Новости биологии. Органические молекулы в космическом пространстве. Их много было найдено за последние годы. Как они возникли, о чем свидетельствует их наличие? Как связаны они с возможностью существования жизни? Об этом рассказывает доктор физико-математических наук, заведующий отделом Института астрономии РАН Дмитрий Зигфридович Вибе.
Итак, органические молекулы в космосе. Много ли их и какие именно молекулы там обнаружены?
Прежде чем говорить об органических молекулах в космосе, наверно, нужно вспомнить о том, почему они вообще называются органическими и какой смысл вкладывается в это понятие. Дело в том, что на заре становления химии как науки химики считали, что вещества, которые входят в состав живых организмов, кардинально отличаются от веществ, которые в состав живых организмов не входят. Отсюда и различие: органическая химия — это химия веществ, которые встречаются в составе живых организмов, и неорганическая химия — это химия всего остального. Однако впоследствии опытами было доказано, что органические вещества ничем принципиально не отличаются от неорганических. Они не наделены никакой особой жизненной силой и, в принципе, при желании могут быть синтезированы в лаборатории неорганическим путем, то есть, путем, в котором никак не задействованы живые существа. Но, как часто бывает, разделение исчезло, а термин менять не стали. И по сей день в школах и вузах различают органическую химию и неорганическую химию. Но, если поискать определение того, что именно следует считать органическим веществом, то окажется, что совсем строгого определения нет. И здесь появляется возможность для некоего психологического маневра у людей, которые готовят, например, научные новости. У них всегда есть возможность сказать, что на такой-то планете, на такой-то комете обнаружены органические вещества. Читатель по привычке будет считать, что там найдено нечто, если даже не напрямую связанное с жизнью, то находящееся где-то рядом. А на самом деле окажется, что там обнаружен метан, и не более того. Если говорить о жестко закрепленных признаках органического вещества, то такой признак один — наличие в составе углерода. Никому в голову не придет называть органическим веществом, например, аммиак. Но если в составе молекулы углерод есть, то дальше начинается некоторый произвол. Например, никто не считает органикой оксид углерода, угарный газ СО. Никто не решится назвать органикой углекислый газ — СО2. Но в отношении метана уже такой определенности нет, хотя молекула, в общем, не сильно сложнее. И эту невнятность нужно иметь в виду, когда заходит разговор об органических молекулах в космосе. Подсознательно органика кажется как-то связанной с жизнью, но в космосе это не так. Одно из интереснейших масштабных открытий последнего времени как раз и состоит в том, что большие, сложные молекулы, которые мы на Земле уверенно относим к органическим соединениям, могут синтезироваться в космосе без участия живых существ. Синтез их происходит обычным путем — в обычных химических реакциях, которые никак не связаны с жизнью. Не исключено, что эти реакции являются каким-то очень дальним предварительным этапом, чтобы впоследствии на планете (может быть, на нашей или какой-то другой) появилась жизнь.
Сейчас в космосе известно более полутора сотен различных молекул. И из них около трети — это сложные многоатомные молекулы, основу которых составляет углерод. Правда, открыты эти молекулы с разной степенью уверенности. В отличие от земных лабораторий, у нас нет возможности потрогать межзвездное вещество. Все, что к нам приходит из космоса, — это излучение; все, что мы узнаем о космосе, мы узнаем из анализа этого излучения, и молекулы в космосе не являются исключением. О них мы тоже узнаем из анализа спектра. К нам из космоса приходит свет, его при помощи различных приборов раскладывают в спектр, и в этом спектре находят спектральные линии. В звездах по спектральным линиям идентифицируют различные химические элементы, атомы, ионы, в более холодной среде по точно таким же спектральным линиям удается отождествлять молекулы. Здесь есть свои тонкости и особенности. Связаны они с тем, что молекула, в отличие от атома, обладает значительно большим числом степеней свободы. Электрон вращается вокруг атомного ядра, на разных орбитах он обладает разной энергией, и, переходя с одной орбиты на другую, он эту разницу в энергиях либо излучает в виде фотона, либо поглощает в виде фотона. То есть, атомные спектры связаны с одним движением — движением электрона вокруг ядра (если не принимать в расчёт тонкие эффекты).
Но, когда мы переходим к более сложной системе, движений становится больше. Возьмем в качестве примера хотя бы простую двухатомную молекулу, скажем, оксида углерода СО (один атом углерода и один атом кислорода). Здесь, во-первых, есть движение электронов вокруг атомов, которое никуда не делось. Но, помимо этого у молекулы из двух атомов есть еще возможность совершать колебательные движения, и есть возможность совершать вращательные движения. Каждое из этих движений — такое же квантовое движение, как и движения электронов по орбите. И с каждым из этих движений связаны определенные энергетические состояния, определенные уровни энергии. Когда молекула переходит из одного состояния в другое, она тоже либо поглощает фотон, либо излучает фотон, но уже существенно меньшей энергии, соответствующей либо радиодиапазону, либо субмиллиметровому диапазону с длинами волн порядка нескольких сотен микрон. В остальном это такой же спектр излучения, как у звезды, со своим характерным набором линий. Анализируя этот спектр, можно точно так же выяснять химический состав межзвездных облаков, как мы выясняем химический состав звезд.
