Εντοπίστηκε για πρώτη φορά ζάχαρη στον διαστρικό χώρο!

Σύνοψη

• Εντοπίστηκε για πρώτη φορά στο διαστρικό μέσο η ερυθρουλόζη (erythrulose), ένα μόριο πραγματικής ζάχαρης που αποτελείται από τέσσερα άτομα άνθρακα.
• Η ανακάλυψη πραγματοποιήθηκε στο μοριακό νέφος G+0.693 της Κεντρικής Μοριακής Ζώνης του Γαλαξία μας, με χρήση ραδιοτηλεσκοπίων που κατέγραψαν τη μοναδική ραδιοφωνική υπογραφή του μορίου.
• Πρόκειται για το μεγαλύτερο μη κυκλικό οργανικό μόριο (14 άτομα) και μόλις το δεύτερο χειρόμορφο (chiral) μόριο που έχει καταγραφεί ποτέ στο διάστημα.
• Τα δεδομένα ανατρέπουν τα υπάρχοντα μοντέλα, καθώς η ζάχαρη τεσσάρων ανθράκων βρέθηκε να είναι 8 έως 17 φορές πιο άφθονη από τις απλούστερες ενώσεις τριών ανθράκων.
• Το εύρημα λύνει βασικά προβλήματα της προβιοτικής χημείας, αποδεικνύοντας ότι τα απαραίτητα σάκχαρα για τη δημιουργία RNA και DNA προϋπήρχαν του σχηματισμού της Γης.

Ερευνητές του Ισπανικού Κέντρου Αστροβιολογίας (CAB) εντόπισαν την ερυθρουλόζη στο μοριακό νέφος G+0.693 του γαλαξιακού κέντρου. Αποτελεί την πρώτη ζάχαρη τεσσάρων ατόμων άνθρακα (C4H8O4) που ανιχνεύεται στο διαστρικό κενό, επιβεβαιώνοντας ότι οι βασικοί δομικοί λίθοι του RNA και του DNA μπορούν να σχηματιστούν υπό τις ακραίες συνθήκες της κοσμικής ακτινοβολίας.

Η ανακάλυψη, η οποία δημοσιεύτηκε στο επιστημονικό περιοδικό Nature Astronomy, αποτελεί ορόσημο για την αστροφυσική και τη χημεία. Ιστορικά, οι επιστήμονες είχαν εντοπίσει στο κέντρο του Γαλαξία απλούστερες ενώσεις, όπως ο μυρμηκικός αιθυλεστέρας και απλούς πρόδρομους σακχάρων όπως η γλυκολαλδεΰδη. Ωστόσο, η ερυθρουλόζη είναι το πρώτο μόριο που ταξινομείται επιστημονικά ως «πραγματική» ζάχαρη στο Διάστημα, εξαιτίας της σύνθετης ανθρακικής της αλυσίδας.

Μηχανισμός σχηματισμού: Η χημεία του διαστρικού πάγου

Τα υπολογιστικά μοντέλα καταδεικνύουν ότι η ερυθρουλόζη συντίθεται στην επιφάνεια παγωμένων κόκκων κοσμικής σκόνης. Απλούστερα οργανικά μόρια, όπως η γλυκολαλδεΰδη και η αιθυλενογλυκόλη, ενεργοποιούνται από την ακτινοβολία και ενώνονται χημικά, προτού ισχυρά ωστικά κύματα αποσπάσουν τη σύνθετη ζάχαρη από τον πάγο, απελευθερώνοντάς την στο διαστρικό αέριο.

Η συγκεκριμένη διαδικασία απαιτεί εξαιρετικά συγκεκριμένες συνθήκες. Η Κεντρική Μοριακή Ζώνη διαθέτει τον απαραίτητο συνδυασμό πυκνών νεφών αερίου, υψηλής συγκέντρωσης κοσμικής σκόνης και ενεργειακών «σοκ» από υπερκαινοφανείς αστέρες ή άλλες βίαιες αστρικές διεργασίες. Όταν τα μόρια αυτά αποκολληθούν από τους κόκκους σκόνης, αρχίζουν να περιστρέφονται ελεύθερα στο διαστρικό μέσο.

Εδώ υπεισέρχεται η ραδιοαστρονομία. Κάθε πολύπλοκο μόριο διαθέτει τον δικό του, μοναδικό άξονα και ρυθμό περιστροφής, και καθώς αλληλεπιδρά με το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο, εκπέμπει ένα ιδιαίτερα διακριτό μοτίβο ραδιοφωνικών συχνοτήτων. Η ερευνητική ομάδα χρησιμοποίησε εξειδικευμένα ραδιοτηλεσκόπια στην Ισπανία για να καταγράψει αυτές ακριβώς τις ενεργειακές υπογραφές και τα φάσματα που ελήφθησαν ταυτίστηκαν απόλυτα με τα εργαστηριακά δεδομένα της ερυθρουλόζης.

