Космическая химия. Самое тяжелое вещество во вселенной. Чёрные дыры во Вселенной

— Зверь и птица, звёзды и камень — все мы одно, все одно... — бормотала Кобра, опустив свой клобук и тоже раскачиваясь. — Змея и ребёнок, камень и звезда — все мы одно...

Памела Треверс. «Мэри Поппинс»

Чтобы установить распространённость химических элементов во Вселенной, нужно определить состав её вещества. А оно сосредоточено не только в крупных объектах — звёздах, планетах и их спутниках, астероидах, кометах. Природа, как известно, не терпит пустоты, поэтому и космическое пространство заполнено межзвёздными газом и пылью. К сожалению, нам для непосредственного изучения доступно лишь земное вещество (и только то, которое «под ногами») да очень небольшое количество лунного грунта и метеориты — обломки некогда существовавших космических тел.

Как же определить химический состав объектов, удалённых от нас на тысячи световых лет? Получать всю необходимую для этого информацию стало возможным после разработки в 1859 г. немецкими учёными Густавом Кирхгофом и Робертом Бунзеном метода спектрального анализа. А в 1895 г. профессор Вюрцбургского университета Вильгельм Конрад Рентген случайно обнаружил неизвестное излучение, которое учёный назвал Х-лучами (ныне они известны как рентгеновские). Благодаря этому открытию появилась рентгеновская спектроскопия, которая позволяет непосредственно по спектру определять порядковый номер элемента.

В основе спектрального и рентгеноспектрального анализа лежит способность атомов каждого химического элемента излучать или поглощать энергию в виде волн строго определённой, только ему одному свойственной длины, что и улавливают специальные приборы — спектрометры. Атом испускает волны видимого света при переходах электронов на внешних уровнях, а за рентгеновское излучение отвечают более «глубинные» электронные слои. По интенсивности определённых линий в спектре и узнают содержание элемента в том или ином небесном теле.

К концу XX в. исследованы спектры многих объектов во Вселенной, накоплен огромный статистический материал. Разумеется, данные о химическом составе космических тел и межзвёздного вещества не окончательны и постоянно уточняются, но благодаря уже собранным сведениям удалось установить среднее содержание элементов в космосе.

Все тела во Вселенной состоят из атомов одних и тех же химических элементов, но содержание их в разных объектах различно. При этом наблюдаются интересные закономерности. Лидеры по распространённости — водород (его атомов в космосе — 88,6 %) и гелий (11,3 %). На долю остальных элементов приходится всего 1 %! В звёздах и планетах распространены также углерод, азот, кислород, неон, магний, кремний, сера, аргон и железо. Таким образом, лёгкие элементы преобладают. Но есть и исключения. Среди них — «провал» в области лития, бериллия и бора и низкое содержание фтора и скандия, причина которого до сих пор не установлена.

Выявленные закономерности можно представить в виде графика. Внешне он напоминает старую пилу, зубья которой сточились по-разному, а некоторые вообще сломались. Верхушки зубьев соответствуют элементам с чётными порядковыми номерами (т. е. тем, у которых количество протонов в ядрах чётное). Данная закономерность носит название правила Олдо — Харкинса в честь итальянского химика Джузеппе Оддо (1865—1954) и американского физика и химика Уильяма Харкинса (1873— 1951). Согласно этому правилу, распространённость элемента с чётным зарядом больше, чем его соседей с нечётным количеством протонов в ядре. Если же у элемента и количество нейтронов чётное, то он встречается ещё чаше и изотопов образует больше. Во Вселенной существует 165 стабильных изотопов, у которых и число нейтронов, и число протонов чётное; 56 изотопов с чётным числом протонов и нечётным — нейтронов; 53 изотопа, у которых число нейтронов чётное, а протонов — нечётное; и всего 8 изотопов с нечётным количеством и нейтронов, и протонов.

Бросается в глаза и ещё один максимум, приходящийся на железо — один из наиболее распространённых элементов. На графике его зубец возвышается, как Эверест. Это связано с большой энергией связи в ядре железа — самой высокой среди всех химических элементов.

