A világűrre ritkán gondolunk barátságos helyként. Az extrém hőmérsékletek és az erős sugárzás nemcsak az élet fennmaradását nem teszik lehetővé, de elsőre joggal gondolhatjuk azt, hogy a bonyolultabb molekulák megjelenését is kizárják. Vajon tényleg ez a helyzet? Milyen anyagokkal találkozhatunk a csillagok közötti végtelenben, és milyen sors vár rájuk?
Miről szól az asztrokémia?
A kérdésre, hogy mivel foglalkozik a kémia, az ember viszonylag hamar rávágja a választ: a kémia molekulákkal foglalkozik, azzal, hogy miként keletkeznek, milyen tulajdonságaik vannak, és hogyan alakulnak át egymásba. Ha ugyanezt a kérdést az asztrokémiával kapcsolatban teszik fel nekünk, akkor sem nehéz megtalálni a logikus választ: az asztrokémia az univerzumban, a csillagok tágabb környezetében, illetve a csillagközi térben található különböző molekulák előfordulását és reakcióit vizsgálja. Vendégszerző írása.
Ezen a ponton érdemes megállni egy pillanatra. Ezek szerint a világűrben is találni molekulákat? Hiszen gondoljunk csak bele: a csillagközi térben uralkodó körülmények legtöbbször még köszönőviszonyban sincsenek azokkal, amiket a hagyományos kémiai reakciókhoz társítunk. Egyrészt az űrben nagyon kicsi az anyag sűrűsége, az előforduló kevéske anyag nagy része ráadásul hidrogén és hélium, ezért a molekuláknak nem igazán van miből létrejönni. Másrészt az extrém hőmérséklet, mind negatív, mind pozitív irányban, szintén nem kedvez sem a molekulák keletkezésének, sem megmaradásának. Éppen ezért hosszú ideig az volt az általános meggyőződés, hogy a csillagközi tér nem teszi lehetővé az egyedi atomoknál bonyolultabb részecskék észlelhető mennyiségű jelenlétét.
Valószínűleg még ma is ebben a hitben élnénk, hogyha a 20. század első felében nem jelentek volna meg a spektrométerek. Az elektromágneses sugárzás különböző hullámhossztartományba eső komponenseit detektálni képes UV/látható, infravörös, mikrohullámú vagy éppen rádióspektroszkópia más és más jellegzetességeik alapján képes azonosítani a molekulákat. Sőt, nemcsak azt árulja el, hogy hol és milyen molekulát találunk, hanem egy-egy molekula mennyiségét is kideríthetjük a segítségével.
Ez a magyarázata annak, hogy egészen 1937-ig kellett várni arra, hogy már tudományosan is komolyan vehető bizonyítékot találjanak a csillagközi térben előforduló molekulákra. Egészen odáig csak atomok jelenlétét sikerült igazolni, molekulákét nem. Az első molekulák, amiket minden kétséget kizáróan azonosítottak a csillagközi térben, a CH- és a CN-vegyületek voltak. Ezek tulajdonképpen nem is molekulák, hanem gyökök, amik nagyon gyorsan átalakulnak másfajta anyagokká. Földi körülmények között legalábbis ez a megszokott viselkedés. A csillagközi térben viszont, ahol rendkívül kicsi az anyagsűrűség, más a helyzet. A gyökök itt csak nagyon ritkán találkoznak hozzájuk hasonló reakciópartnerrel, akivel megoszthatnák az elektronjaikat, és stabil vegyületet hozhatnak létre. Ezért az esélyeink, hogy megtaláljuk és azonosítsuk őket, sokkal jobbak, mint a Földön.
A negyvenes évektől kezdve aztán felpörögtek az események, egyre-másra azonosítottak kisebb és kicsivel nagyobb molekulákat, amik között egy idő után megjelentek az oxigéntartalmú vegyületek is. Az egyik első ilyen az OH-gyök volt, ami, a végtelenül egyszerű szerkezete ellenére is, fontos szerepet játszik mint az űrbéli reakciók egyik elsődleges oxigénforrása. Később aztán követte őt a víz, a szén-monoxid, majd a formaldehid, az első szerves többatomos (egészen pontosan 4) molekula, amire a csillagközi térben bukkantak rá.
Mostanra már 200 körül jár az űrben azonosított molekulák száma, és némileg talán meglepő módon, főleg szerves molekulákat találunk közöttük, a leggyakrabban előforduló elemek sorát pedig a hidrogén, a szén, az oxigén és a nitrogén alkotja.