Το πλέον απροσδόκητο εύρημα της έρευνας αφορά τις συγκεντρώσεις των μορίων. Οι αστροχημικοί ανέμεναν ότι οι απλούστερες ζάχαρες τριών ατόμων άνθρακα (όπως η γλυκεριναλδεΰδη και η διυδροξυακετόνη) θα κυριαρχούσαν στο νέφος. Αντιθέτως, τα δεδομένα απέδειξαν ότι η πολύπλοκη ερυθρουλόζη των τεσσάρων ανθράκων είναι 8 έως 17 φορές πιο άφθονη, ενώ οι ενώσεις τριών ανθράκων δεν ανιχνεύθηκαν καν. Το στατιστικό αυτό στοιχείο υποδηλώνει ότι η χημεία του διαστρικού μέσου ευνοεί ενεργειακά την απευθείας σύνθεση μεγαλύτερων αλυσίδων υπό συνθήκες ισχυρής ακτινοβολίας.

Προβιοτική χημεία: Λύνοντας το πρόβλημα των βιολογικών αποθεμάτων

Η παρουσία ερυθρουλόζης στο γαλαξιακό κέντρο επιλύει ένα από τα μεγαλύτερα κενά στην έρευνα της προέλευσης της ζωής, επιβεβαιώνοντας ότι τα εξωγήινα αποθέματα σακχάρων θα μπορούσαν να έχουν εμπλουτίσει τη νεαρή Γη πριν ξεκινήσουν οι πρώτες μεταβολικές διαδικασίες.

Η ζωή όπως τη γνωρίζουμε βασίζεται στα σάκχαρα, όχι μόνο ως πηγή κυτταρικής ενέργειας, αλλά πρωτίστως ως βασικό δομικό στοιχείο των νουκλεϊκών οξέων (RNA και DNA). Το πρόβλημα που αντιμετώπιζαν μέχρι σήμερα οι βιολόγοι ήταν ότι τα πειράματα αναπαραγωγής των συνθηκών της πρωτόγονης Γης παρήγαγαν σάκχαρα σε εξαιρετικά χαμηλές, ανεπαρκείς συγκεντρώσεις για να υποστηρίξουν την έναρξη της ζωής.

Η ανίχνευση του μορίου αποδεικνύει ότι τα διαστρικά νέφη λειτουργούν ως τεράστια, φυσικά χημικά εργοστάσια. Ο πλούτος των οργανικών ενώσεων που παράγεται εκεί μπορεί να διατηρηθεί κατά τη φάση κατάρρευσης ενός νέφους για τη δημιουργία ενός νέου ηλιακού συστήματος. Αυτά τα μόρια εγκλωβίζονται σε κομήτες και αστεροειδείς (όπως επιβεβαιώθηκε πρόσφατα και από τα δείγματα του αστεροειδούς Bennu) και τελικά παραδίδονται στους νεοσχηματισμένους πλανήτες. Η εύρεση της ερυθρουλόζης μετατοπίζει το ενδιαφέρον της σύνθεσης των πρώτων βιολογικών υλικών από τον ίδιο τον πλανήτη, στο ευρύτερο διαστρικό περιβάλλον από το οποίο προήλθε.

Η σημασία της χειρομορφίας (Chirality) στο Σύμπαν

Εξίσου κρίσιμη με τη χημική σύσταση είναι η γεωμετρία του μορίου. Η ερυθρουλόζη είναι χειρόμορφη, δηλαδή υφίσταται σε δύο μορφές που είναι κατοπτρικά είδωλα η μία της άλλης (όπως το δεξί και το αριστερό χέρι), οι οποίες δεν μπορούν να υπερτεθούν.

Στη βιολογία της Γης, σχεδόν όλοι οι οργανισμοί χρησιμοποιούν αποκλειστικά «δεξιόστροφα» σάκχαρα και «αριστερόστροφα» αμινοξέα, μια ιδιότητα που ονομάζεται ομοχειρομορφία (homochirality). Η ανακάλυψη του δεύτερου μόλις χειρόμορφου μορίου στο Διάστημα ανοίγει τον δρόμο για τη μελέτη του κατά πόσο αυτή η επιλογή κατεύθυνσης της βιολογίας καθορίστηκε τυχαία στον πλανήτη μας, ή αν προέκυψε ως αποτέλεσμα θεμελιωδών φυσικών διεργασιών κατά την έκθεση των διαστρικών νεφών σε πολωμένη κοσμική ακτινοβολία.