А вот и сломанный зуб у нашей пилы — на графике нет значения распространённости технеция, элемента № 43, вместо него здесь пробел. Казалось бы, что в нём такого особенного? Технеций находится в середине периодической системы, распространённость его соседей подчиняется общим закономерностям. А дело вот в чём: этот элемент просто-напросто давно «закончился», период полураспада его самого долгоживущего изотопа 2,12.10 6 лет. Технеций даже не был открыт в традиционном понимании этого слова: его синтезировали искусственно в 1937 г., и то случайно. Но вот что интересно: в 1960 г. в спектре Солнца была обнаружена линия «несуществующего» элемента № 43! Это блестящее подтверждение того факта, что синтез химических элементов в недрах звёзд продолжается и поныне.

Второй сломанный зуб — отсутствие на графике прометия (№ 61), и объясняется оно теми же причинами. Период полураспада самого устойчивого изотопа этого элемента очень мал, всего 18 лет. И пока нигде в космосе он не дал о себе знать.

Совсем нет на графике и элементов с порядковыми номерами больше 83: все они тоже очень нестабильны, и в космосе их исключительно мало.

Природа щедро разбросала свои материальные ресурсы по нашей планете. Но нетрудно заметить зависимость: чаще всего человек использует те веще­ства, запасы сырья которых ограничены, и наоборот, крайне слабо использует такие химические элементы и их соединения, сырьевые ресурсы которых почти без­граничны. В самом деле, 98,6% массы физически доступного слоя Земли со­ставляют всего восемь химических элементов: железо (4,6%) , кислород (47%), кремний (27,5%), магний (2,1%), алюминий (8,8%), кальций (3,6%), натрий (2,6%), калий (2,5%), никель. Более 95% всех металлических изделий, конст­рукций самых разнообразных машин и механиз­мов, транспортных путей произ­водятся из железорудного сырья. Ясно, что такая практика расточительна с точки зрения как ис­черпания ресурсов железа, так и энергетических затрат на пер­вичную обработку железорудного сырья.

Глядя на приведенные здесь данные о распространенности восьми названных химических элементов, можно смело утвер­ждать о больших возможностях в ис­пользовании алюминия, а затем магния и, может быть, кальция в создании ме­таллических материалов ближайшего будущего,но для этого должны быть раз­работаны энергоэкономичные методы производства алюминия с целью получе­ния хлорида алюминия и восстановле­ния последнего до металла. Этот метод был уже опробован в ря­де стран и дал основание для проектирования алюми­ниевых за­водов большой мощности. Но выплавка алюминия в масштабах, со­поставимых с производством чугуна, стали и ферросплавов, еще не может быть реализована в самое ближайшее время, по­тому что эта задача должна решаться параллельно с разработкой соответствующих алюминиевых сплавов, способных конкуриро­вать с чугуном, сталью и другими материалами из железорудного сы­рья.

Широкая распространенность кремния служит посто­янным укором человече­ству в смысле чрезвычайно низкой сте­пени использования этого химического элемента в производстве материалов. Силикаты составляют 97% всей массы земной коры. И это дает основание утверждать, что именно они должны быть основным сырьем для производства практически всех строительных материалов и полуфабрикатов при изготовлении керамики, способной конкурировать с ме­таллами. Надо, кроме того, принимать во внимание еще и огромные скопления промышленных отходов силикатного характера, таких, как "пустая порода" при добыче угля, "хвосты" при добыче металлов из руд, зола и шлаки энергетиче­ского и металлургического производст­ва. И как раз эти силикаты необходимо в первую очередь превращать в сырье для строительных материалов. С одной стороны, это обещает большие выгоды, так как сырье не надо добывать, оно в готовом виде ждет своего потребителя. А с другой - его утилизация является мерой борьбы с загрязнением окружающей среды.

В космосе наиболее широко распространены лишь два элемента - водород и гелий, все остальные элементы можно рассматри­вать только как дополнение к ним.

Вопрос 54. Развитие представлений о химическом строение вещества. Химиче­ские соединения.