Правда, делать это зачастую бывает очень непросто. Как я уже говорил, даже простая двухатомная молекула совершает различные движения: вращательные, колебательные. Но представим себе молекулу более сложную, например, молекулу формальдегида, Н2СО, или молекулу метанола, СН3ОН. В их состав входит большое количество атомов, и, соответственно, двигаться они могут гораздо более разнообразно, чем простая двухатомная молекула. Возможны, например, колебания отдельных частей молекулы — не молекулы целиком, а только каких-то ее компонентов. Возможны крутильные колебания, когда молекула перекручивается, и с этими движениями тоже связаны определенные уровни энергии. Больше того, различные движения молекулы не независимы друг от друга, они накладываются друг на друга, в результате чего уровни энергии начинают сдвигаться. Одним словом, спектр даже одной-единственной органической молекулы представляет собой очень сложную систему, насчитывающую тысячи линий. Чтобы уверенно сказать, что мы наблюдаем данную конкретную молекулу в межзвездной среде, мы должны пронаблюдать значительную часть этих линий.
Когда проводился первый спектральный анализ Солнца, чтобы доказать наличие водорода в солнечной атмосфере, было достаточно 3-4-5 линий — так называемой Бальмеровской спектральной серии. Если же вы имеете дело с молекулами, несколькими линиями уже не обойдешься. Их нужно измерить как минимум несколько десятков — насколько позволяют наблюдения. Другая сложность, которая возникает при наблюдении молекулярных линий, состоит в том, что диапазон, в котором светятся межзвездные молекулы, для наблюдений с Земли доступен очень плохо. Вам-то хочется посмотреть все спектральные линии, во всем диапазоне длин волн, в котором излучает данная молекула. А атмосфера показывает только какие-то кусочки из него: какое-то количество линий вы наблюдаете, но гораздо больше линий с Земли не видно. Поэтому здесь требуются, во-первых, наблюдения очень высокого качества, с очень высоким спектральным разрешением. Во-вторых, при возможности, нужен телескоп, который будет наблюдать вне пределов земной атмосферы, из космоса.
Еще одна сложность состоит в том, что тысячи линий в спектре дает одна молекула. А молекул этих в межзвездной среде десятки, и каждая сложная молекула в этот спектр вкладывает свои тысячи линий. То есть, линии мало пересчитать, нужно еще и различить места, где они, может быть, накладываются друг на друга. И сделать это тоже бывает очень непросто, потому что для многих молекул точные спектры не удается ни измерить, даже на Земле, в лабораторных условиях, ни рассчитать теоретически. Одним словом, отождествление органических молекул в межзвездной среде — это очень сложная задача и в плане наблюдений, и в плане интерпретации этих наблюдений.
Чтобы дать некое числовое понятие, упомяну область звездообразования примерно в 500 парсеках от Земли в направлении созвездия Ориона, очень богатую молекулярными соединениями. Так вот, в том направлении наблюдается спектр, содержащий примерно 20 тысяч линий. Из этих линий до недавнего времени 8 тысяч оставались вообще неотождествленными. То есть было вообще неясно, к каким соединениям они могут принадлежать. Выполненные в последнее время детальные лабораторные исследования спектров всего лишь двух органических молекул позволили сократить количество неотождествленных линий на сразу 2 тысячи. Только за счет того, что были в лаборатории исследованы спектры всего лишь двух молекул. И, тем не менее, 6 тысяч линий по-прежнему остаются неотождествленными. Если смотреть на картинку, то это спектр похож на очень густой гребешок, на котором огромное количество линий разной высоты, на разных расстояниях друг от друга.
Спектр иногда сравнивают с отпечатками пальцев. Подобно тому как криминалист по отпечаткам пальцев может установить возраст и пол, так и спектроскопист может по спектру пытаться установить химический состав объекта. Но, в случае наблюдения молекулярных линий в межзвездных облаках, ситуация аналогична нескольким десяткам и сотням отпечатков пальцев, поставленным на одну и ту же площадочку. И криминалисту нужно разбираться не с одним пальчиком, а со всеми этими несколькими десятками и сотнями отпечатков. Это, конечно, задача очень сложная. Поэтому первые молекулы, которые открывались в космосе, поддавались идентификации достаточно легко, и темп их открытия был высок. Сейчас он существенно снизился. Все, что можно было легко открыть, уже открыто, и сейчас количество новых молекул увеличивается, ну скажем, по 1-2 штуки в год. Самые сложные молекулы, которые на сегодняшний день открыты в межзвездной среде, состоят из 13 атомов.
Молекулы эти довольно сильно не похожи на молекулы, которые встречаются на Земле. Эта 13-атомная молекула, например, представляет собой длиннющую цепочку из 11 атомов углерода, к которой с одной стороны прицеплен атом водорода, с другой — атом азота. На Земле мы таких соединений не встречаем, но в межзвездной среде, из-за того что там очень низкая плотность и очень низкая температура, идут необычные для земных условий реакции, поэтому там иногда возникают условия для образования таких необычных монстров. И это тоже затрудняет отождествление, потому что, естественно, в лабораториях спектры получают прежде всего для молекул, которые обычны для Земли. Но оказывается, что в межзвездном пространстве довольно часто попадаются и другие соединения.
