Образец, полученный из астероида Бенну, преподнес еще один сюрприз

Фото из открытых источников

Одно из самых интересных открытий последних лет заключается в том, что некоторые молекулы, необходимые для жизни, обнаружены на астероидах и кометах. Миссии по возвращению образцов с астероидов показали, что эти каменистые тела — это гораздо больше, чем просто камни. В них содержатся некоторые из основных строительных блоков — аминокислоты, используемые для построения белков.

Эти открытия — настоящий момент озарения для всего общества. Становится ясно, что некоторые из предшественников жизни могут быть широко распространены в Солнечной системе. И если они широко распространены в нашей, то могут быть распространены и в других. Идея о том, что жизнь может возникнуть где-либо ещё в галактике, получила новый импульс.

Космический аппарат NASA OSIRIS-REx сыграл важную роль в этом процессе, когда в 2023 году доставил образец с астероида Бенну. Исследование этих образцов выявило наличие 14 из 20 аминокислот, составляющих белки в земных организмах, а также четырех основных строительных блоков ДНК и РНК.

Теперь исследователи сравнили одну из этих молекул с той же молекулой из другого источника — метеорита Мурчисон, чтобы увидеть, чем они отличаются. Исследование опубликовано в журнале Nature Communications Earth and Environment под названием «Измерения изотопов азота и внутримолекулярного углерода β-аланина в образцах с астероида Бенну и метеорита Мурчисон». Ведущим автором является Офели Макинтош из Университета штата Пенсильвания.

«Меня искренне поразила огромная разница в изотопном составе между двумя соседними атомами в одной и той же молекуле», — Кэтрин Фриман, профессор геонаук в Университете штата Пенсильвания.

«Аминокислоты играют центральную роль в пребиотической химии, а их распространенность и изотопный состав накладывают важнейшие ограничения на механизмы синтеза и среду, в которой они образовались», — пишут авторы. «Образцы, доставленные на Землю с углеродистого астероида (101955) Бенну миссией НАСА OSIRIS-REx, предоставляют возможность исследовать аминокислоты, сохранившиеся в нетронутом материале, не затронутом земным загрязнением».

β-аланин (бета-аланин) не используется земными организмами для построения белков, но он играет другие роли в земной жизни. Обнаружение его в внеземных породах интересно, поскольку это может дать некоторое представление о доисторической химии и условиях, существовавших в самой ранней Солнечной системе.

Данное исследование посвящено изучению различных составов β-аланина, обнаруженных в метеорите Бенну и метеорите Мурчисон . Поскольку образец из Бенну был собран и сохранен в стерильной капсуле до вскрытия в лабораторных условиях, он представляет особую научную ценность.

«Аминокислоты являются строительными блоками белков и пептидов, но они также встречаются в богатых углеродом метеоритах и образцах астероидов, поэтому они могут обеспечить прямую связь между космической химией и происхождением жизни на Земле», — сказал Макинтош. «Большинство исследований сосредоточены на распределении и количественном определении аминокислот, поэтому наш вопрос о том, как они образуются, довольно новый. Мы использовали уникальные изотопные приборы, в том числе один, существующий только в Университете штата Пенсильвания, чтобы помочь ответить на эти вопросы».

Миссия по сбору образца астероида и его доставке на Землю — чрезвычайно сложная задача. Ученые надеялись, что за время, прошедшее между планированием и запуском миссии и получением образца, будут разработаны новые лабораторные методы для максимально глубокого и тщательного исследования образца. Именно это и произошло в данном случае. Исследователи смогли измерить и сравнить различные изотопные составы β-аланина в образце с астероида Бенну и в образце метеорита Мурчисон.

Они не просто сравнивали общий состав молекул. В этой работе им удалось измерить и сравнить изотопные различия углерода в атомах углерода одной и той же молекулы. Такой уровень детализации является новым.

Уникальное устройство, разработанное в Университете штата Пенсильвания, позволило измерять изотопные средние значения в чрезвычайно малых образцах. Оно называется пико-CSIA, что означает изотопный анализ соединений в пикомолярном масштабе. Второе устройство, модифицированный газовый хроматограф-орбитрап (газовый хроматограф-орбитрап-масс-спектрометр), измеряло специфический состав в определенных местах молекул β-аланина.

«Изотопные соотношения представляют собой измеримый маркер, позволяющий связать молекулы с конкретными резервуарами или процессами», — сказал соавтор статьи Кристофер Хаус, профессор геонаук в Университете штата Пенсильвания. «В нашем исследовании изотопы дали подсказки о более древней истории конкретных атомов в молекуле».

