Кто мы такие? Почему мы здесь? Как говорится в песне Crosby, Stills, Nash & Young, мы - звездная пыль, результат химического взаимодействия, происходящего в огромных облаках межзвездного газа и пыли. Чтобы лучше понять, как этот химический процесс может привести к созданию пребиотических молекул — зародышей жизни на Земле и, возможно, в других местах, — исследователи изучили роль электронов низкой энергии, образующихся при прохождении космического излучения через частицы льда. Их результаты также могут быть использованы в медицинских и экологических целях на нашей родной планете.
Студент бакалавриата Кеннеди Барнс представит результаты работы своей команды на осеннем собрании Американского химического общества (ACS). ACS Fall 2024 - это гибридная конференция, которая проводится виртуально и очно с 18 по 22 августа; на ней представлено около 10 000 презентаций по целому ряду научных тем.
"Первое обнаружение молекул в космосе было сделано выпускницей колледжа Уэллсли Энни Джамп Кэннон (Annie Jump Cannon) более ста лет назад", — говорит Барнс, которая вместе с другим студентом Ронгом Ву (Rong Wu) руководила этим исследованием в Уэллсли под руководством профессора химии Кристофера Арумаайнаягама (Christopher Arumainayagam) и профессора физики Джеймса Баттата (James Battat). С момента открытия Кэннона ученые были заинтересованы в том, чтобы выяснить, как образуются внеземные молекулы.
"Наша цель - исследовать относительную важность низкоэнергетических электронов по сравнению с фотонами в инициировании химических реакций, ответственных за внеземной синтез этих пребиотических молекул", - объясняет Барнс.
Несколько исследований, в которых ранее рассматривался этот вопрос, показали, что и электроны, и фотоны могут катализировать одни и те же реакции. Исследования Барнса и его коллег, однако, указывают на то, что выход пребиотических молекул из низкоэнергетических электронов и фотонов может существенно отличаться в пространстве.
"Наши расчеты показывают, что количество электронов, вызванных космическими лучами, в космическом льду может быть намного больше, чем количество фотонов, попадающих на лед", - объясняет Барнс. "Следовательно, электроны, вероятно, играют более важную роль, чем фотоны, во внеземном синтезе пребиотических молекул".
Помимо космического льда, ее исследования в области низкоэнергетических электронов и радиационной химии также могут найти применение на Земле. Барнс и его коллеги недавно изучали радиолиз воды, обнаружив свидетельства стимулированного электронами высвобождения перекиси водорода и гидропероксильных радикалов, которые разрушают стратосферный озон и действуют как вредные активные формы кислорода в клетках.
"Многие результаты наших исследований в области радиолиза воды могут быть использованы в медицинских целях и при медицинском моделировании", - отмечает Барнс, приводя пример использования высокоэнергетического излучения для лечения рака. "Однажды профессор биохимии сказал мне, что люди, по сути, представляют собой мешки с водой. Итак, другие ученые исследуют, как низкоэнергетические электроны, образующиеся в воде, влияют на молекулы нашей ДНК".
Она также говорит, что выводы команды применимы к усилиям по восстановлению окружающей среды, когда сточные воды обрабатываются высокоэнергетическим излучением, которое производит большое количество электронов с низкой энергией, которые, как предполагается, ответственны за разрушение опасных химических веществ.
Возвращаясь к космической химии, в попытке лучше понять синтез пребиотических молекул исследователи не ограничились математическим моделированием; они также проверили свою гипотезу, имитируя условия космоса в лаборатории. Они используют камеру со сверхвысоким вакуумом, содержащую сверхчистую медную подложку, которую можно охлаждать до сверхнизких температур, а также электронную пушку, генерирующую низкоэнергетические электроны, и плазменную лампу с лазерным приводом, генерирующую низкоэнергетические фотоны. Затем ученые бомбардируют наноразмерные пленки льда электронами или фотонами, чтобы увидеть, какие молекулы образуются при этом.
"Хотя ранее мы сосредоточились на том, как это исследование применимо к межзвездным субмикронным частицам льда, оно также применимо к космическому льду в гораздо большем масштабе, например, к спутнику Юпитера Европе, который имеет ледяной панцирь толщиной 20 миль", - говорит Барнс.
Таким образом, она предполагает, что их исследование поможет астрономам понять данные космических исследовательских миссий, таких как космический телескоп Джеймса Уэбба НАСА, а также Europa Clipper, запуск которого первоначально ожидался в октябре 2024 года. Барнс надеется, что их результаты вдохновят других исследователей включить низкоэнергетические электроны в свои астрохимические модели, которые имитируют то, что происходит внутри космических льдов.
Барнс и его коллеги также изменяют молекулярный состав ледяных пленок и исследуют реакции присоединения атомов, чтобы выяснить, могут ли низкоэнергетические электроны производить другие химические вещества, связанные с пребиотиками. Эта работа проводится в сотрудничестве с исследователями из Лаборатории изучения излучения и вещества в астрофизике и атмосферах во Франции.
"Мы находимся на пороге изучения многого, что, на мой взгляд, действительно захватывающе и интересно", - говорит Барнс, расхваливая то, что она называет новой космической эрой.
