Część pierwszą znajdziecie tutaj.

Kosmiczna retorta

Wszechświat składa się z atomów, takich samych na Ziemi, a atomy lubią się ze sobą łączyć. Naturalnym pytaniem, które od dawna nurtowało uczonych, było: czy tam, w kosmosie, są takie same związki chemiczne? Z jednej strony właściwości chemiczne atomów są niezależne od tego, gdzie one się znajdują, ale z drugiej wiadomo było, że w kosmicznej retorcie możemy napotkać warunki inne niż w ziemskich laboratoriach. Wewnątrz gwiazd mamy ekstremalnie wysokie temperatury i ciśnienia, z kolei w przestrzeni międzygwiezdnej temperatura jest zbliżona do zera absolutnego, a do tego panuje tam próżnia, jakiej nie da się uzyskać na Ziemi. Dlatego też chemicy z dużym zaciekawieniem zaczęli współpracować z astronomami przy analizie danych otrzymywanych z przestrzeni kosmicznej.

Najpierw jednak badano meteoryty. Nie znaleziono w ich składzie żadnych egzotycznych pierwiastków, których nie ma na Ziemi (co jest dość oczywiste), ale już badania składu izotopowego wykazały, że często różni się on od ziemskiego. Także minerały w meteorytach mają w wielu wypadkach inny skład.

W ostatnich latach wykazano obecność w meteorytach związków organicznych pochodzenia pozaziemskiego, takich jak uracyl, cytozyna czy tymina. Skąd wiadomo, że są spoza Ziemi, a nie stanowią zanieczyszczeń stąd? Sprawa jest dość prosta – kosmiczne mają nieco inny skład izotopowy. Niektóre meteoryty z grupy chondrytów węglistych (np. australijski Murchison) zawierają niezwykle dużo takich związków – aminokwasów, zasad nukleinowych, węglowodorów alifatycznych i aromatycznych, kwasów sulfonowych oraz związków fosforu.

Australijski meteoryt Muchison (chondryt węglisty)
Źródło: Wikimedia, licencja: CC BY-SA 3.0

Z kolei w 2015 r. lądownik Philae zbadał powierzchnię komety 67/P i znalazł tam m.in. szesnaście związków organicznych.

Cały czas prowadzone są też badania zdalne. Jest to do pewnego stopnia praca detektywistyczna, polegająca na poszukiwaniu swoistych „odcisków palców”, czyli emitowanych przez konkretne molekuły fal elektromagnetycznych o konkretnym zestawie długości fali (zapoczątkowali to Bunsen i Kirchhoff). Jest to zadanie dość trudne. W pierwszym etapie poszukuje się sygnałów związków czy też rodników, które możemy wytworzyć tu, na Ziemi. Jednakże kosmiczny tygiel ze względu na specyficzne właściwości pozwala na powstanie niezwykłych połączeń, których tutaj nie ma albo też skrajnie trudno je wytworzyć.

Egzotyka chemiczna we Wszechświecie

Historycznie rzecz biorąc, pierwszym dwuatomowym indywiduum chemicznym, które zaobserwowano (już w roku 1937) w kosmosie był metylidyn (CH). Prawdopodobnie wszyscy znają najprostszy związek organiczny, metan, czyli CH₄. Jeśli od tego związku oderwiemy trzy atomy wodoru, pozostanie właśnie dwuatomowy rodnik CH. Nie jest to typowa cząsteczka chemiczna, ale coś bardzo reaktywnego. Gdy próbujemy uzyskać metylidyn na Ziemi, musimy zadbać, aby w okolicy nie było niczego, z czym mógłby się związać. Jest to skrajnie trudne. Zupełnie inaczej jest w kosmosie. Choć my widzimy z daleka np. obłoki międzygwiezdne, musimy sobie zdawać sprawę, że panuje tam próżnia, jakiej nie damy rady wytworzyć na Ziemi. Dlatego też taki rodnik nie ma w pobliżu niczego, z czym mógłby w miarę szybko zareagować. I właśnie to pozwala mu istnieć bardzo długo. Dotyczy to oczywiście nie tylko metylidynu, ale wszystkich innych rodników oraz cząsteczek. Szacuje się, że średni czas pomiędzy zderzeniami cząsteczek w obłokach międzygwiezdnych to 2 tygodnie, w tym czasie muszą one przebyć nawet 100 tys. km.

Lista związków i rodników w przestrzeni kosmicznej rośnie. Dość szybko znaleziono takie rodniki jak CN (cyjan) oraz OH (rodnik hydroksylowy), a także dość reaktywny związek chemiczny – formaldehyd (HCHO), ale dotychczas wykryto ich już setki.

Co ciekawe, jedynym związkiem nieorganicznym o pięciu atomach jest analog metanu, krzemowodór SiH₄. Większe są zawsze związkami węgla. Można więc powiedzieć, że kosmos jest po prostu organiczny.