Интересно, что, возможно, образование таких сложных молекул происходит не в межзвездном газе, а на поверхности космических пылинок. Долгое время роль космических пылинок в межзвездном химическом синтезе недооценивалась. Предполагалось, что единственная молекула, которая образуется на поверхности пылинок, это молекула водорода Н2. Сейчас постепенно приходит понимание того, что именно реакции на поверхностях пылинок обеспечивают то богатство, то многообразие органической химии, которое мы имеем в межзвездной среде. В межзвездном газе, где царят низкие температуры и мощные жесткие излучения: рентгеновское излучение, ультрафиолетовое излучение, космические лучи, — собрать одну молекулу из многих атомов, допустим, из 10-12-13-ти атомов, достаточно сложно. Но ситуация упрощается, когда атомы, которые составляют молекулу, по очереди прилипают к поверхности пылинки. Они бегают по пылинке в результате тепловых движений, сталкиваются друг с другом, и в процессе этих столкновений начинает расти большая молекула. Начинается все с оксида углерода, к которому прилипает атом водорода, и получается НСО. Еще один атом водорода присоединился — получается формальдегид Н2СО. Дальнейшие подобные реакции приводят к формированию, например, метанола, различных эфиров, муравьиной кислоты. Получается, что космическая пылинка содержит внутри себя каменное ядрышко, может быть, силикатное, может быть, графитовое, а это ядрышко окружено мощной полуледяной-полуорганической мантией, которая обладает очень богатым химическим составом.
Значит, мы наблюдаем их после того, как они образовались на поверхности пылинок?
Мы не могли бы наблюдать большую часть этих молекул, если они бы всю свою жизнь так и проводили на поверхности пылинок. Чтобы мы могли увидеть спектр, молекула, синтезировавшись на поверхности пылинки, должна попасть в газ. Она должна вернуться туда, где может излучать, где может быть источником фотонов, где ее в конечном итоге можно наблюдать при помощи радиотелескопа. Поэтому синтезируется сложные молекулы, по всей вероятности, во многих местах молекулярных облаков, а вот наблюдаются они в местах, строго определенных.
Время от времени в молекулярных облаках рождаются новые звезды. Новорожденная звезда — это новый источник энергии, это новый источник тепла. В результате формирования звезды газ, окружающий ее, начинает потихонечку прогреваться. Греется газ, греются пылинки, и ледяные органические мантии начинают постепенно испаряться. Здесь свой вклад в это испарение вносят и нагрев пылинки, и ультрафиолетовое излучение звезды вносит. Мантия начинает постепенно разрушаться, и сложная органика, которая накопилась на поверхности пылинки, начинает выходить в газовую фазу. Существует она там ограниченное время, поскольку, попав под воздействие ультрафиолета, сложные молекулы в конечном итоге тоже разваливаются, но они успевают прожить достаточно долго, чтобы мы успели в той или иной форме зафиксировать их излучение.
Интересно, что в нашей Галактике очень большое количество такого испаренного с поверхности пылинок органического вещества наблюдается практически в одном-единственном месте. Неподалеку от центра Галактики, примерно в сотне парсеков, находится очень большое молекулярное облако, которое называется Стрелец B2. Оно разделено на несколько частей, и больше всего молекул наблюдается в северной части этого молекулярного облака; оно так и называется — SgrB2 N (буквой N обозначен, естественно, север). Почему именно там сложились максимально благоприятные условия в нашей Галактике для молекулярного синтеза, сказать сложно, но, тем не менее, из тех нескольких десятков органических молекул, о которых я говорил, большая часть либо обнаружена только в этом молекулярном облаке, либо впервые обнаружена в этом молекулярном облаке. А потом уже они обнаруживались и в каких-то других космических объектах. Здесь, конечно, играет свою роль и эффект наблюдательной селекции, поскольку люди, которые хотят найти в межзвездной среде какую-то новую молекулу, предпочитают наблюдать именно это молекулярное облако, поскольку там шанс найти что-то новое максимально велик. Есть такой образ: искать не там, где потерял, а под фонарем, потому что там светлее — вот это как раз тот самый случай. Не исключено, что в других местах мы не наблюдаем такого богатого молекулярного разнообразия просто потому, что не пытались его там найти.
Существуют, впрочем, и другие богатые молекулами места, например, область звездообразования в Орионе, которую я уже упомянул, — там тоже наблюдаются сложные молекулы. Или область звездообразования в созвездии Тельца, ближайшая к нам область активного звездообразования, — там тоже наблюдаются многочисленные органические молекулы, в частности, цепочки, которые я описывал, длинные цепочки атомов углерода с водородом и азотом на конце. Они называются цианополиинами — HC5N, HC7N, их очень много наблюдается в Тельце. Они тоже синтезируются на поверхности пылинок, а впоследствии, в результате каких-то энергетических процессов, испаряются и попадают в газовую фазу, где их можно наблюдать.
И какая самая большая молекула открыта на данный момент?
Самая большая молекула, как я уже сказал, которая сейчас наблюдается в межзвездной среде, это цианополиин, состоящий из 13-ти атомов: 11 атомов углерода, одного атома водорода, одного атома азота. Существует, конечно, вопрос: можно ли в межзвездной среде найти и более сложные молекулы, в том числе такие молекулы, которые были бы интересны не только по своей необычной химической структуре, но и молекулы, которые были бы интересны с точки зрения биологии, с точки зрения какого-то добиологического этапа эволюции жизни? Здесь значительные усилия всегда были связаны с попытками обнаружить в межзвездной среде простейшую аминокислоту, глицин. Уже несколько раз сообщалось, что глицин в межзвездной среде наконец-то обнаружен, но за каждым таким открытием неизменно следовало «закрытие». Как я уже говорил, отождествление молекулы означает, что вы должны увидеть все линии, которыми эта молекула обладает (с учетом наблюдательных ограничений). Если вы из сотни ожидаемых линий увидели 99, а одну-единственную линию не увидели, это означает, что говорить об отождествлении молекулы вы не можете. Нужно увидеть все, что можно. Не видите одну линию из сотни — значит, что-то у вас не получилось, и открытие не состоялось. Глицин находится сейчас как раз в таком состоянии.
