Kemisk efterforskning afslører mulig vej til at danne livets byggesten i rummet

Forskere har brugt laboratorieeksperimenter til at spore de kemiske trin, der fører til skabelsen af ​​komplekse kulbrinter i rummet, viser veje til dannelse af 2-D kulstofbaserede nanostrukturer i en blanding af opvarmede gasser.

Den seneste undersøgelse, som indeholdt eksperimenter ved Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), kunne hjælpe med at forklare tilstedeværelsen af ​​pyren, som er en kemisk forbindelse kendt som en polycyklisk aromatisk kulbrinte, og lignende forbindelser i nogle meteoritter.

Et team af forskere, herunder forskere fra Berkeley Lab og UC Berkeley, deltog i undersøgelsen, udgivet 5. marts i Natur astronomi tidsskrift. Undersøgelsen blev ledet af forskere ved University of Hawaii i Manoa og involverede også teoretiske kemikere ved Florida International University.

"Det er sådan, vi tror, ​​at nogle af de første kulstofbaserede strukturer udviklede sig i universet, " sagde Musahid Ahmed, en videnskabsmand i Berkeley Labs Chemical Sciences Division, som sluttede sig til andre teammedlemmer for at udføre eksperimenter ved Berkeley Labs Advanced Light Source (ALS).

"Startende fra simple gasser, du kan generere endimensionelle og todimensionelle strukturer, og pyren kan føre dig til 2-D grafen, " sagde Ahmed. "Derfra kan du komme til grafit, og udviklingen af ​​mere kompleks kemi begynder."

Pyren har en molekylær struktur bestående af 16 carbonatomer og 10 hydrogenatomer. Forskere fandt ud af, at de samme opvarmede kemiske processer, der giver anledning til dannelsen af ​​pyren, også er relevante for forbrændingsprocesser i køretøjsmotorer, for eksempel, og dannelsen af ​​sodpartikler.

Den seneste undersøgelse bygger på tidligere arbejde, der analyserede kulbrinter med mindre molekylære ringe, som også er blevet observeret i rummet, herunder i Saturns måne Titan - nemlig benzen og naphthalen.

Ralf I. Kaiser, en af ​​undersøgelsens hovedforfattere og en kemiprofessor ved University of Hawaii i Manoa, sagde, "Da disse kulbrinter først blev set i rummet, folk blev meget begejstrede. Der var spørgsmålet om, hvordan de blev dannet." Blev de udelukkende dannet gennem reaktioner i en blanding af gasser, eller blev de dannet på en vandagtig overflade, for eksempel?

Ahmed sagde, at der er et samspil mellem astronomer og kemikere i dette detektivarbejde, der søger at genfortælle historien om, hvordan livets kemiske forstadier blev dannet i universet.

"Vi taler meget med astronomer, fordi vi vil have deres hjælp til at finde ud af, hvad der er derude, Ahmed sagde, "og det informerer os om at tænke over, hvordan det kom dertil."

Kaiser bemærkede, at fysiske kemikere, på den anden side, kan hjælpe med at kaste lys over reaktionsmekanismer, der kan føre til syntese af specifikke molekyler i rummet.

Pyren tilhører en familie kendt som polycykliske aromatiske kulbrinter, eller PAH'er, som anslås at udgøre omkring 20 procent af alt kulstof i vores galakse. PAH'er er organiske molekyler, der er sammensat af en sekvens af fusionerede molekylære ringe. For at udforske, hvordan disse ringe udvikler sig i rummet, videnskabsmænd arbejder på at syntetisere disse molekyler og andre omgivende molekyler, der vides at eksistere i rummet.

Alexander M. Mebel, en kemiprofessor ved Florida International University, der deltog i undersøgelsen, sagde, "Du bygger dem op en ring ad gangen, og vi har lavet disse ringe større og større. Dette er en meget reduktionistisk måde at se på livets oprindelse:én byggesten ad gangen."

Til denne undersøgelse, forskere undersøgte de kemiske reaktioner, der stammer fra en kombination af et komplekst kulbrinte kendt som 4-phenanthrenyl-radikalet, som har en molekylær struktur, der omfatter en sekvens af tre ringe og indeholder i alt 14 carbonatomer og ni hydrogenatomer, med acetylen (to carbonatomer og to hydrogenatomer).

Kemiske forbindelser, der var nødvendige for undersøgelsen, var ikke kommercielt tilgængelige, sagde Felix Fischer, en assisterende professor i kemi ved UC Berkeley, som også bidrog til undersøgelsen, så hans laboratorium forberedte prøverne. "Disse kemikalier er meget kedelige at syntetisere i laboratoriet, " han sagde.

På ALS, forskere sprøjtede gasblandingen ind i en mikroreaktor, der opvarmede prøven til en høj temperatur for at simulere en stjernes nærhed. ALS genererer lysstråler, fra infrarød til røntgenbølgelængder, at støtte en række videnskabelige eksperimenter af besøgende og interne forskere.

Blandingen af ​​gasser blev sprøjtet ud af mikroreaktoren gennem en lille dyse ved supersoniske hastigheder, standsning af den aktive kemi i den opvarmede celle. Forskerholdet fokuserede derefter en stråle af vakuum ultraviolet lys fra synkrotronen på den opvarmede gasblanding, der slog elektroner væk (en effekt kendt som ionisering).

De analyserede derefter kemien, der fandt sted ved hjælp af en ladede partikeldetektor, der målte de varierede ankomsttider for partikler, der blev dannet efter ionisering. Disse ankomsttider bar de afslørende signaturer fra forældremolekylerne. Disse eksperimentelle målinger, kombineret med Mebels teoretiske beregninger, hjalp forskere med at se mellemtrinene i kemien i spil og bekræfte produktionen af ​​pyren i reaktionerne.

Mebels arbejde viste, hvordan pyren (en fire-ringet molekylær struktur) kunne udvikle sig fra en forbindelse kendt som phenanthren (en tre-ringet struktur). Disse teoretiske beregninger kan være nyttige til at studere en række forskellige fænomener, "fra forbrændingsflammer på Jorden til udstrømninger af kulstofstjerner og det interstellare medium, " sagde Mebel.

Kaiser tilføjede, "Fremtidige undersøgelser kunne studere, hvordan man kan skabe endnu større kæder af ringede molekyler ved hjælp af samme teknik, og at udforske, hvordan man danner grafen ud fra pyrenkemi."

Andre eksperimenter udført af teammedlemmer ved University of Hawaii vil udforske, hvad der sker, når forskere blander kulbrintegasser under iskolde forhold og simulerer kosmisk stråling for at se, om det kan udløse skabelsen af ​​livsbærende molekyler.

"Er det en trigger nok?" sagde Ahmed. "Der skal være noget selvorganisering og selvsamling involveret" for at skabe livsformer. "Det store spørgsmål er, om det er noget, iboende, fysikkens love tillader det."