Химией называют науку о химических элементах и их соедине­ниях.

История развития химических концепций начинается с древних времен. Де­мокрит, Эпикур высказывали гениальные мысли о том, что все тела состоят из атомов различной величины и разной формы, что и обусловливает их качест­венное различие. Аристо­тель и Эмпедокл считали, что в телах сочетаются

Первый по-настоящему действенный способ определения свойств вещества был предложен во второй половине XVII в. английским ученым Р. Бойлем (1627-1691).Результаты экспериментальных исследований Р. Бойля пока­зали, что качества и свойства тел зависят от того, из каких ма­териальных элементов они состоят.

В 1860 г. выдающимся русским химиком А.М. Бутлеровым (1828-1886) была создана теория химического строения вещества - возник более высокий уровень развития химических знаний - структурная химия.

В этот период зарождалась технология органических веществ.

Под влиянием новых требований производства возникло учение о химиче­ских процессах, в котором учитывалось изменение свойств вещества под влия­нием температуры, давления, раство­рителей и других факторов, заменяющих дерево и металл в строительных работах, пищевое сырье в производстве олифы, лаков, моющих средств и смазочных материалов.

В 1960-1970 гг. появился следующий, более высокий, уровень химических знаний - эволюционная химия. В основе ее лежит принцип самоорганизации химических систем, т. е. принцип применения химического опыта высокоорга­низованной живой природы.

До недавнего времени химики считали ясным, что следует относить к хими­ческим соединениям, а что - к смесям. Еще в 1800-1808 гг. французский уче­ный Ж. Пруст (1754-1826) установил закон постоянства состава: любое инди­видуальное химическое соединение обладает строго определенным, неизмен­ным составом, прочным притяжением составных частей (атомов) и тем отлича­ется от смесей

С конца XIX в. возобновились исследования, подвергавшие сомнению абсо­лютизацию закона постоянства состава. Выдаю­щийся русский химик Н.С. Кур­наков (1860-1941) в результате исследований интерметалличе­ских соедине­ний, т. е. соединений, состоящих из двух металлов, установил образование на­стоящих индивидуаль­ных соединений переменного состава и нашел границы их од­нородности на диаграмме "состав-свойство", отделив от них об­ласти сущест­вования соединений стехиометрического состава. Химические соединения пе­ременного состава он назвал бертоллидами , а за соединения­ми постоянного со­става оставил названиедальтониды .

Как показали результаты физических исследований, суть проблемы химиче­ских соединений состоит не столько в посто­янстве или непостоянстве химиче­ского состава, сколько в физи­ческой природе химических связей, объединяю­щих атомы в единую квантово-механическую систему - молекулу.

Число химических соединений огромно. Они отличаются как составом, так и химическими и физическими свойствами. Но все же химическое соединение - качественно определенное веще­ство, состоящее из одного или нескольких хи­мических элемен­тов.

В 1806 г., в самый разгар наполеоновских войн, вблизи французского городка Але упал необычный метеорит. Это было лишь три года спустя после того, как метеориты были официально "Признаны" парижской академией наук. Предубеждения против "Небесных Камней" оставались еще очень сильными, часть осколков метеорита Але была просто утеряна, и лишь один из них через 28 лет попал в лабораторию знаменитого шведского химика Йенса Якоба берцелиуса

Поначалу ученый подумал, что произошла ошибка - метеорит Але не был ни каменным, ни железным, ни железока - менным. Кора плавления (поверхностный слой), однако, свидетельствовала о космическом происхождении необычного камня, родоначальника самого редкого и тогда еще не известного типа метеоритов - углистых хондритов.

Метеорит Але содержал органическую массу, растворимую в воде. При нагревании его частицы бурели и обугливались - явный признак присутствия органических соединений, соединений углерода. (Мы напомним, что такие простые углеродсодержащие соединения, как со, со 2, угольная кислота Н 2 со 3 и ее соли, - это соединения неорганические.) Хотя сходство с земными веществами того же типа было очевидным, берцелиус резонно отметил, что этот факт "еще не Является Доказательством Присутствия Организмов в Первоначальном Источнике".