Mára egyértelművé vált, hogy hiába a mostoha körülmények, a kémiai reakciókhoz az űrben összességében mérhetetlenül sok idő és anyag áll rendelkezésre, aminek következtében az anyag nagy része mégis molekulák formájában van jelen.
Merre keressük az űrbéli molekulákat?
Az eddigiek alapján a fenti kérdésre megint csak egyszerű a válasz: molekulákat bárhol találunk, a legváltozatosabb fizikai és kémiai körülmények között is. De ez távolról sem jelenti azt, hogy az eloszlásuk is egyenletes. Az esélyeink akkor lesznek a legjobbak, ha a – meglehetősen árulkodó nevű – molekulafelhőkben keresgélünk. Ennek az az oka, hogy ezek számítanak sűrű közegnek a csillagközi térben, és – köszönhetően a relatíve nagy sűrűségből fakadó árnyékoló hatásnak – a belsejükben viszonylag alacsony a sugárzás mértéke.
A molekulafelhők hatalmas kiterjedésű képződmények a csillagközi térben, amelyek többek között az életük utolsó fázisába lépő csillagokból kilökődő anyagból jönnek létre, a belsejükben pedig helyet adnak az új csillagok megszületésének. Más szóval az ilyen felhők jelentik az űrbéli anyagkörforgás legfontosabb színterét. Ennek a körforgásnak az egyik lépése az a folyamat, amelynek során a Naphoz hasonló méretű csillagok vörös óriássá alakulásának részeként a csillag külső rétege kitágul, majd végül leválik az égitestről. Ezt a leváló anyagot nevezik planetáris ködnek, aminek – a nevével ellentétben – semmi köze nincs a bolygókhoz.
Egy-egy sűrű köd belsejében idővel annyira megnő az anyag koncentrációja, hogy a felerősödő gravitáció miatt a köd összeomlik, a helyén pedig egy lapos, korong formájú protocsillag jön létre. A protocsillag megjelenésével új fejezet kezdődik a csillagképződés történetében. A lapos korongon belül uralkodó nagyobb hőmérséklet és sűrűség egyrészt felgyorsítja a korábban a felhőkben végbemenő reakciókat, másrészt újfajta és jóval változatosabb kémiai átalakulásokat is hoz magával. A körforgás részeként az új csillag körüli bolygók is ugyanebben a térben, ugyanebből az anyagból jönnek majd létre, ezért a keletkező molekulák egy része várhatóan eljut majd ezekre a bolygókra is, hozzájárulva ahhoz, hogy egy-egy bolygó lakhatóvá váljon.
Mennyire egzotikus a csillagközi kémia?
Kiindulva abból, hogy mennyire extrém körülmények jellemzik a csillagközi teret, azt gondolhatnánk, hogy a kémiai reakciók is hasonlóan egzotikusak lesznek, és olyan molekulákat hoznak létre, amikkel itt a Földön még mutatóban sem nagyon találkozunk. A helyzet ezzel szemben sokkal hétköznapibb. A molekulafelhőkben eddig azonosított 200 körüli különböző molekula között találunk alkoholokat, aldehideket, karbonsavakat, aminokat vagy éppen nitrileket. Pont mintha egy középiskolai szerveskémia-könyv tartalomjegyzékét olvasná az ember. Ez így elég unalmasan hangzik, de ha belegondolunk abba, hogy mekkora asztrobiológiai jelentősége van ezeknek a molekuláknak, akkor egyből más színben látjuk a dolgokat. Az élethez szükséges molekulák, mint például az aminosavak, cukrok, lipidek és nukleinsavak ugyanis mind ezeknek a vegyületcsaládoknak a tagjaira vezethetők vissza.
A csillagközi molekula-kavalkádban találtak már jóval nagyobb méretű részecskéket is, ezek közé tartoznak a különböző poliaromás szénhidrogének, amiket angol nevük után sokszor PAH-ként emlegetnek (polyaromatic hydrocarbons). Annak ellenére, hogy csak kétféle elem, szén és hidrogén alkotja őket, a PAH-ok rendkívül sokféle méretben és szerkezettel fordulnak elő, és nagyon gyakoriak az öregedő csillagokat körülvevő, szénben gazdag felhőkben.
