Chirališkumo ženklai Marse: MOMA metodai Rosalind Franklin

Įsivaizduokite, kad randate vieną cheminį pirštų atspaudą, galintį atskirti negyvą uolą nuo išnykusio mikrobinio pasaulio likučių. Tokia aukštos reikšmės detektyvinė užduotis laukia Rosalind Franklin marsaeigio, kai jis pasieks Marsą.

Murchison meteoritas nukrito Australijoje 1969 m., susiskaldęs į daugybę fragmentų. Jis priklauso anglies turinčių hondritų grupei ir laikomas ypač nepakitusiu. 

Kodėl chiralinės molekulės svarbios ieškant senovinės gyvybės

Šiandien Marsas yra trapus, saulės nudegintas dykumų pasaulis. Tačiau prieš milijardus metų situacija buvo kitokia: šiltesnis, drėgnesnis ir turėjęs storesnę atmosferą. Tokios sąlygos galėjo leisti paprastai gyvybei klestėti. Problema ta, kad organinės molekulės gali susidaryti dviem labai skirtingais būdais: per biologinius procesus arba per įprastą cheminę sintezę. Kaip atskirti vieną nuo kito?

Perspektyvus atsakymas slypi chirališkume. Kai kurios organinės molekulės egzistuoja dviem veidrodinėmis formomis, vadinamomis enantiomerais, panašiai kaip kairė ir dešinė rankos. Gyvos sistemos Žemėje dažnai renkasi vieną formą. Ši „rankiškumo“ preferencija išlieka biologiniuose likučiuose ir, svarbiausia, gali veikti kaip biosignatūra. Jei Marse bus rasta ryški vienos enantiomero persvara, tai būtų stiprus požymis, kad gyvybė kadaise formavo chemiją ten.

ESА Rosalind Franklin marsaeigis naudos MOMA, kad ieškotų senovinės Marso gyvybės, analizuodamas chirališkas organines molekules.

Kaip MOMA skaitys Marso cheminę kalbą

ExoMars misijos Rosalind Franklin marsaeigis gabena Marsinių organinių molekulių analizatorių, vadinamą MOMA, instrumentą, sukurtą uoslei, atskyrimui ir sudėtingų organinių junginių identifikavimui. MOMA nėra vienas įrankis, o instrumentų rinkinys: dujų chromatografas, masių spektrometras, mikrokrosnelės uolienų mėginių garinimui ir lazeris sužadinimui. Kartu jie leidžia įrenginiui ekstrahuoti lakiuosius junginius iš kaitintų mėginių ir tada atskirti molekulinius dvynius pagal jų sąveiką su specialiai padengta kolona.

Enantiomerų atskyrimas yra subtilus procesas. Kiekviena veidrodinė forma šiek tiek skirtingai sąveikauja su kolonos danga, todėl išsiskiria skirtingu laiku. Tų skirtumų aptikimas molekulėms, kurios yra didelės, cheminiu požiūriu stabilios ir Marse retos, yra techninis iššūkis. Čia svarbūs pastarieji darbai iš Gėtingeno, Nico ir Max Planck instituto komandų: jos išbandė MOMA tipo kolonas ant tikro meteoritinio medžiagos ir pavyko atskirti dvi užsispyrusias angliavandenilines molekules, pristaną ir fitaną.

MOMO bandymai su pažįstamu kosminiu svečiu

Imituodami marsietiškus mėginius, mokslininkai naudojo Murchison meteorito pavyzdžius, anglimis turtingą kosminį akmenį, nukritusį į Žemę 1969 m., kuris ilgą laiką vertinamas dėl savo organinių junginių turinio. Tokie meteoritai kaip Murchison neša senovinių junginių kokteilį, susiformavusį ankstyvajame Saulės sistemos etape; jie taip pat surenka terestrinę taršą po nukritimo. Toks mišinys daro meteorito tyrimą naudingą, bet sudėtingą bandymą.

Mokslininkai susitelkė į pristaną ir fitaną, du ilgos grandinės angliavandenilius, dažnai siejamus su biologiniu skilimu Žemėje. Mūsų planetoje šios molekulės paprastai rodo dominavimą vienos chiralinės formos, kai kyla iš gyvų organizmų. Nebiologinės sintezės atveju arba kai stipri geologinė perestroika ištrynė biologinius signalus, enantiomerai dažniausiai pasirodo maždaug lygiomis dalimis.

Naudodami laboratorinius MOMA atitinkančių skiriamosios kolonos reprodukcijas, komanda pasiekė pristano ir fitano chiralinį atskyrimą - reikšmingą techninį laimėjimą, nes šios molekulės yra cheminiu požiūriu inertiškos ir sunkiai skiriamos. Eksperimentai parodė tiek jautrumą, tiek tikslumą, kurių MOMA prireiks tirti Marso uolienas.

Tačiau duomenys atnešė siurprizą. Murchison fragmentuose pristanas ir fitanas pasirodė enantiomerų požiūriu vienodomis proporcijomis. Toks simetrinis mišinys neatitiko lūkesčių dėl biomase pagrįstos taršos meteorito nusileidimo vietoje. Vietoj to, pusiausvyra rodė kitą taršos kelią.

