαν «συστατικά» ή πρόδρομες ενώσεις σχετικές με το DNA και RNA, όπως νουκλεοβάσεις (π.χ. ουρακίλη) και οργανικά μόρια που συμμετέχουν στην βιοχημεία. Αυτό είναι πολύ σημαντικό, διότι δείχνει ότι η προβιοτική χημεία μπορεί να είναι κοσμικό φαινόμενο και όχι αποκλειστικά γήινο.
Η εικόνα που προκύπτει σήμερα είναι ότι:
- Το νερό είναι κοινό, όπως δίδασκα ήδη από την εποχή που όλοι θεωρούσαν ότι είναι πολύ σπάνιο, θα ήταν ασυνήθιστο να μην υπάρχει νερό παντού, όπου το επέτρεπε η θερμοκρασία σχηματισμού του ουρανίου σώματος, και με δεδομένο ότι το υδρογόνο είναι το πιο κοινό χημικό στοιχείο και το οξυγόνο ένα από τα πιο θερμά,
- οι οργανικές ενώσεις είναι κοινές, επίσης εκεί όπου η θερμοκρασία δεν τις διασπά,
- οι υδρογονάνθρακες και τα αμινοξέα σχηματίζονται φυσικά γιατί έχουν όλο τον χρόνο να σχηματιστούν, και
- οι πρώτες ύλες της ζωής υπάρχουν σε κομήτες, αστεροειδείς και παγωμένους δορυφόρους.
Αυτό ενισχύει σημαντικά τις θεωρίες της κοσμικής χημικής εξέλιξης και της πανσπερμίας, χωρίς όμως ακόμη να αποτελεί απόδειξη εξωγήινης ζωής
Ναι· αυτό είναι ένα από τα βασικά συμπεράσματα της σύγχρονης αστροχημείας. Στο Σύμπαν υπάρχουν τεράστιες χρονικές κλίμακες, τεράστιες ποσότητες ύλης και αμέτρητα χημικά «εργαστήρια» — διαστρικά νέφη, κομήτες, αστεροειδείς, παγωμένοι δορυφόροι, ατμόσφαιρες πλανητών. Ακόμη και πολύ αργές αντιδράσεις, όταν δρουν επί εκατομμύρια ή δισεκατομμύρια χρόνια, παράγουν σημαντικές ποσότητες οργανικών ενώσεων.
Οι υδρογονάνθρακες σχηματίζονται σχετικά εύκολα όταν υπάρχουν:
- άνθρακας,
- υδρογόνο,
- υπεριώδης ακτινοβολία,
- κοσμικές ακτίνες, και χ
- χαμηλές θερμοκρασίες πάνω σε κόκκους πάγου ή σκόνης.
Σε μοριακά νέφη έχουν ήδη ανιχνευθεί δεκάδες οργανικά μόρια, ακόμη και πολύπλοκες ενώσεις.
Οι παγωμένες επιφάνειες λειτουργούν σαν καταλύτες: τα άτομα «κολλούν», μετακινούνται αργά και τελικά συνδέονται χημικά.
Τα αμινοξέα μπορούν να σχηματισθούν από απλές ενώσεις όπως:
- νερό,
- μεθάνιο,
- αμμωνία,
- διοξείδιο ή μονοξείδιο του άνθρακα.
Η υπεριώδης ακτινοβολία και οι ηλεκτρικές εκκενώσεις παρέχουν την ενέργεια για τη σύνθεση. Αυτό είχε ήδη φανεί στο κλασσικό πείραμα των St. Miller και H. Urey, ενώ σήμερα επιβεβαιώνεται σε διαστημικά περιβάλλοντα.
Το κρίσιμο σημείο είναι ότι η φύση «δοκιμάζει» συνεχώς τεράστιους αριθμούς χημικών συνδυασμών:
- επί δισεκατομμύρια χρόνια,
- σε τρισεκατομμύρια σώματα,
- κάτω από πολλές διαφορετικές συνθήκες.
Έτσι, ενώ η δημιουργία μιας συγκεκριμένης πολύπλοκης ένωσης μπορεί να είναι σπάνια σε μικρό χρονικό διάστημα, στο κοσμικό επίπεδο γίνεται σχεδόν αναπόφευκτη.
Αυτός είναι και ο λόγος που πολλοί αστροβιολόγοι θεωρούν ότι η προβιοτική χημεία πιθανόν είναι συνηθισμένη στο Σύμπαν.
Το μεγάλο ανοικτό ερώτημα δεν είναι πλέον αν σχηματίζονται οργανικές ενώσεις, αλλά πώς και πόσο συχνά η χημεία περνά από τα οργανικά μόρια στην πραγματική ζωή.
