Naukowcy badają, w jaki sposób promieniowanie kosmiczne oddziałujące z cząsteczkami lodu może tworzyć cząsteczki prebiotyczne, co ma istotne implikacje dla zrozumienia początków życia we wszechświecie i potencjalnych zastosowań w medycynie i środowisku.
Kosmiczne pochodzenie i chemia prebiotyczna
Kim jesteśmy? Dlaczego tu jesteśmy? Jak sugeruje piosenka Crosby, Stills, Nash & Young, jesteśmy pyłem gwiezdnym, będącym wynikiem chemii zachodzącej w rozległych obłokach międzygwiazdowego gazu i pyłu. Aby lepiej zrozumieć, w jaki sposób ta chemia może stworzyć cząsteczki prebiotyczne – nasiona życia na Ziemi i być może gdzie indziej – badacze zbadali rolę niskoenergetycznych elektronów powstających podczas przechodzenia promieniowania kosmicznego przez cząsteczki lodu. Ich odkrycia mogą również pomóc w zastosowaniach medycznych i środowiskowych na naszej rodzimej planecie.
Student studiów licencjackich Kennedy Barnes zaprezentuje wyniki zespołu na jesiennym spotkaniu Amerykańskiego Towarzystwa Chemicznego (ACS). ACS Fall 2024 to spotkanie hybrydowe odbywające się wirtualnie i osobiście w dniach 18–22 sierpnia; zawiera około 10 000 prezentacji na różne tematy naukowe.
Spostrzeżenia historyczne i cele badawcze
„Pierwszego wykrycia cząsteczek w przestrzeni kosmicznej dokonała absolwentka Wellesley College, Annie Jump Cannon, ponad sto lat temu” – mówi Barnes, który wraz z innym studentem Rong Wu prowadził badania w Wellesley pod kierunkiem profesora chemii Christophera Arumainayagama i fizyki profesora Jamesa Battata. Od czasu odkrycia Cannona naukowcy byli zainteresowani odkryciem, w jaki sposób tworzą się cząsteczki pozaziemskie. „Naszym celem jest zbadanie względnego znaczenia elektronów o niskiej energii w porównaniu z fotonami w inicjowaniu reakcji chemicznych odpowiedzialnych za pozaziemską syntezę tych cząsteczek prebiotycznych” – wyjaśnia Barnes.
Nieliczne badania, w których wcześniej analizowano tę kwestię, sugerowały, że zarówno elektrony, jak i fotony mogą katalizować te same reakcje. Badania przeprowadzone przez Barnesa i współpracowników wskazują jednak, że wydajność cząsteczek prebiotycznych z niskoenergetycznych elektronów i fotonów może znacząco różnić się w przestrzeni. „Nasze obliczenia sugerują, że liczba elektronów indukowanych promieniowaniem kosmicznym w kosmicznym lodzie może być znacznie większa niż liczba fotonów uderzających w lód” – wyjaśnia Barnes. „Dlatego elektrony prawdopodobnie odgrywają bardziej znaczącą rolę niż fotony w pozaziemskiej syntezie cząsteczek prebiotycznych”.
Ziemskie implikacje badań kosmicznych
Oprócz kosmicznego lodu jej badania nad niskoenergetycznymi elektronami i chemią promieniowania mają również potencjalne zastosowania na Ziemi. Barnes i współpracownicy niedawno badali radiolizę wody, znajdując dowody na stymulowane elektronami uwalnianie nadtlenku wodoru i rodników wodoronadtlenowych, które niszczą ozon stratosferyczny i działają jako szkodliwy reaktywny tlen gatunek w komórkach.
„Wiele wyników naszych badań nad radiolizą wody można wykorzystać w zastosowaniach medycznych i symulacjach medycznych” – mówi Barnes, podając przykład wykorzystania wysokoenergetycznego promieniowania w leczeniu raka. „Kiedyś profesor biochemii powiedział, że ludzie to w zasadzie worki z wodą. Inni naukowcy badają zatem, w jaki sposób niskoenergetyczne elektrony wytwarzane w wodzie wpływają na nasz organizm DNA cząsteczki.”
Mówi także, że odkrycia zespołu mają zastosowanie w działaniach na rzecz rekultywacji środowiska, w których ścieki są oczyszczane za pomocą promieniowania o wysokiej energii, które wytwarza dużą liczbę elektronów o niskiej energii, co do których zakłada się, że są odpowiedzialne za niszczenie niebezpiecznych chemikaliów.