Tarša, atmosfera ir netikėtas signalas

Komanda pasiūlė, kad atmosferiniai aerosoliai - smulkios dalelės, susidarančios deginant iškastinį kurą ir vykstant moderniai pramoninei veiklai - nusėdo ant meteorito, kai jis skriejo per atmosferą, o vėliau gulėjo atvirai Žemės paviršiuje. Kitaip tariant, dalis organinių junginių Murchison galėjo patekti per sąlytį su Žemės oru jau po to, kai uoliena susiformavo kosmose.

Palyginimo matavimai stiprino šią versiją. Pristanas ir fitanas, išsaugoti naftos šlakoje ir su nafta susijusiose medžiagose, dažnai praranda pirminę biologinę „rankiškumą“ po ilgalaikio gilinimo ir terminio apdorojimo. Šiluma ir slėgis Žemės plutoje išblaško chirališkus signalus. Jei degimo aerosoliai perneša naftos kilmės molekules, jie gali pridėti raceminį (subalansuotą) pristaną ir fitaną prie meteorito paviršių ir užmaskuoti bet kokią senovinę asimetriją.

Šis atradimas nėra vien laboratorinis prierašas. Tai perspėjimas Marso tyrimams: taršos keliai yra svarbūs net ir uolienoms iš kosmoso. Instrumentai turi aptikti ne tik molekules, bet ir jų kontekstą bei istoriją. MOMA gebėjimas išskirti enantiomerus - ir tai atlikti su eksperimentuose parodytu jautrumu - bus lemiamas aiškinant bet kokį chiralinį disbalansą Marso mėginiuose.

Ką tai reiškia Rosalind Franklin ir ExoMars misijai

Artėjanti Rosalind Franklin misija, numatyta nutūpti Marse 2030 m. molingos Oxia Planum srityje, planuoja surinkti ir analizuoti nuosėdas, kur kadaise tekėjo vanduo. Moliai gerai išsaugo organines medžiagas. Jei gyvybė kada nors paliko cheminį pėdsaką, molingos terpės yra vienos geriausių vietų jo ieškoti.

MOMA patvirtinta metodika suteikia aiškų pranašumą: ji gali atskirti ir kiekybiškai įvertinti enantiomerus molekulių, kurios išgyvena sunkiomis sąlygomis. Jei Rosalind Franklin aptiks stiprią chiralinę persvarą pristano, fitano ar susijusių junginių atžvilgiu, toks rezultatas būtų aukšto prioriteto signalas, nurodantis biologinį apdorojimą. Priešingu atveju raceminė pasiskirstymo struktūra rodytų abiotiką kilmę arba plačią postdepozicinę perkeitimo istoriją.

Yra ir kitas praktinis pamokymas. Murchison tyrimas pabrėžia, kad tarša iš modernių Žemės šaltinių yra reali ir gali imituoti arba slėpti senovinius signalus. Planetos apsaugos ir mėginių tvarkymo prasme pamoka paprasta: švaros protokolai ir dėmesingas taršos interpretavimas turi būti kiekvieno teiginio apie už Žemės gyvenimą dalis.

Eksperto įžvalga

Dr. Elena Moreno, planetų chemikė ir buvusi vieno Marsą tyrusio instrumento mokslininkė, pateikė pragmatišką požiūrį: 'Chirališkumas suteikia vieną geriausių galimybių atskirti gyvybę nuo chemijos, bet tai nėra stebuklingas sprendimas. Tik konteksto - uolos, mineralinio aplinkos, terminės istorijos - ir tikslių chirališkų matavimų derinys leis pateikti įtikinamą argumentą.' Ji pridūrė, kad kryžminiai patikrinimai naudojant nepriklausomas technikas bus būtini prieš skelbiant bet kokį neįprastą atradimą.

Nuo 2030 m. ESA marsaeigis Rosalind Franklin sieks rasti gyvybės pėdsakus Marse. 

Pasekmės už Marso ribų

Šie rezultatai turi platesnę reikšmę. Jei aerosoliais perduodamos organinės medžiagos gali pakeisti meteorito paviršiaus chemiją Žemėje, panašūs procesai galėtų paveikti mėginius, surinktus kituose pasauliuose ir grąžintus į Žemę, nebent būtų taikomi griežti izoliacijos protokolai. Tyrimas taip pat pabrėžia, kodėl vietinė analizė yra svarbi: tokie instrumentai kaip MOMA gali tirti mėginius jų natūralioje aplinkoje ir taip sumažinti kai kurias taršos rizikas, susijusias su mėginių grąžinimu.

Galiausiai eksperimentas keičia ir tyrimų prioritetus: misijos turėtų ne tik ieškoti organinių junginių, bet ir matuoti molekulinį „rankiškumą“ bei būti sukurtos taip, kad interpretuotų raceminius ir neraceminius mišinius. Toks dvigubas dėmesys padidina tikimybę aptikti patikimą biosignatūrą.

Išvados

Įrodyti, kad Marsas kadaise buvo gyvenamas, tebėra vienas iš šiuolaikinės mokslo sudėtingiausių iššūkių. Murchison meteorito bandymai yra žingsnis pirmyn: jie rodo, kad MOMA tipo instrumentai gali atskirti trapias chirališkas savybes net ir sudėtingoms molekulėms. Jie taip pat primena, kad tarša - tiek žemiška, tiek galimai ateiviška kilmės - gali painioti pasakojimą, jeigu jos neįvertiname. Kai Rosalind Franklin įvažiuos į Oxia Planum, jis neš ne tik įrangą, bet ir patikrintas laboratorines metodikas bei aiškesnį klausimų rinkinį, kaip „perskaityti" Marso cheminę istoriją.