Η δημιουργία πολύπλοκων οργανικών ενώσεων — ακόμη και δομών όπως τα φουλερένια — απαιτεί συνδυασμό κατάλληλων χημικών στοιχείων, πηγών ενέργειας και φυσικών περιβαλλόντων. Το εντυπωσιακό είναι ότι τέτοιες συνθήκες φαίνεται να υπάρχουν σε πολλά μέρη του Σύμπαντος.
Βασικές συνθήκες σχηματισμού οργανικών ενώσεων
- Παρουσία άνθρακα: Ο άνθρακας είναι καθοριστικός επειδή:
- σχηματίζει 4 χημικούς δεσμούς,
- δημιουργεί αλυσίδες και δακτυλίους,
- επιτρέπει τεράστια ποικιλία μορίων.
Οι αστέρες παράγουν άνθρακα μέσω πυρηνοσύνθεσης και τον διασπείρουν με αστρικούς ανέμους και εκρήξεις υπερκαινοφανών.
- Υδρογόνο, άζωτο, οξυγόνο: Τα στοιχεία αυτά είναι άφθονα:
H → υδρογονάνθρακες,
O → αλκοόλες, οξέα, νερό,
N → αμινοξέα, νουκλεοβάσεις.
Σε διαστρικά νέφη βρίσκονται:
H₂O, NH₃, CH₄, CO, CO₂, πάνω σε παγωμένους κόκκους σκόνης. Τα ίδια στους κομήτες, όπως γνωρίζουμε από το 1910, οπότε ανιχνεύσιμες και υδροκυάνιο!
- Πηγή ενέργειας: Χρειάζεται ενέργεια ώστε να σπάσουν και να επανασυνδεθούν δεσμοί:
- υπεριώδης ακτινοβολία,
- κοσμικές ακτίνες,
- ηλεκτρικές εκκενώσεις,
- θερμότητα,
- κρουστικά κύματα.
Η ενέργεια οδηγεί σε πολύπλοκη φωτοχημεία.
- Χρόνος: Οι αντιδράσεις στο διάστημα είναι αργές, αλλά:
- δρουν επί εκατομμύρια–δισεκατομμύρια χρόνια,
- σε τεράστιους όγκους ύλης.
Έτσι παράγονται ακόμη και σπάνιες ενώσεις.
- Επιφάνειες καταλυτών: Οι παγωμένοι κόκκοι σκόνης λειτουργούν σαν μικρά εργαστήρια:
- συγκρατούν άτομα,
- αυξάνουν την πιθανότητα συγκρούσεων,
- διευκολύνουν αντιδράσεις. Αυτό θεωρείται κρίσιμο για την προβιοτική χημεία.
- Συνθήκες για φουλερένια: Τα φουλερένια, όπως το Buckminsterfullerene (C₆₀), είναι κλειστά «κλωβοειδή» μόρια άνθρακα με μορφή ποδοσφαιρικής μπάλλας. Για να σχηματισθούν απαιτούνται συνθήκες διαφορετικές από εκείνες των απλών οργανικών ενώσεων:
Υψηλές θερμοκρασίες
Συνήθως:
- > 1000 K,
- περιβάλλον πλούσιο σε άνθρακα.
Παράγονται όταν εξατμίζεται γραφίτης ή άνθρακας.
Γρήγορη ψύξη.
Μετά την θέρμανση χρειάζεται γρήγορη ψύξη ώστε:
- τα άτομα άνθρακα να «κλειδώσουν» σε σταθερές δομές.
- Περιβάλλον φτωχό σε οξυγόνο
Αν υπάρχει πολύ οξυγόνο, ο άνθρακας γίνεται κυρίως CO ή CO₂ και δεν σχηματίζει μεγάλες καθαρές δομές.
Αστρικά περιβάλλοντα
Φουλερένια έχουν ανιχνευθεί:
- σε πλανητικά νεφελώματα
- γύρω από γηραιούς αστέρες,
- στο διαστρικό μέσο.
Η ανακάλυψή τους στο διάστημα ήταν πολύ σημαντική, διότι έδειξε ότι το Σύμπαν μπορεί να παράγει αυθόρμητα πολύ σταθερές νανοδομές άνθρακα.
Γιατί τα φουλερένια είναι σημαντικά
Τα φουλερένια:
- είναι εξαιρετικά σταθερά,
- αντέχουν ακτινοβολία,
- μπορούν να εγκλωβίζουν άτομα στο εσωτερικό τους,
- πιθανόν προστατεύουν οργανικά μόρια στο διάστημα.