A szén mennyisége, egészen pontosan a szén és az oxigén aránya az egyik legfontosabb tényező a csillagközi térben megbújó ködök összetétele szempontjából. Az élete végéhez közelítő csillagról leszakadó felhőben elsőként általában a nagyon stabil szén-monoxid-molekula jön létre, a további reakciók viszont attól függnek, hogy a szén vagy az oxigén fogy el hamarabb az elegyből. Ha szénből van kevesebb, akkor a feleslegben maradó oxigén szilíciummal reagálva szilikátokat hoz létre, ha viszont a szén aránya a nagyobb, akkor szerves molekulák, PAH-ok és különböző karbidok, például titán- és szilícium-karbid keletkeznek. Köszönhetően ezeknek a reakcióknak, a csillagközi térben az atomos és molekuláris gázok mellett amorf szilikátokból és szilárd szénhidrogénekből álló porszemcsék jelennek meg.
A szemcséknek köszönhetően az űrbéli részecskék már nemcsak a gázfázisban, hanem a szemcse szilárd felületén is reagálhatnak – akár egymással, akár az őket elérő foton- vagy nagyenergiájú részecskesugárzással. A poliaromás szénhidrogének és más, hozzájuk hasonló méretű molekulák ugyanis a csillagközi tér hőmérsékletén már szilárd halmazállapotban lesznek jelen, legtöbbször ráfagynak a porszemcsékre. Az, hogy ezek a molekulák gyakorlatilag rögzített helyzetben maradnak, jócskán megnöveli a sikeres kémiai átalakulás esélyét ahhoz képest, amikor a reakcióképes atomoknak és molekuláknak az amúgy is ritka gázfázisban kell hajkurászniuk egymást. Ez a magyarázata annak, hogy a gázfázisú reakciók nem tudnak igazán komplex, nagyméretű molekulákat létrehozni, erre sokkal inkább alkalmas a szilárd szemcsék felszíne. A gázfázisban azonosított, ott gyakran előforduló molekulák közé tartozik a már emlegetett szén-monoxid és a formaldehid vagy a metanol is. Ezzel szemben a jeges, szilárd szemcséken sugárzás hatására végbemenő reakciók eredményeként több száz vagy akár több ezer komponensből álló terméket kapunk már akkor is, ha a kiindulási elegy mindössze néhány komponensből, például vízből, metanolból, ammóniából és szén-monoxidból állt.
És amit még nem tudunk…
A fent leírt módon, a szemcsék felületén százas vagy épp ezres nagyságrendben keletkező molekulák egy része később meteoritokon megtapadva eljut egy-egy bolygó felszínére, így a Földre is, és így lehetőségünk van azonosítani néhányat a világűr molekulái közül. Ilyen minták felhasználásával mostanra nagyjából 70 különböző aminosav-molekulát azonosítottak (az első csillagközi aminosavat, a glicint még 2009-ben sikerült megtalálni), ezek között több olyan is akadt, amik képesek egymással összekapcsolódva fehérjéket létrehozni. Ráadásul némelyik azonosított aminosavnál úgynevezett „enantiomerfelesleget” is megfigyeltek. Az aminosavak egy része ugyanis, beleértve a földi élőlényeket alkotók túlnyomó részét, királis vegyület, ami azt jelenti, hogy a molekula kétféle háromdimenziós szerkezettel rendelkezik. A két forma egymásnak tükörképi párja, de nem lehet őket egymással fedésbe hozni, pont úgy, ahogy az ember jobb és bal kezét sem. Az ilyen tükörkép molekulákat nevezzük enantiomereknek, a megkülönböztetésükre pedig az „L” és „D” betűket használjuk, utalásként a „bal” és „jobb” szavak latin megfelelőjére. A kiralitás nagyon elterjedt jelenség a biológiailag fontos molekulák körében, az aminosavak mellett megfigyelhető a fehérjéknél, a szénhidrátoknál, de még a DNS-molekulánál is. A biológiailag aktív királis vegyületek egy másik jellegzetessége, hogy a két forma közül valamelyik általában sokkal nagyobb arányban van jelen az élő szervezetekben, mint a másik. A Földön például kizárólag L-aminosavakat találunk a különböző élőlényekben, és hasonló enantiomerfelesleget sikerült megállapítani a meteorokban talált aminosavaknál, sőt szénhidrátoknál is. Annak a magyarázatát, hogy mi vezet a sokszor nagyarányú különbséghez a két forma között, még nem ismerjük minden kétséget kizáróan, de elképzelésből több is akad.