Очень много линий наблюдается, очень много линий отождествлено, очень похоже на то, что эти линии принадлежат глицину, но некоторые предсказанные линии отсутствуют. И это означает, что говорить об обнаружении аминокислоты в открытом космическом пространстве мы пока не можем. Но большого основания для пессимизма здесь нет, поскольку это, скорее всего, означает, что пока недостаточно точны наши наблюдения, может быть, недостаточно полны спектральные базы данных. Нет никаких принципиальных поводов не иметь в межзвездной среде простейшей аминокислоты. И здесь некоторую долю оптимизма может вселять наличие в межзвездной среде более сложной органики, даже более сложной, чем 13-атомные молекулы.
Существует класс химических соединений, крайне распространенных на Земле, — полициклические ароматические углеводороды. Даже школьникам хорошо известна молекула бензола — колечко, которое состоит из шести атомов углерода и структуру которого открыл немецкий химик Фридрих Кекуле, якобы наблюдая за мартышками в зоопарке. Они хватали друг дружку за хвосты и раскручивались таким вот колечком. Из шестигранных плиточек бензола можно складывать достаточно длинные плоские макромолекулы, которые как раз и называются полициклическими ароматическими углеводородами. Несколько примеров того, насколько они распространены на Земле: если взять два бензольных колечка и соединить их между собою, получится нафталин — вещество, которое, я думаю, достаточно хорошо известно и активно используется в народном хозяйстве. Другой пример: когда вы видите жуткие ядовитые черные клубы дыма, которые выпускают из себя автобусы, это тоже они — полициклические ароматические углеводороды.
И вот такая сложная, можно сказать, полимерная органика тоже присутствует в межзвездной среде. Правда, к сожалению, здесь ситуация еще менее определенная, чем с органическими молекулами. Мы знаем, что в межзвездной среде присутствуют полициклические ароматические углеводороды, но конкретно указать, какое именно соединение там присутствует, или какая смесь соединений там присутствует, мы до сих пор не можем. Есть общее представление о том, что в межзвездной среде помимо простой органики присутствуют вещества, которые мы бы на Земле назвали сажей, дегтем или как-то еще в этом же духе. Было бы странно предполагать, что между совсем простыми органическими молекулами и очень сложными органическими молекулами, типа полициклических ароматических углеводородов, нет промежуточных соединений. Скорее всего, в межзвездной среде присутствуют органические молекулы любой степени сложности, просто у нас ограниченные возможности их обнаруживать.
Когда в межзвездной среде были найдены полициклические ароматические углеводороды, для некоторых ученых это стало поводом для заявлений о том, что жизнь способна зарождаться в межзвездной среде. Это привело к новому развитию гипотезу панспермии: если мы увидели в межзвездной среде строительные блоки, из которых складывается жизнь, почему мы не можем предположить, что этот процесс там и происходит? Почему мы не можем предположить, что жизнь рождается в межзвездной среде, а на планеты, в частности на Землю, попадает уже в готовом состоянии?
По всей видимости, все-таки этого не происходит. У биологических веществ имеются те особенные спектральные признаки, которые мы в межзвездной среде не наблюдаем. Тем не менее, мы можем уверенно сейчас говорить, что сложная органика, необходимая для появления жизни, не должна была возникать на Земле. Она могла попадать на нашу планету с кометами и метеоритами. В 50-е годы проводились знаменитые эксперименты Миллера-Ури, которые призваны были доказать, что органика синтезируется на Земле, в тех условиях, которые царили на ранней планете. Так вот, возможно, что это доказательство не так уж сильно и нужно, поскольку природа умеет делать органику и на допланетном этапе.
В Солнечной системе признаком того, что органика могла доставляться на Землю таким образом, является очень богатый органический состав метеоритов. Метеоритов, богатых органикой, правда, немного, но это связано не с тем, что их мало в межпланетном пространстве. Просто, попав на Землю, они очень быстро разрушаются, и поэтому вероятность их найти значительно меньше, чем, например, вероятность найти железный метеорит. Метеориты эти называются углистыми хондритами. Они в значительной степени состоят из углерода и различных соединений углерода. Наиболее известен среди этих метеоритов метеорит Мерчисон, который упал в 1969 году в Австралии неподалеку от населенного пункта с этим названием. В 2000-м году еще один подобный метеорит упал в Канаде. Эти метеориты подвергались разностороннему исследованию при помощи различных методов анализа. Оказалось, что в метеоритах, в межпланетных телах, уже в изобилии присутствуют и аминокислоты, и нуклеиновые основания, которые живыми существами используются для строительства белков.
Скорее всего, они попали в метеориты не из межзвездной среды, а образовались уже позже, в самих метеоритах, после того, как началось слипание космических пылинок. Возможно, органический синтез происходил на родительских телах метеоритов. Предполагается, например, что Мерчисон ранее был фрагментом существенно более крупного космического тела, потом это тело разрушилось, и один из его обломков прилетел на Землю. Часть вещества метеоритов выглядит так, словно она подвергалась воздействию жидкой воды, и воздействие жидкой воды тоже внесло вклад в образование органики.