Изучение изотопного состава позволяет заглянуть в прошлое и изучить историю образования β-аланина. Как правило, исследователи изучают процессы внутри самого астероидного тела, чтобы найти подсказки о том, как оно образовалось.

Однако изучение изотопного состава от молекулы к молекуле является более фундаментальной задачей, и углерод играет в ней решающую роль. Он служит каркасом для органических молекул — в конце концов, жизнь на Земле основана на углероде — и фиксирует изотопные различия между молекулами и внутри молекул. «Внутримолекулярные изотопные измерения, которые фиксируют позиционно-специфическое распределение изотопов углерода внутри молекулы, представляют собой особенно мощный подход, поскольку они могут выявлять механизмы реакций, ограничивать запасы предшественников и отражать условия окружающей среды».

«Эта внутримолекулярная информация предоставляет гораздо более подробный изотопный отпечаток», — сказал Макинтош. «Вместо того чтобы просто спрашивать, обогащена или обеднена ли молекула определенным изотопом, мы можем исследовать, как этот изотоп распределен внутри молекулы, и использовать эту закономерность для различения возможных путей образования».

Эта работа выводит изотопный состав на совершенно новый уровень. Особенно это актуально при использовании такого тщательно обработанного образца, как тот, что был получен с астероида Бенну.

«Возможность анализировать изотопные значения каждого атома углерода и азота в молекуле бета-аланина — это мечта для геохимии, — сказал Хаус. — И здесь она сочетается с возможностью изучать нетронутый образец астероида, доставленный на Землю НАСА».

Значения изотопов от атома к атому в одной и той же молекуле оказались крайне разными, что стало неожиданностью для исследователей. Возможно, они образовались раньше Земли.

«Меня по-настоящему поразила огромная разница в изотопном составе между двумя соседними атомами в одной и той же молекуле», — сказала руководитель проекта Кэтрин Фриман, профессор геонаук в Университете штата Пенсильвания. «Сохранение таких поразительных различий свидетельствует о первозданной природе этих молекул. Мы работаем с молекулами, образовавшимися на заре Солнечной системы, возможно, даже до образования Земли».

Внутримолекулярные изотопные различия показывают, что, хотя пути их образования были одинаковыми, они происходили в совершенно разных условиях или в разных партиях. Это свидетельствует о том, что одно и то же химическое вещество может образовываться в разных средах в протопланетном диске, и что диск пространственно неоднороден.

«Одно из главных открытий, сделанных нами в отношении глицина и бета-аланина, заключается в том, что они могли образоваться в разных средах или местах Солнечной системы», — сказал Макинтош. «Это расширяет наше понимание типов сред, в которых могут образовываться эти очень важные молекулы для пребиотической химии».

«Если сравнить образцы из Бенну и Мерчисона, то средние значения изотопов углерода настолько близки, что с учетом погрешности они практически идентичны», — сказал Макинтош. «Но если посмотреть на внутримолекулярный углерод, то они совершенно разные».

«Образцы демонстрируют схожее внутримолекулярное распределение изотопов, что соответствует общему синтетическому пути, но заметно различаются по своему позиционно-специфическому изотопному составу углерода и азота», — поясняют авторы.

Это означает, что исходные материалы отличались по изотопному составу. Следовательно, они должны были происходить из разных мест и сред в молодой Солнечной системе. Авторы утверждают, что эти различия трудно согласовать с какими-либо известными процессами, происходящими внутри родительских тел. Вместо этого они отражают различные химические пути в разных частях протопланетного диска.

«Бета-аланин — яркий пример удивительно разнообразной коллекции аминокислотоподобных молекул, обнаруженных в образцах из космоса», — говорит Фриман. «Он может помочь нам понять, почему существует так много разных типов этих соединений, а также где и как они были созданы. В конечном итоге, это помогает нам понять, как органические вещества, обнаруженные в космосе, потенциально повлияли на уникальную химию жизни».

Эти результаты также могут оказаться полезными при запуске миссий по обнаружению и изучению потенциальных биосигнатур в других местах Солнечной системы. Например, эти результаты могли бы пригодиться миссиям к ледяным спутникам Юпитера.

Кроме того, изотопный анализ аминокислот и других пребиотических молекул в образцах Бенну и других нетронутых астроматериалах обеспечивает критически важную абиотическую основу для поиска и идентификации химических биосигнатур в нашей Солнечной системе.