Μερικοί ερευνητές έχουν προτείνει ότι τέτοιες δομές ίσως βοήθησαν στην μεταφορά οργανικών ενώσεων στην πρώιμη Γη μέσω κομητών και αστεροειδών.
Το υδροκυάνιο (HCN) είναι από τα σημαντικότερα μόρια που έχουν ανιχνευθεί σε κομήτες και θεωρείται κεντρικό μόριο της προβιοτικής χημείας. Παρά την τοξικότητά του για τους σύγχρονους οργανισμούς, σε προβιοτικές συνθήκες είναι εξαιρετικά δραστικό χημικό πρόδρομο για σύνθεση πολύπλοκων οργανικών ενώσεων.
Υδροκυάνιο στους κομήτες:
Το HCN έχει ανιχνευθεί φασματοσκοπικά σε πολλούς κομήτες: στον Halley’s Comet, στον 67P/Churyumov–Gerasimenko, στον Hale–Bopp, και σε πολλούς ακόμη κομήτες μακράς και βραχείας περιόδου.
Η αποστολή Rosetta ανίχνευσε:
- HCN, φορμαλδεΰδη, μεθανόλη, γλυκίνη, φωσφόρο,
- θειούχες οργανικές ενώσεις, και πλήθος πτητικών οργανικών μορίων.
Γιατί το HCN είναι τόσο σημαντικό;
Το υδροκυάνιο είναι μικρό αλλά εξαιρετικά «γόνιμο» χημικά μόριο. Από αυτό μπορούν να σχηματισθούν:
- αμινοξέα, νουκλεοβάσεις, αδενίνη, οργανικά πολυμερή, και πρόδρομες ενώσεις RNA/DNA.
Ένα κλασσικό αποτέλεσμα της προβιοτικής χημείας είναι ότι πέντε μόρια HCN μπορούν να οδηγήσουν στον σχηματισμό αδενίνης, δηλαδή μίας από τις βασικές βάσεις του DNA και RNA.
Πώς σχηματίζεται το HCN στο διάστημα;
Το HCN σχηματίζεται σχετικά εύκολα: σε διαστρικά νέφη, σε ατμόσφαιρες πλούσιες σε άζωτο και μεθάνιο, σε κομήτες, και σε περιοχές αστρογένεσης.
Αρκούν: άνθρακας, άζωτο, υδρογόνο, και ενέργεια από UV ή κοσμικές ακτίνες. Γι’ αυτό θεωρείται σχεδόν «κοσμικό» μόριο.
Κομήτες ως φορείς προβιοτικής χημείας
Οι κομήτες είναι ουσιαστικά παγωμένα απολιθώματα του πρώιμου Ηλιακού Συστήματος. Περιέχουν: πάγο νερού, CO, CO₂, CH₄, NH₃, HCN και σύνθετες οργανικές ενώσεις.
Κατά τον βομβαρδισμό της πρώιμης Γη πιθανόν μετέφεραν: νερό, οργανικά μόρια και πρόδρομες βιοχημικές ενώσεις.
Αυτό συνδέεται με θεωρίες: κοσμικής χημικής εξέλιξης, εξωγενούς προέλευσης οργανικών, και ηπιότερων μορφών πανσπερμίας.
Πολύπλοκες οργανικές ενώσεις στους κομήτες
Σήμερα γνωρίζουμε ότι οι κομήτες περιέχουν: αλειφατικούς υδρογονάνθρακες, αρωματικούς υδρογονάνθρακες, αλκοόλες, αμίνες, καρβονυλικές ενώσεις, αμινοξέα, πιθανώς προ-πολυμερή οργανικά υλικά.
Το οργανικό υλικό πολλών κομητών μοιάζει με το αδιάλυτο οργανικό υλικό που βρίσκεται στους ανθρακούχους χονδρίτες.
Η συνολική εικόνα που προκύπτει είναι ότι η πρώιμη ηλιακή νεφέλη ήταν ήδη πλούσια σε οργανική χημεία πριν ακόμη σχηματισθεί πλήρως η Γη. Το ίδιο έγινε σε άλλα άστρα. Η σύγχρονη αστροχημεία δείχνει πλέον ότι η οργανική χημεία δεν είναι εξαίρεση· είναι φυσικό αποτέλεσμα της εξέλιξης της ύλης σε ένα Σύμπαν πλούσιο σε άνθρακα, ενέργεια και χρόνο.
ατοιχεια ζωης ηλιακο συστημα Στοιχειο εξωγηινη ζωη ηλιος μουσας