Начальный запас органических молекул, который возник на дозвездном этапе в молекулярном облаке, в межзвездной среде, попадал на метеориты и далее развивался. Синтезировались более сложные соединения наподобие аминокислот, и на Землю попадало уже вполне богатое органикой вещество, готовый исходный материал для зарождения жизни. Вся эта органика, естественно, возникала без участия жизни. Проводятся многочисленные эксперименты, которые показывают, что, действительно, достаточно взять простой набор ингредиентов: оксид углерода, воду, аммиак, метанол — все эти молекулы в межзвездной среде присутствуют весьма изобильно, — посветить на них немножко ультрафиолетом, и в этой среде начинается синтез сложной органики. В ультрафиолетовом излучении в протосолнечной туманности недостатка не было, так что, скорее всего, эти процессы могли там протекать.
Неоднократно рассматривался вопрос, насколько синтезированная на метеоритах органика способна пережить падение на Землю. И здесь эксперименты оказались вполне успешными, вполне воодушевляющими: будучи единожды синтезированными, эти молекулы — аминокислоты, основания — оказываются очень устойчивыми. Эксперименты по выживаемости сложных органических соединений проводились и на советских, российских спутниках. Эти соединения вполне способны пережить и нахождение в межзвездной среде, и процесс проникновения в атмосферу (падение). Эта встряска не оказывается для них фатальной.
Но есть некие тонкости, которые не позволяют пока однозначно сказать, что мы – дети Галактики, что мы — дети процессов, происходящих в межзвездной среде. У живых организмов на Земле есть забавная особенность, которая называется хиральностью1. Многие сложные молекулы обладают симметрией правого и левого. Очень популярная аналогия — две руки у человека. Они абсолютно одинаковы, но их нельзя совместить. Точно так же и с молекулами — у них тоже бывает левая разновидность и правая разновидность.
По каким-то причинам живые существа на Земле в основном используют молекулы одного вида симметрии, одного вида хиральности. Один тип присущ для аминокислот, другой тип присущ для сахаров, но это всегда один и тот же тип. Тогда как реакции небиологического синтеза правые и левые молекулы между собой не различают, они в равной степени производят и те, и другие. Почему из общего разнообразия органики жизнь выбрала конкретно один вид молекул, пока неясно. Высказываются предположения, что это связано с поляризацией ультрафиолетового излучения, которое присутствовало в дозвездной или допланетной среде. Если, как указывают наблюдения, ультрафиолетовое излучение обладает некоторой круговой поляризацией, оно может предпочтительно разрушать молекулы определенного вида симметрии или предпочтительно способствовать синтезу молекул определенного вида симметрии. Возможно, именно круговая поляризация ультрафиолетового излучения создала начальный сдвиг, начальную асимметрию. А потом жизнь при помощи биологических процессов довела асимметрию до крайности, когда используются молекулы только одного вида симметрии.
Еще одна тонкость, которая не позволяет уверенно проводить параллель между межзвездной органикой и земной органикой — несколько иной изотопный состав. Собственно говоря, именно благодаря изотопному составу, например, мы знаем, что органика, присутствующая в метеорите Мерчисон и других, имеет межзвездное происхождение, а не является продуктом земного загрязнения. У нее немного другой изотопный состав. Она более, чем земная органика, обогащена дейтерием и изотопом азота 15N. По этим признакам мы различаем земную и неземную органику, и эти признаки означают, что мы все же не можем уверенно поставить между ними знак равенства. Да, в Солнечную систему и на Землю попадала межзвездная органика, да, она способна пережить проникновение в земную атмосферу. Но с ней происходило что-то еще. Во-первых, менялся ее изотопный состав, во-вторых, менялась ее зеркальная симметрия с выделением единственного типа симметрии. В любом случае, какие-то процессы, очень важные для становления жизни, для становления живых существ, происходили и на самой Земле. Из космоса приходило сырье, кирпичики, которые здесь существенно изменялись.
Вы очень хорошо осветили историю вопроса касательно того, что считается органикой, а что — неорганикой. Но вы еще не сказали про то, когда начались эти исследования, когда в первый раз открыли в космосе молекулу сложнее, чем Н2?
Открытия молекул происходили одновременно с развитием радиоастрономии. Поэтому по ним можно прослеживать совершенствование радиоприемников, позволявшее наблюдать все более коротковолновое излучение. Первой молекулой, которая была открыта в космосе по собственному излучению, была молекула гидроксида ОН, которая излучает на длине волны 18 см. Она была открыта в начале 60-х годов. Первые многоатомные молекулы — молекулы воды и аммиака — с длинами волн порядка сантиметров открыты в конце 60-х годов. В 1970 году была открыта первая углеродосодержащая молекула — молекула СО. Для нее требовались уже наблюдения в миллиметровом диапазоне. В 70-е годы были впервые открыты и более сложные органические соединения — формальдегид, метанол и другие. А совсем сложные многоатомные молекулы — это конец 90-х – начало 2000 годов.
При нашем нынешнем инструментарии, которым располагает человечество, этих органических молекул, которые удалось разглядеть, должно быть миллионы, десятки миллионов. То есть их очень много. Как оценивается их количество?
Самая обильная молекула в космосе — это, естественно, молекула, которая состоит из самого распространенного элемента, то есть, молекула водорода. Чтобы охарактеризовать содержание других молекул, используют обычно содержание относительно молекулы водорода. Содержание молекулы СО — простейшей углеродосодержащей молекулы — не превышает 10 в минус 4-й степени, то есть одна молекула на 10 тысяч молекул водорода. Для более сложных молекул, наподобие метанола и других не очень сложных органических соединений, характерны содержания, не превышающие одну миллионную: 10 в минус 6-й степени или в минус 7-й. Те молекулы, которые мы на сегодняшний день можем обнаруживать, имеют содержание относительно молекулярного водорода не менее 10 в минус 10-й, в минус 11-й степени. Осенью прошлого года начал работать очень большой телескоп субмиллиметрового диапазона, чувствительная многозеркальная система, которая располагается в чилийских Андах. С помощью этой системы станет возможным фиксировать молекулы, содержание которых относительно молекулярного водорода не превышает 10 в минус 13-й степени. То есть одну десятитриллионную часть!