Работа берцелиуса положила начало изучению органических соединений в метеоритах. К сожалению, до сих пор материал, доступный исследованию, очень редок. Углистые хондриты весьма непрочны - их легко даже пальцами растереть в порошок (и при этом, повторяем, появляется характерный запах нефти. Вообще редкие среди метеоритов, углистые хондриты к тому же легко разрушаются при полете в атмосфере земли. Да и попав на земную поверхность, они, как правило, бесследно пропадают, смешавшись с земными породами. Неудивительно поэтому, что во всем мире найдены и сохранены пока лишь два десятка углистых хондритов.

Спустя четыре года после того, как были опубликованы работы берцелиуса, в 1838 г. в южной Африке упал еще один углистый хондрит, исследованный затем известным немецким химиком Фридрихом вёлером - тем самым вёлером, которому за несколько лет до этого удалось получить вещество животного происхождения - мочевину - из неорганического вещества.

Вёлер выделил из метеорита нефтеобразное маслянистое вещество "с Сильным Битуминозным Запахом" и, в отличие от берцелиуса, пришел к выводу, что такие вещества, "если опираться на современный уровень знаний", могут быть синтезированы только живыми организмами. Заметим, что количество органического материала, выделяемого из углистых хопдритов, невелико - около одного процента. Но и этого вполне достаточно, чтобы сделать весьма важные выводы.

В 1864 г., опять во Франции, вблизи деревни ор - гейль, выпал метеоритный дождь из углистых хондритов - случай исключительный в истории астрономии. Французский химик клец строго доказал, что нерастворимое в воде черное вещество метеорита оргейль представляет собою органические соединения, а вовсе не графит или аморфный углерод. Его поразило сходство этих органических соединений с подобными же веществами, находимыми в торфе пли буром угле. В докладе, представленном парижской академии наук, клец утверждал, что органические вещества в метеоритах, "По-видимому, Могут Указывать на Существование Организованной Материи на Небесных Телах".

С тех пор в течение почти столетия изучение органики метеоритов велось эпизодически, от случая к случаю, без каких-либо существенных обобщений. Среди этих немногочисленных работ следует упомянуть исследования метеорита мигеи, выполненные в 1889 г. Ю. и. симашко. Русский ученый также обнаружил в этом углистом хондрите органические вещества битуминозного типа.

Фото углистый хондрит.
Не следует думать, что все органические вещества непременно связаны с жизнью или, более того, являются принадлежностью живых существ. Астрономам известны многочисленные простейшие углеродсодержащие образования, безусловно не имеющие никакого непосредственного отношения к жизни. Таковы, скажем, радикалы СН и CN, наблюдаемые в межзвездном пространстве и атмосферах холодных звезд. Более того, в условиях космоса, по-видимому, постоянно идет синтез весьма сложных органических соединений до аминокислот включительно. В этом нас убеждают, в частности, любопытные эксперименты американского исследователя Р. берджера. С помощью ускорителя элементарных частиц он бомбардировал протонами смесь метана, аммиака и воды, охлажденную до - 230 с. спустя всего несколько минут в этой ледяной смеси ученый обнаружил мочевину, ацетамид, ацетон. В этих опытах берджер, по сути, моделировал условия межпланетного пространства. Поток протонов имитировал первичные космические лучи, а смесь метаноаммиачных и обычных льдов - это, в сущности, типичная модель кометного ядра.

Другой известный американский биохимик М. Калвин бомбардировал потоком быстрых электронов смесь водорода, метана, аммиака и водяных паров. В этих экспериментах был получен аденин - одно из четырех азотистых оснований, входящих в состав нуклеиновых кислот. Не такие ли процессы происходили в первичной атмосфере земли и некоторых других планет?

Создается впечатление, что в космосе из неорганических веществ и неорганическим путем создаются белковоподобные соединения - "Полуфабрикаты" возможной будущей жизни.

Таким образом, наличие органических веществ в метеоритах само по себе еще никак не может свидетельствовать о существовании жизни на небесных телах. Эти вещества могли возникнуть и абиогенно, без всякой непосредственной связи с жизнью. Для доказательства противного нужны более веские аргументы.