Symulacje laboratoryjne i szersze skutki
Wracając do chemii kosmicznej, próbując lepiej zrozumieć syntezę cząsteczek prebiotycznych, naukowcy nie ograniczyli swoich wysiłków do modelowania matematycznego; przetestowali także swoją hipotezę, naśladując warunki panujące w laboratorium. Wykorzystują komorę ultrawysokiej próżni zawierającą podłoże z ultraczystej miedzi, które można schłodzić do ultraniskich temperatur, wraz z działem elektronowym wytwarzającym elektrony o niskiej energii oraz napędzanym laserem osocze lampa wytwarzająca fotony o niskiej energii. Następnie naukowcy bombardują nanoskala warstwy lodu z elektronami lub fotonami, aby zobaczyć, jakie cząsteczki powstają.
„Chociaż wcześniej skupialiśmy się na zastosowaniu tych badań do międzygwiazdowych submikronowych cząstek lodu, mają one również znaczenie w przypadku lodu kosmicznego na znacznie większą skalę, np. Jupiterksiężyc Europyktóry ma skorupę lodową o grubości 30 km” – mówi Barnes.
Sugeruje zatem, że ich badania pomogą astronomom zrozumieć dane z misji eksploracji kosmosu, takich jak m.in NASA’S Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba a także Europa Clipper, którego wystrzelenie początkowo przewidywane jest na październik 2024 r. Barnes ma nadzieję, że ich odkrycia zainspirują innych badaczy do włączenia niskoenergetycznych elektronów do swoich modeli astrochemicznych, które symulują to, co dzieje się w kosmicznych lodach.
Barnes i współpracownicy zmieniają także skład molekularny warstw lodu i prowadzą badania atom reakcje addycji, aby sprawdzić, czy elektrony o niskiej energii mogą wytwarzać inne chemie prebiotyczne. Prace te są prowadzone we współpracy z naukowcami z Laboratorium Badań nad Promieniowaniem i Materią w Astrofizyce i Atmosferze we Francji.
„Jesteśmy o krok od nauczenia się wielu rzeczy, co moim zdaniem jest naprawdę ekscytujące i interesujące” – mówi Barnes, zachwalając to, co opisuje jako nową erę kosmiczną.
Badania zostały sfinansowane przez amerykańską Narodową Fundację Nauki, Fundację Arnolda i Mabel Beckmanów, nagrody Wellesley College Faculty Awards, granty Brachmana Hoffmana oraz tytuł profesora Nancy Harrison Kolodny ’64.
Tytuł
Pozaziemska synteza cząsteczek prebiotycznych
Abstrakcyjny
Po raz pierwszy pokazujemy, że galaktyczne promienie kosmiczne o energiach sięgających ∼ 1010 eV może wyzwolić kaskadę elektronów wtórnych o niskiej energii (< 20 eV), które mogą w znaczący sposób przyczynić się do międzygwiazdowej syntezy cząsteczek prebiotycznych, których dostarczanie przez komety, meteoryty i cząstki pyłu międzyplanetarnego mogło ożywić życie na Ziemi. W przypadku energetycznego przetwarzania międzygwiazdowych płaszczy lodowych wewnątrz ciemnych, gęstych obłoków molekularnych badamy względne znaczenie elektronów wtórnych o niskiej energii (< 20 eV) – czynników chemii promieniowania – i niskoenergetycznych (< 10 eV) elektronów niejonizujących fotony – inicjatory fotochemii. Nasze obliczenia wskazują strumienie ~ 102 elektrony cm−2 S−1 dla niskoenergetycznych elektronów wtórnych wytwarzanych w lodach międzygwiazdowych w wyniku padających, osłabionych protonów galaktycznego promieniowania kosmicznego (CR). W rezultacie w niektórych obszarach gwiazdotwórczych, gdzie wewnętrzne źródła promieniowania o wysokiej energii wytwarzają szybkości jonizacji, które według obserwacji są tysiąc razy większe niż typowa międzygwiazdowa szybkość jonizacji galaktycznej, strumień niskoenergetycznych elektronów wtórnych powinien znacznie przekraczać strumień elektronów nie- fotony jonizujące. Ponieważ przekroje poprzeczne reakcji mogą być o kilka rzędów wielkości większe dla elektronów niż dla fotonów, nawet przy braku takiego wzmocnienia, nasze obliczenia wskazują, że wtórne elektrony o niskiej energii (< 20 eV) są co najmniej tak samo istotne jak elektrony o niskiej energii ( < 10 eV) fotony niejonizujące w międzygwiazdowej syntezie cząsteczek prebiotycznych. Co najważniejsze, nasze wyniki pokazują pilną potrzebę wyraźnego włączenia elektronów o niskiej energii do obecnych i przyszłych astrochemicznych symulacji kosmicznych lodów. Oprócz tych obliczeń omówię także nasze najnowsze, nowatorskie wyniki dotyczące radiolizy wody, którą bada się od 1901 roku. Takie obliczenia i eksperymenty są niezwykle ważne dla interpretacji pomiarów w podczerwieni z Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba, które są obecnie wykorzystywane do badania początków życia poprzez badanie cząsteczek znajdujących się w lodach w pobliżu obszarów gwiazdotwórczych.