Hasonló fehér foltok előfordulnak a már emlegetett PAH-molekulák történetében is. Mostanra már tudjuk, hogy az univerzumban található szén nagyjából 20%-a ilyen aromás policiklusos vegyületekhez köthető, és arról is tudunk, hogy az öregedő csillagokat körülvevő, szénben gazdag felhők nagy mennyiségben hoznak létre PAH-vegyületeket. Amit viszont még mindig nem tudunk, az az, hogy pontosan milyen mechanizmus szerint keletkeznek ezek a molekulák, és hogy vajon mitől lesznek annyira stabilak.
Az aminosavak nem az egyetlen biológiailag fontos vegyületcsalád, amiket sikerült meteoritokban azonosítani. Az élet szempontjából fontos molekulák közül találtak már nukleobázisokat (az örökítőanyag építőkövei), cukrokat (az RNS, a DNS és a sejtfal felépítésénél, valamint az energia tárolásánál nélkülözhetetlen vegyületek), vagy éppen úgynevezett amfifil molekulákat, amik a sejtmembrán fő összetevői, mivel egyszerre rendelkeznek vizet taszító és vízzel elegyedő résszel. Az ilyen felfedezések alátámasztják azt az elképzelést, hogy a csillagközi tér megfelelő terep az ilyen vegyületek kialakulására, amik azután meteoritok közvetítésével jutnak el a Naprendszer és más csillagrendszerek bolygóira. Ezek a vegyületek azonban még csak az építőkockák, amikből később, már a Földre érkezés után létrejöhetnek az olyan biológiai rendszerek, mint a fehérjék, enzimek, RNS, DNS vagy a sejtek. Korábban szóba került, hogy meteoritmintákban mintegy 70 féle aminosavat találtak már, a földi élőlények mindegyikét viszont ugyanaz a nagyjából 20 aminosav építi fel. Mi lehet az oka annak, hogy éppen ez a 20 aminosav lett a kiválasztott, és vajon milyen folyamatok vezettek el odáig?
A kérdés felmerül az örökítőanyagot alkotó molekulák esetében is. Több bizonyíték is alátámasztja azt a feltételezést, hogy az RNS és DNS korai változataiban még a mai öt szénatomos ribóznál és dezoxiribóznál kisebb és egyszerűbb cukoregységek, vagy akár néhány aminosavból álló peptidek vettek részt a molekulák gerincének felépítésében. Ezen kívül arra is találunk kísérleti eredményeket, hogy az RNS és DNS vázáról lelógó nukleotidbázisok is változásokon mentek át az idők során. Ma ezek a bázisok mindössze öt különböző molekula közül kerülnek ki, ezek név szerint az adenin, a guanin, a citozin, a timin és az uracil (közülük a timin csak a DNS-ben, az uracil viszont csak az RNS-ben fordul elő). Az elvégzett laborvizsgálatok viszont azt mutatják, hogy ezek közül csak három, az adenin, a citozin és az uracil keletkezett a csillagközi tér jeges szemcséinek a felszínén, és jutott el később meteoritok közvetítésével a Földre. A két hiányzó molekulát, az guanint és a timint akkoriban még valamilyen másik vegyület pótolhatta, és valószínűleg csak később alakultak ki és épültek be a biológiailag fontos rendszerekbe már itt a Földön.
Összességében elmondhatjuk, hogy a szerves anyag mindenhol megtalálható az univerzumban, és el is jut a bolygók felszínére. Abban viszont van különbség, hogy az egyes korokban milyen molekulák voltak elérhetők, és hogy melyek tudtak biológiai építőkövekként hasznosulni. Az általunk ismert mai állapotot sokkal inkább a bolygónkon uralkodó fizikai és kémiai körülmények alakították ki, nem pedig az eredetileg ide érkezett szerves anyag határozta meg egyszer és mindenkorra. Ebből pedig az következik, hogy mivel a szerves anyag mindenhol rendelkezésre áll, az élet kialakulása egy-egy bolygón mindössze az ottani körülmények függvénye.
A Csillagok Alatt videó-projektünk műsorai tisztán audio-formátumban is fogyaszthatóak, például Spotify-on vagy a fontosabb podcast-platformokon.
Ha tetszett a bejegyzés, látogass el a Csillagvizsgáló Facebook oldalára is, ahol napi rendszerességgel találhatsz csillagászati és űrkutatási híreket, látványos felvételeket és egyéb aktualitásokat – tudományról és science fictionről egyaránt