Именно в таком плане и ведется дискуссия в современной науке о метеоритах. Спор еще не закончен, но полученные результаты представляют огромный интерес.

Еще в 1951-1952 гг. английский биохимик Мюллер выделил из углистого хондрнта битуминозные соединения. В сущности, он повторил работы берцелиуса, вёлера и клеца, но на несравненно более высоком уровне. В метеоритных битумах гораздо больше серы, хлора и азота, чем в подобных земных соединениях, это обстоятельство побудило Мюллера сделать вывод, что битумы в метеоритах имеют абиогенное происхождение.

С иных позиций к той же проблеме подошли уже упомянутый М. Калвин и с. вон. Доклад, представленный ими в 1960 г. на международный симпозиум по изучению космического пространства, был озаглавлен многозначительно: "внеземная жизнь. Некоторые органические составляющие метеоритов и их значение для возможной биологической эволюции вне земли". Американские исследователи выделяли из образцов углистого хондрита летучие вещества, которые затем пропускали через масс-спектрометр. В этих экспериментах определялась относительная масса осколков неизвестных молекул и, кроме того, исследовались инфракрасные и ультрафиолетовые спектры экстрактов углерод - содержащих соединений метеорита. Результаты ошеломляющие получились.

Из углистого хондрита удалось выделить вещество, как две капли воды похожее на цитозин, - еще одно из четырех азотистых оснований. Нашли в метеорите и смесь углеводородов, похожую на нефть земного происхождения.

В следующем, 1961 г., в нью-йоркской академии наук оживленно обсуждалась работа трех американских химиков - Г. Надя, Д. хенесси и у. майнтайна. Из углистых хондритов они выделили набор парафинов, весьма похожий на тот, который входит в состав кожицы яблок или пчелиного воска. В связи с этим обострились споры и вокруг проблемы происхождения нефти.

Мы до сих пор точно не знаем, откуда взялась нефть - источник горючего для самолетов, кораблей и автомобилей, ценнейшее сырье для нефтехимии. Образовалась ли нефть в результате разложения живших когда-то организмов, или "Черное Золото" есть продукт какого-то сложного абиогенного синтеза? В случае если верна первая гипотеза, битумы в метеоритах можно рассматривать как следы внеземной жизни. Только в том случае, если же нефть - неорганического происхождения, то метеоритные битумы не имеют никакого прямого отношения к жизни вне земли, а, по-видимому, возникли в результате абиогенных процессов.

Мы уже говорили об экспериментах, моделирующих образование органических соединений в условиях межпланетного пространства. Еще легче представить себе подобный абиогенный синтез в недрах земноподобной планеты. Органические вещества в метеоритах возникли абиогенно - вот главный тезис тех, кто не считает метеориты носителями остатков каких-то внеземных организмов. Такую позицию отстаивают Андерс, бриггс, у нас в советском союзе - исследователь углистых хондритов Г. П. вдовыкин. По его мнению, "изучение спектров различных небесных тел показывает, что углерод ябляется одним, из наиболее распространенных элементов в них: он обнаруживается в виде элемента (с 2, с 3) и в виде соединений (СН 2, CN, со 2 и др.) Во всех типах небесных тел. эти составляющие атмосфер и звездного пространства могли полимеризоваться с образованием сложных органических молекул" (Л. Кузнецова. Тринадцать загадок неба. М., сов. Россия, 1967 огонек.

Наиболее оживленные дискуссии ныне вокруг загадочных "Организованных Элементов идут". Впервые эти странные включения поперечником от 5 до 50 мкм обнаружили в 1961 г. Н. Надь и Д. Клаус при исследовании образцов четырех углистых хондритов. Внешне они напоминали земные ископаемые микроскопические водоросли. Среди них американские исследователи выделили по морфологическим признакам пять типов объектов, причем некоторые из объектов оказались спаренными, как бы погибшими в процессе клеточного деления. Почти все из "Организованных Элементов" походили на простейшие растения, живущие только в воде, и это обстоятельство, по мнению Надя и Клауса, исключало возможность загрязнения метеорита из почвы. Позже Ф. стаплин и другие обнаружили "Организованные Элементы" в ряде углистых хондритов, причем все исследователи отмечали их сходство с некоторыми одноклеточными водорослями.