Молекул этих относительно немного, но облака, в которых мы их наблюдаем, очень большие, очень массивные. Интересно, что когда в 1980-е годы в межзвездной среде была обнаружена молекула этилового спирта, одна из английских газет сообщила об этом именно в ключе ее количества. Они посчитали, какое количество тонн спирта находится в межзвездной среде, пересчитали это в количество пинт пива, посчитали, сколько миллиардов лет человечество могло бы этот спирт пить. Оказалось, что этого спирта хватит очень надолго.
Вопрос по поводу инструментария. Очень большой телескоп субмиллиметрового диапазона – очень классная штука, и то, что делают в южных обсерваториях, это очень здорово. Но если мы говорим о спектральных линиях, то у нас проблема не в увеличении зеркала на Земле, а в пропускной способности атмосферы. Да, на том высокогорье в Чили очень хорошо – прекрасный с точки зрения астрономии климат, высота 5 тысяч метров. Но атмосфера все равно остается. Так что будущее за космическими телескопами, и тут есть проблема. Насколько я понимаю, для того, чтобы там чего-то померить с более высоким уровнем чувствительности, нужны большие зеркала. Чем больше размер зеркала, тем лучше, а у нас в космосе самое большое зеркало – это Хаббл, 2,40 метра.
Самое большое зеркало в космосе — это зеркало телескопа «Гершель», 3,5 метра. Точнее, это самое большое цельное зеркало. Сейчас летает наш радиотелескоп «Радиоастрон», у него зеркало больше, но оно раскладное. Конечно, 3,5 метра — это очень мало. Приходится искать какие-то компромиссы. Да, у земной атмосферы ограниченное пропускание, но в ней есть определенные частотные окна, диапазоны в субмиллиметровой области, излучение в которых доходит до телескопа в Чили. И он может в этих диапазонах наблюдать, конечно, не с полным покрытием всего диапазона. Если продолжить аналогию с отпечатками пальцев, то нам мало того, что много отпечатков пальцев поставили на одно и то же место, так еще и какие-то места стёрли в рисунке папиллярных линий. То есть, вы будете наблюдать с высокой точностью, будете получать сотни линий, но всегда будете знать, что рядом есть слепое пятно, и что там происходит, вы не знаете. А может быть, там есть что-то такое, что всю вашу интерпретацию разрушит. Значит, надо наблюдать также из космоса, надо наблюдать там, где никаких «провалов» нет. Но в космосе есть ограничения по размерам, поэтому для наблюдений выбирают объекты «под фонарем»: Стрелец B2, Орион — яркие источники, где можно обойтись достаточно небольшим зеркалом, — или близкие источники, например, в том же Тельце.
Конечно, если хочется набирать какую-то систематику, и уж тем более выходить за пределы нашей Галактики, надо что-то решать с зеркалами. У нас есть в России проект «Миллиметрон», наследник «Радиоастрона», в соответствии с которым предполагается вывести на орбиту 10-метровое зеркало. Это будет заметный шаг вперед по чувствительности. К тому же, можно будет наблюдать без «дырок» во всем диапазоне. Но пока ограничения есть: либо маленькое зеркало, либо «дырки».
Это раскладное зеркало или цельное?
Раскладное. Но лишь отчасти. У него будет цельная часть около 4-х метров и раскрывающиеся лепестки.
Создается впечатление, что мы ищем не просто под фонарем, а под самым ярким фонарем. И что мы можем обнаружить под выжигающим фонарем, а что там есть без очень сильно разогретого газа, мы не знаем. Как долго во времени после, скажем, вспышки сверхновой мы можем наблюдать ее спектр, и есть ли газ, который светится достаточно долго сам по себе? Есть ли такие места, которые мы можем годами наблюдать, а не 20-30 суток?
Видимо, я нечетко сказал. Ни о каких сверхновых речи нет. Вот у нас есть дозвездное облако, которому предстоит стать звездой. Оно изначально очень холодное, с температурой несколько кельвинов. Там на пылинках образуются ледяные органические мантии. Но с течением времени внутри загорается звезда, и она в небольшой окрестности вокруг себя испаряет эти мантии, и мы их начинаем видеть, начинаем видеть собственное излучение испарившихся молекул. Если это массивная звезда, такой объект называется горячим ядром, если это звезда наподобие Солнца, то есть маленькая, то такой объект называется горячим ядрышком. Для их обозначения используется такое итальянское словечко «corino». В отличие от сверхновых это очень долгоживущие (по земным меркам) объекты — десятки, сотни тысяч лет. Они ограничены и в пространстве: ближайшую окрестность вокруг себя звезда испаряет, но вокруг молекулы остаются на пыли и впоследствии могут входить в состав протопланетного вещества.