Od początku XXI w. astrochemicy donoszą o coraz to nowych związkach identyfikowanych w rozmaitych miejscach. W 2004 stwierdzono, że mgławica protoplanetarna Czerwony Czworokąt w gwiazdozbiorze Jednorożca jest szczególnie bogata w wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne (WWA), takie jak antracen i piren (uwaga: jeśli znajdziecie się tam, nie wdychać, bo rakotwórcze!).

Mgławica protoplanetarna Czerwony Czworokąt (gwiazdozbiór Jednorożca)
Źródło: Wikimedia, licencja: domena publiczna

W ostatniej dekadzie WWA wykryto w wielu innych miejscach, w tym w atmosferze Tytana, największego księżyca Saturna.

Wyobraźnię ludzi rozpalają czasem doniesienia o znalezieniu gigantycznych obłoków etanolu. Jego ilości są niewyobrażalne, ale potencjalni miłośnicy wysokoprocentowych napojów muszą zdawać sobie sprawę, że znajduje się on co najmniej 10 tys. lat świetlnych od Ziemi. Co gorsza, nie jest czysty – razem z nim zaobserwowano takie związki jak tlenek węgla (czad), amoniak (NH₃) czy też cyjanowodór (HCN). Znacznie częściej obserwuje się jednak obłoki metanolu, który jest prostszą cząsteczką. Z drugiej strony dużym zaskoczeniem było odkrycie w kosmosie fullerenów, czyli cząsteczek składających się z 60 lub 70 atomów węgla ułożonych w kształt wielościanów półforemnych.

Jak więc widać kosmiczne laboratorium chemiczne jest pełne odczynników. Są one co prawda znacznie rozproszone (nie licząc atmosfery planet i księżyców), ale mimo to astrochemicy uważają, że wszędzie przebiegają reakcje chemiczne, czasami niezwykle egzotyczne. Tu istotnym czynnikiem jest czas. Izolowany rodnik czy cząsteczka prędzej czy później spotka się z inną, z którą będzie mogła zareagować. Jeśli nie nastąpi to w ciągu roku, to może się to zdarzyć za milion czy też miliard lat. Wszechświat jest cierpliwy.

Po co to wszystko?

Takie pytanie pada często, gdy toczone są rozmowy o dość wyrafinowanych badaniach. Faktycznie można się zastanawiać nad tym, co nas obchodzi, że gdzieś tam, miliony lat świetlnych od nas, znajdują się jakieś cząsteczki tlenku węgla, benzenu czy też glicyny. I tak ich tu nie sprowadzimy, aby sprzedać z zyskiem. I tu wyjaśnienia są dwa. Po pierwsze, jest to ludzka ciekawość naukowa. Chemicy teoretycy, korzystając z dostępu do superkomputerów, modelują nie tylko te związki / rodniki, które możemy obserwować w ziemskich pracowniach, ale też bardzo egzotyczne, których tu nigdy nie otrzymamy. Tego typu obliczenia pozwalają na uzyskanie informacji o tym, w jakich zakresach promieniowania elektromagnetycznego poszukiwać ich śladów. Po drugie – badanie kosmicznego tygla może nam pomóc zrozumieć chemiczną ewolucję Wszechświata. Tam, daleko, może być odpowiedź na podstawowe pytania o to, skąd się wzięło życie. Jak widać, kosmos jest pełen związków organicznych – są one zaskakująco trwałe nawet w warunkach skrajnie niskiej temperatury i bombardowania promieniowaniem kosmicznym. Oczywiście z faktu obecności wielu nawet całkiem złożonych związków chemicznych nie wynika wprost to, że gdzieś tam jest jakieś życie. Wszyscy pamiętamy klasyczny dziś już eksperyment Stanleya Millera, w którym w warunkach laboratoryjnych udało się zasymulować pierwotne warunki panujące na Ziemi. Uzyskano sporo aminokwasów i innych prostych związków organicznych, ale od takiej organicznej zupy do powstania życia jest jednak zdecydowanie daleka droga. Mimo wszystko współczesne odkrycia pozwalają na nowo przyjrzeć się hipotezie panspermii. Prawdopodobnie jako pierwszy wspominał o niej grecki filozof Anaksagoras, ale tak naprawdę więcej o tym mówili tacy uczeni, jak Berzelius czy lord Kelvin. W XX w. bardziej złożoną hipotezę panspermii przedstawił Svante Arrhenius. Zgodnie z jego koncepcją życie miało być przenoszone w kosmosie z wykorzystaniem ciśnienia światła. Hipotezę tę popierali tacy znakomici uczeni, jak Fancis Crick czy Nalin Chandra Wickramasinghe.

Jedno jest pewne: dalsze badanie kosmosu przyniesie nam zapewne wiele odpowiedzi, ale zrodzi też równie dużo pytań – nie tylko z zakresu chemii czy fizyki, ale i wielu innych nauk.