В 1962 г. ленинградский геолог б. в. Тимофеев из метеоритов Саратов и мигея выделил странные спороподобные образования. Их было более двух десятков - желтовато-серых, крошечных, полых, почти сферических оболочек, имеющих в поперечнике от 10 до 60 мкм. Оболочки оказались однослойными, разными по толщине, иногда смятыми в отчетливо очерченные складки. По словам исследователя, "поверхность оболочек гладкая, реже мелкобугорчатая. На одной из форм видно круглое отверстие - устьице, характерное для некоторых одноклеточных водорослей. Многие из указанных Находок могут быть сравнены с древнейшими на земле ископаемыми одноклеточными водорослями, жившими более 600 млн. Лет тому назад, но их нельзя отнести ни к одной группе растительного мира нашей планеты" (огонек, 1962, номер 4, с. 12.

Нуклеиновые кислоты

Нуклеи́новые кислоты

Дезоксирибонуклеиновые и рибонуклеиновые кислоты, универсальные компоненты всех живых организмов, ответственные за хранение, передачу и воспроизведение (реализацию) генетической информации. На два типа все Н. к. делят по углеводному компоненту молекул: дезоксирибозе у дезоксирибонуклеиновых кислот (ДНК) и рибозе у рибонуклеиновых кислот (РНК). Биологическая роль ДНК у большинства организмов заключается в хранении и воспроизведении генетической информации, а РНК - в реализации этой информации в строении молекул белков (Белки) в процессе их синтеза.

Нуклеиновые кислоты были обнаружены в 1868 г. швейцарским ученым Мишером (F. Miescher), который установил, что эти вещества локализуются в ядрах клеток, обладают кислотными свойствами и в отличие от белков содержат фосфор. Химически Н. к. являются полинуклеотидами, т.е. биополимерами, построенными из мономерных звеньев - мононуклеотидов, или нуклеотидов (фосфорных эфиров так называемых нуклеозидов - производных пуриновых и пиримидиновых азотистых оснований, D-рибозы или 2-дезокси-D-рибозы). Пуриновыми основаниями, входящими в молекулу ДНК, являются аденин (А) и гуанин (Г), пиримидиновыми - цитозин (Ц) и тимин (Т). В нуклеозидах РНК вместо тимина присутствует урацил (У). В полинуклеотидную цепь нуклеотиды соединяются посредством фосфодиэфирной связи (рис. 1).

Первичная структура Н. к. определяется порядком чередования азотистых оснований, а их пространственная конфигурация - нековалентными взаимодействиями между участками молекулы: водородными связями между азотистыми основаниями, гидрофобными взаимодействиями между плоскостями пар оснований, электростатическими взаимодействиями с участием отрицательно заряженных фосфатных групп и противоионов.

Дезоксирибонуклеиновые кислоты, выделенные из различных организмов, отличаются по соотношению входящих в их состав азотистых оснований, т.е. по нуклеотидному составу, который у всех ДНК подчиняется правилу Чаргаффа: 1) число молекул аденина в молекуле Н. к. равно числу молекул тимина, т.е. А = Т; 2) число молекул гуанина равно числу молекул цитозина, т.е. Г = Ц; 3) число молекул пуриновых оснований равно числу молекул пиримидиновых оснований; 4) число 6-аминогрупп равно числу 6-кетогрупп, что означает, что сумма аденин + цитозин равна сумме гуанин + тимин, т.е. А + Ц = Г + Т. Правило Чаргаффа справедливо и для так называемых минорных азотистых оснований (метилированных или других производных пуриновых и пиримидиновых оснований). Таким образом, нуклеотидный состав каждой ДНК характеризуется постоянной величиной - молярным соотношением

(фактором специфичности) или процентным содержанием Г-Ц-пар, т.е.