Это один нюанс. А второй нюанс, о котором я ранее не сказал, состоит в следующем: у нас есть ограниченные возможности наблюдать эти молекулы до того, как они попадают в газовую фазу. Спектроскопия возможна не только для молекул в газе, но и для молекул, которые все еще находятся в составе мантии. Если за протозвездным облаком есть источник инфракрасного излучения, неважно какой природы, просто сзади на облако светит какая-то инфракрасная лампочка. Ее свет, проходя через вещество облака, взаимодействует с молекулами в ледяных мантиях, и в нем тоже появляются характерные линии поглощения, связанные с твердым веществом, не с газом. Самая сложная молекула, которая сейчас обнаружена в ледяных мантиях по этим линиям поглощения, это метанол (СН3ОН). Но здесь мы тоже понимаем, что это не следствие того, что там нет сложных молекул, а следствие того, что просто пока не умеем их обнаруживать. Если уж дошло до метанола, то, скорее, всего процесс пошел и дальше, потому что с чего бы ему остановиться?
Необходимо подчеркнуть, что все то, о чем мы говорили до последнего фрагмента, касалось линий, наблюдаемых в спектре излучения, а теперь мы заговорили о линиях поглощения. То есть линиях, которые возникают в проходящем через холодные объекты излучении. Какие перспективы развития этого направления исследований, то есть наблюдения спектров поглощения? Поскольку очевидно, что возможности найти какие-то новые молекулы, наблюдая спектры поглощения, больше, потому что они могут возникать в протяженных газовых облаках, в которых могут быть сложные молекулы. Таких объектов больше, где можно спектры поглощения наблюдать?
Во-первых, для того, чтобы увидеть линии поглощения, необходим фоновый источник. Когда вы наблюдаете излучение, вам неважно – есть фоновый источник или его нет. Излучает само вещество: если оно есть, вы его видите. Наблюдая линии поглощения, вы зависите от наличия фонового источника. У вас будет вещество, а увидеть вы его не сможете, потому что сзади его ничто не подсвечивает. Нет фонового источника — нет линий поглощения. Другая проблема состоит в том, что не только ледяные мантии поглощают излучение, оно очень хорошо поглощается собственно самой пылинкой. Чтобы увидеть линии поглощения, необходима промежуточная ситуация: между вами и фоновой инфракрасной «лампочкой» должно быть не слишком мало вещества, чтобы вы увидели линии поглощения, и не слишком много вещества, чтобы вы вообще что-то увидели. Если пыли будет чрезмерно много, она закроет от вас фоновый источник, и вы его не увидите. Поскольку речь идет о сочетании довольно специальных обстоятельств, то и количество объектов получается ограниченное. Еще одна проблема в том, что излучение многих молекул приходится на миллиметровый диапазон, который хорошо виден с поверхности Земли. А линии поглощения наблюдаются в ближнем инфракрасном (ИК) диапазоне, в среднем ИК-диапазоне — в тех диапазонах, которые с Земли видны либо плохо, либо не видны совсем. Для наблюдения этих линий нужно использовать космический инструмент. Космический инструмент инфракрасного диапазона — это всегда инструмент с охлаждением. Свой бачок с жидким гелием есть на «Гершеле», свой бачок с жидким гелием был на «Спитцере». Все это инструменты ограниченного времени действия. Вы выводите телескоп в космос, он у вас там год или два или три года работает, пока не закончится охладитель, а потом всё; он превращается в бесполезную железяку. Вы наверняка не успеете осмотреть все, что хочется осмотреть, потому что вы еще и по времени ограничены. Когда запускается очередной инфракрасный телескоп, иногда появляется вопрос: а чем он отличается от того телескопа, который два года назад летал? А тем и отличается, что он будет работать, а тот уже не работает. Инфракрасный диапазон для наблюдений очень неудобен.
По-прежнему сохраняет актуальность тема экзопланет. Можем ли мы провести интересный спектральный анализ экзопланет? Интересный в том смысле, что каждая из таких планет маленькая, это не газопылевое облако, и она имеет слабое свечение.
Перспективы есть, но современных приборов для этого недостаточно. Какие-то ограниченные возможности у нас имеются уже сейчас, но они связаны опять же с линиями поглощения. Когда транзитная планета проходит перед своей звездой, в спектре звезды появляются линии или полосы, связанные с атмосферой планеты. Таким образом, уже сейчас можно проводить ограниченный химический анализ атмосфер экзопланет. Но это опять же сочетание довольно-таки редких обстоятельств. При помощи нескольких наиболее мощных инструментов и нескольких наиболее чувствительных приемников можно наблюдать экзопланеты в инфракрасном диапазоне, и здесь они становятся более удобным объектом для наблюдения, поскольку звезда, которая полностью ослепляет телескоп в видимом диапазоне, в инфракрасном диапазоне светится уже не так ярко. Вообще говоря, если вы переходите ко все более длинным волнам, в какой-то момент у вас планета становится более ярким источником, чем звезда. И вот в этом диапазоне планету наблюдать уже не так проблематично. И в этом диапазоне можно надеяться увидеть какие-то более сложные, более многообещающие линии. Но это пока дело будущего, будущих телескопов, будущих приемников. Проекты такие есть, но «в железе» пока ничего не существует.
Есть ли надежда, что мы доживем до того светлого момента, когда мы найдем в спектрах экзопланет молекулярный кислород? Как несомненный признак наличия жизни.
Здесь прогнозы делать достаточно сложно, но по тем планам, по тем проектам, которые сейчас существуют, это, скорее всего, произойдет не раньше 2050-го года. Есть потенциал создать оборудование, которое помогло бы это делать. Но здесь проблема еще и в том, что и в Европе, и в Соединенных Штатах сейчас подобные проекты потихонечку сворачиваются, поджимаются, объединяются, сокращаются. В общем, 2050-й год — если все будет так, как сейчас. А оно так, скорее всего, не будет.
А почему финансирование сокращается? Жалеют денег? Или людям стало неинтересно, если еще где-то жизнь?
