Образование аминокислот в метеоритах объяснили гамма-излучением

Японские ученые облучили водный раствор формальдегида, аммиака и метанола гамма-излучением и получили аминокислоты. Этот процесс мог происходить в хондритах или их родительских телах: в качестве источника гамма-излучения мог выступать радиоактивный изотоп алюминия ²⁶Al, а весь процесс занял бы от одной до ста тысяч лет. Результаты исследования опубликованы в журнале ACS Central Science.

Углистыми хондритами называют метеориты из силикатной породы с вкраплением небольших частиц угля, графита, воды и соединений железа. В подобных метеоритах и их предполагаемых родительских телах уже были обнаружены сахара, аминокислоты и азотистые основания. Ученые предполагают, что доставленные такими метеоритами вещества могли сыграть важную роль в процессе химической эволюции на нашей планете. Но пока не до конца понятно, как именно сложные органические вещества появились в самих метеоритах или их родительских телах.

В прошлом году японские химики под руководством Йоко Кебукавы (Yoko Kebukawa) из Университета Йокогамы показали, что аминокислоты могут образовываться из формальдегида HCHO и аммиака NH₃, но только в жидкой воде и при наличии источника энергии. Теперь Кебукава и ее коллеги решили проверить, могло ли таким источником энергии быть гамма-излучение, которое возникает при радиоактивном распаде изотопа алюминия ²⁶Al, входящего в состав хондритной породы.

Ученые приготовили водный раствор формальдегида HCHO и аммиака NH₃ с добавлением метанола (мольное соотношение H₂O:NH₃:HCHO:CH₃OH было равно 100:6:8:1, близко к соотношению в реальных хондритах) и запаяли его в тонкие стеклянные трубочки. В качестве источника гамма-излучения использовали радиоактивный изотоп кобальта ⁶⁰Co.
Ученые варьировали меняли интенсивность (от 0,5 до 20 килогрей в час) и время облучения (от 3 до 20 часов). Всего они провели тридцать экспериментов, и еще три образца оставили для контроля. Все полученные растворы обработали соляной кислотой, чтобы перевести аминокислоты из формы соответствующих амидов в форму кислоты.

Количество аминокислот определяли с помощью метода высокоэффективной жидкостной хроматографии. Альфа-аланин также выделили из смеси и проанализировали отдельно методом тандемной газовой хроматогмасс-спектрометрии (GC-MS), чтобы убедиться, что он находится в форме рацемата (эквимолярной смеси двух изомеров). Таким образом Кебукава и ее коллеги подтвердили, что аминокислоты не были занесены извне — в этом случае альфа-аланин находился бы в основном в форме L-изомера.

Больше всего в образцах было альфа-аланина — его концентрация доходила до полутора миллимоль на литр. Также среди продуктов были бета-аланин, глицин, альфа-аминомасляная кислота, бета-аминоизобутановая кислота и глутаминовая кислота.

Количество аминокислот оказалось прямо пропорционально общей дозе облучения, при этом не зависело от интенсивности облучения. Кебукаве и ее коллегам удалось превратить в аминокислоты до 0,14 процента всего содержащегося в растворе углерода — для этого потребовалась доза в 200 килогрей.
Авторы подсчитали, что начальное содержание радиоактивного изотопа алюминия ²⁶Al в хондритной породе соответствует общей дозе радиации в 6300 килогрей — вполне достаточно для синтеза аминокислот. Например, для образования такого количества альфа-аланина и бета-аланина, которые были обнаружены в Мурчисонском метеорите, потребовалось бы от одной до ста тысяч лет.

Интересно что в Мурчисонском метеорите количества альфа-аланина и бета-аланина были очень близки ( 1,3 и 1.4 микрограмм на грамм породы соответственно), в то время, как в эксперименте Кебукавы и ее коллег альфа-аланина получилось примерно в десять раз больше. Авторы предложили такое объяснение: под действием гамма-излучения происходит не только образование, но и распад аминокислот. Альфа-аланин менее стабилен, поэтому при длительном облучении его доля в смеси снижается — особенно, если свободный формальдегид и аммиак закончились, и реакция синтеза аминокислот остановилась.

Два года назад мы писали о химических исследованиях Тагишского метеорита, в котором тоже нашли следы аминокислот. Результаты атомно-зондовой томографии показали, что частицы магнетита в его составе формировались в слабощелочной среде. Эти результаты хорошо объясняют, почему глутаминоваяи и аспаргиновая аминокислоты, обнаруженные в этом метеорите, в основном находились в L-форме. Дело в том, что в водном растворе эти аминокислоты могут находиться D- и L-форме, но кристаллизуются обе преимущественно в L-форме. В растворе L-форма постоянно находится в недостатке, и равновесие смещено в сторону ее образования, а в щелочной среде процесс перехода между формами протекает быстрее, чем в кислой или нейтральной.