Совместно со специалистами из Института медико-биологических проблем РАН (ИМБП РАН) астробиологи ОИЯИ изучат возможности для синтеза пребиотических соединений из смеси формамида и древних горных пород в условиях открытого космоса, в полете на биоспутнике «Бион-М» №2. Полученные в ходе эксперимента данные могут дать новые представления о возможных механизмах возникновения жизни на Земле и других планетах. Запуск космического аппарата запланирован на вторую половину 2024 года.
Одним из важных вопросов в проблеме происхождения жизни является вопрос возникновения первых пребиотических соединений — начальных «кирпичиков жизни», из которых впоследствии формировались первые клетки. Начиная с XIX века, опыты по изучению процессов формирования аминокислот, нуклеотидов и других биомолекул без участия живых организмов пытались осуществить многие химики. Первые научные достижения в области абиогенного синтеза получили американские ученые Стэнли Миллер и Гарольд Юри в 1950-е годы. Они впервые смогли продемонстрировать синтез аминокислот в результате пропускания электрического разряда через смесь газов — метана, аммиака, воды и водорода. Состав смеси был выбран в соответствии с представлениями того времени об атмосфере ранней Земли. Эксперимент показал, что органические молекулы, необходимые для возникновения жизни, могут быть синтезированы в неорганической среде под воздействием естественных процессов.
В настоящее время в мире проводится широкий спектр исследований в области синтеза органических соединений. С целью описания процессов пребиотической эволюции астробиологи активно изучают химический состав метеоритов и горных пород. Анализ их химического состава может позволить исследователям понять, какие химические реакции могли привести к образованию органики и какие условия были благоприятны для ее синтеза.
В 2013 году специалисты сектора астробиологии ЛРБ ОИЯИ совместно с коллегами из итальянских университетов «Sapienza» и Тосканского университета начали разрабатывать программу нового эксперимента по синтезу пребиотических соединений из формамида.
Формамид (амид муравьиной кислоты) — одно из простейших органических соединений, которое широко распространено как в межзвездной и межпланетной средах, так и на ранней Земле (4,6 – 4 млрд лет назад). Амид муравьиной кислоты состоит из минимального набора живого: углерод, водород, кислород, азот. В результате исследований было доказано, что при его нагревании возможно образование более сложных органических соединений. Для повышения интенсивности реакции синтеза ученые из ОИЯИ предложили использовать уникальный метод облучения протонами с энергией, сопоставимой с энергией частиц космических лучей.
«В ходе исследовательских работ мы облучали на Фазотроне Лаборатории ядерных проблем ОИЯИ смесь, состоящую из формамида и метеоритов, которые выступают в роли катализаторов реакции. В результате наблюдалось увеличение выхода продуктов распада и возрастала сложность получаемых соединений. В последующих экспериментах нам удалось получить нуклеотиды — соединения, состоящие из азотистых оснований, сахаров (рибозы или дезоксирибозы) и фосфатной группы. По причине того, что в формамиде отсутствует фосфор, в смесь добавлялась фосфатная группа для того, чтобы в результате получить фрагмент цепочки ДНК или РНК. Таким образом, мы выяснили, что радиация способна не только разрушать органические соединения, но и помогать синтезу более сложных соединений, на порядок эффективнее нежели при нагревании», — рассказал о проведенных опытах с формамидом научный сотрудник сектора астробиологии ЛРБ ОИЯИ Михаил Капралов.
В 2016-м году один из разработчиков космического аппарата «Бион-М», доктор медицинских наук Вячеслав Ильин предложил коллегам из Объединенного института продолжить исследования не на ускорителе, а непосредственно в космосе. С этого момента началась подготовка к новому этапу научной работы — астробиологическому эксперименту.
Эксперимент «Астробио» — это экзобиологический эксперимент, в ходе которого изучаются возможности для синтеза пребиотических соединений из смеси древних горных пород и формамида в условиях открытого космоса в полете на биоспутнике «Бион-М» №2. Целью эксперимента является получение новых данных о последовательности процессов, которые могут привести к образованию полноценной химически активной пребиотической системы. Участие в эксперименте принимают группа специалистов из Института медико-биологических проблем Российской академии наук во главе с заведующим лабораторией микробной экологии человека Вячеславом Ильиным и сектор астробиологии Лаборатории радиационной биологии ОИЯИ. По словам директора ИМБП РАН, академика Олега Орлова, запуск космического аппарата запланирован на сентябрь 2024 г.
Как отмечает Михаил Капралов, для подготовки к эксперименту изначально в пробирки будут помещены формамид, а также очищенные от органики, четыре образца древних горных пород (2.7 – 2.9 млрд лет), которые должны будут выполнять роль катализаторов. Поскольку по воздуху распространяются различные органические соединения, в том числе ДНК и РНК, образцы материалов проходят предварительную пробоподготовку, состоящую из двух этапов. На этапе химической обработки используются серная кислота, хлороформ и метанол. При термической обработке материал подвергается нагреванию в печи до 600°C. По завершении подготовительных процедур, перед отправлением на испытательную площадку образцы будут упакованы в 15 пробирок объемом 0,2 мл.
В корпусе орбитальной лаборатории «Бион-М» №2 образцы загрузятся в специальный шлюз, который, по сравнению с другими отсеками биоспутника, будет подвергнут воздействию больших доз космического излучения. Этот аппарат предназначен для комплексного исследования комбинированного биологического действия повышенных уровней космической радиации и невесомости на организмы и их отдельные функциональные системы на клеточном и молекулярном уровнях. Он будет отправлен на высокоширотную орбиту на высоту 370 – 380 км, где время пребывания составит 30 суток. В течение этого периода образцы подвергнутся процессу экспонирования, при котором смесь формамида и древних горных пород будет подвержена радиационному и термическому воздействию в условиях, близких к открытому космосу. По окончании полета полученный биоматериал будет исследован в Лаборатории радиационной биологии с привлечением астробиологов, а также с использованием аналитического оборудования участников эксперимента.
Результат анализа данных позволит доказать — могут ли древние горные породы выполнять роль катализаторов в реакциях синтеза органики, как это было на ранней Земле, и способны ли образовываться в этих реакциях новые соединения. В случае успеха эксперимента ученые получат информацию о необходимых условиях для образования первых сложных органических соединений, которые формировались миллиарды лет назад. Благодаря результатам данного исследования представители мирового научного сообщества смогут получить возможности для описания новых механизмов пребиотической эволюции и для развития представлений о возникновении жизни.