Дело в том, что очень сильно растут затраты на создание подобных инструментов. При всем уважении к «Хабблу», который действительно очень хороший и совершенно незаменимый инструмент, одна статья, написанная по результатам наблюдений на «Хаббле», стоит в 15 раз дороже статьи, написанной по результатам наблюдений на лучшем и, соответственно, самом дорогом наземном инструменте. Наблюдения из космоса — это очень и очень дорогая вещь. Конечно, сейчас много денег вкладывается в развитие наземной астрономии. Фокус немножечко смещается в пользу наземных наблюдений, поскольку это вещь существенно менее рискованная и существенно более длительная по времени. Упомянутая выше многозеркальная система ALMA в Чили будет работать 10-20-30 лет, а то и 50 лет, в этом можно не сомневаться. А, скажем, «Гершель» проработает до 2013 года и станет после бесполезной грудой железа. Кроме того, наземные инструменты очень просто обслуживать, а обслуживать космические приборы — очень дорогое мероприятие. Ремонтные экспедиции к «Хабблу» обошлись в миллиарды долларов. Эти затраты тоже следует учитывать.
Итак, сейчас дешевле вкладывать средства в развитие наземных инструментов, чем в какие-то космические инструменты, но, говоря о космических инструментах, мы имеем в виду, что инструменты расположены на космических аппаратах. Есть ли какая-то перспектива, что лет через тридцать появится возможность успешного развития лунной астрономии? Космической, но не на спутниках. То есть, речь о вынесении различных приборов, инструментов, телескопов – радио, субмиллиметровых, инфракрасных, рентгеновских – на лунную поверхность. Где проще их обслуживать, и работать они смогут долго.
Здесь ключевой момент — проще обслуживать. Сначала нужно создать на Луне постоянно действующую обитаемую станцию. Только после этого имеет смысл ставить там какое-то астрономическое оборудование. В автоматическом режиме телескопы на Луне бессмысленны за исключением некоторых специфических приборов, которые тоже разрабатываются, — телескопах ультрадлинноволнового радиодиапазона, которые занимают очень большие площади, и при это важно, чтобы для них не было препятствий в виде земной ионосферы. Все остальные телескопы на Луне бессмысленны. Гораздо проще размещать их в космическом пространстве, не заморачиваясь тем, что надо их как-то доставлять на Луну, как-то поддерживать их работу. Будет лунная база, будет там постоянный экипаж, который сможет передвигаться по поверхности, что-то перенаводить, пыль сметать с этих приборов, тогда это будет иметь смысл. В автоматическом режиме это не нужно.
Сначала необходимо сделать там какой-то постоянный блок, который бы существовал в нормальном безавральном режиме, при наличии регулярной связи с Землей. Пока самый дешевый вариант — запускать автоматические телескопы в Космос. Да, с риском того, что они, может быть, не долетят или будут работать как-то не так, с ограниченным временем жизни. Но это все равно получается гораздо дешевле, чем устраивать какую-то большую обсерваторию с возможностью полетов туда и обратно. Хотя в отдаленном будущем такая обсерватория, конечно, появится. Прежде всего, для исследования самой Луны.
Каждое исследование имеет какую-то суперидею. Каждый исследователь хочет чего-то добиться. Вот когда археолог ковыряется, чего-то там ищет, он говорит: я хочу собрать самую большую коллекцию глиняных слепков. А что хотят найти астрономы в газопылевых облаках?
Ответ, как мне кажется, совершенно очевиден: мы (в далекой перспективе) ищем братьев по разуму. В 50-е годы прошлого века предполагалось, что органика возникала на Земле. Есть такая уникальная планета на уникальном расстоянии от Солнца, с уникальным химическим составом, в ее атмосфере происходили какие-то уникальные процессы: извержения вулканов, грозы и прочее, и в какой-то луже возник первичный бульон, первичная органика. Это уникальное сочетание обстоятельств, и потому надежда на то, что где-то во Вселенной повторилось такое же сочетание обстоятельств, в общем, маленькая. Потом начался детальный анализ метеоритов, и оказалось, что в метеоритах полно органики! Гроз в космосе нет, извержений вулканов, а органика есть. Аминокислоты — пожалуйста, основания — пожалуйста. Оказывается, чтобы получить органику, не нужно чего-то очень сложного. Может быть, в Солнечной системе подобные условия сложились не только на Земле, но на Европе, Энцеладе, Титане? Может быть, еще что-то такое возникло? Дальше мы смотрим — оказывается, органика существует не только в планетных системах, она, оказывается, была и до этого; оказывается, и метеориты не нужны, чтобы синтезировать органику. Получается, что уникальность обстоятельств нашего появления на свет постепенно сходит на нет. Мы видим, что, может быть, не появление жизни, но, по крайней мере, синтез гигантских углеродосодержащих молекул — совершенно обыденное во Вселенной явление. Которое не требует для себя никакой уникальности. Органический синтез происходит везде. И теперь мы можем совершенно иначе оценивать шансы встретить братьев по разуму. Нас интересуют, я думаю, в глубине души, вопросы мировоззренческие: откуда мы взялись, куда мы идем, и насколько велики шансы, что кто-то тоже идет рядом с нами?
Дмитрий Зигфридович Вибе, доктор физико-математических наук,
зав. отделом физики и эволюции звёзд Института астрономии РАН
Беседу вел Алексей Вырски
1Хиральность (молекулярная хиральность) — в химии свойство молекулы быть несовместимой со своим зеркальным отражением любой комбинацией вращений и перемещений в трёхмерном пространстве.