Величина последнего показателя практически одинакова для организмов одного класса. У высших растений и позвоночных животных она составляет 0,55-0,93.

В журнале Nature было опубликовано исследование, которое продемонстрировало, что органические соединения, с неожиданно высоким уровнем сложности, существуют по всей Вселенной.Данные результаты позволяют предположить, что комплексные органические соединения могут создаваться звездами.

Профессор Сун Куок и доктор Йонг Жанг из Гонконгского университета продемонстрировали, что органические субстанции во Вселенной состоят как из ароматических (циклическая форма), так и из алифатических (цепочки) соединений. Данные соединения настолько сложны, что их химическая структура напоминает уголь или нефть. Поскольку уголь и нефть являются остатками древней жизни, считалось, что подобная форма органической материи образуется исключительно из живых организмов. Открытие команды позволяет предположить, что комплексные органические соединения могут быть синтезированы в космосе даже в отсутствии каких-либо форм жизни.

Ученые исследовали таинственный феномен: набор инфракрасных излучений в звездах, межзвездном пространстве и галактиках. Их спектральные сигнатуры известны под названием "неопознанные инфракрасные выбросы". На протяжении более двух десятилетий, наиболее широко принятой теорией относительно источников возникновения подобных сигнатур, было мнение, что это простые органические молекулы, состоящие из атомов углерода и водорода, под названием полициклические ароматические углеводороды (ПАУ). Ведя наблюдения с помощью Инфракрасной космической обсерватории и Космического телескопа "Спитцер", Куок и Жанг продемонстрировали, что спектр излучения невозможно объяснить наличием молекул ПАУ. Команда выдвинула мнение, что субстанции, генерирующие подобное инфракрасное излучение имеют намного более сложную химическую структуру.

Звезды не только создают это комплексное органическое вещество, но и выталкивают его в межзвездное пространство. Полученные результаты вполне согласуются с более ранней идеей, предложенной Куоком, согласно которой старые звезды являются молекулярными фабриками, способными изготавливать органические смеси. "Наша работа продемонстрировала, что звезды без проблем справляются с созданием сложных органических соединений в условиях почти полного вакуума", - сказал Куок. "Теоретически это невозможно, но мы, тем не менее, можем это видеть".

Еще более интересен тот факт, что по строению эта органическая звездная пыль схожа с комплексными органическими соединениями, которые находят в метеоритах. Поскольку метеориты являются остатками ранней Солнечной системы, то возникает вопрос о том, могли ли звезды обогатить раннюю Солнечную систему органическими соединениями. Вопрос о том, какую роль эти соединения играли в процессе зарождения и развития жизни на Земле, остается открытым.

«Углерод встречается в природе как в свободном, так и в соединенном состоянии, в весьма различных формах и видах. В свободном состоянии углерод известен по крайней мере в трех видах: в виде угля, графита и алмаза. В состоянии соединений углерод входит в состав так называемых органических веществ, т. е. множества веществ, находящихся в теле всякого растения и животного. Он находится в виде углекислого газа в воде и воздухе, а в виде солей углекислоты иорганических остатков в почве и массе земной коры. Разнообразие веществ, составляющих тело животных и растений, известно каждому. Воск и масло, скипидар и смола, хлопчатая бумага и белок, клеточная ткань растений и мускульная ткань животных, винная кислота и крахмал - все эти и множество иных веществ, входящих в ткани и соки растений и животных, представляют соединения углеродистые. Область соединений углерода так велика, что составляет особую отрасль химии, т. е. химии углеродистых или, лучше, углеводородистых соединений».

Эти слова из «Основ химии» Д. И. Менделеева служат как бы развернутым эпиграфом к нашему рассказу о жизненно важном элементе - углероде. Впрочем, есть здесь один тезис, с которым, с точки зрения современной науки о веществе, можно и поспорить, но об этом ниже.

Вероятно, пальцев на руках хватит, чтобы пересчитать химические элементы, которым не была посвящена хотя бы одна научная книга. Но самостоятельная научно-популярная книга - не какая-нибудь брошюрка на 20 неполных страницах с обложкой из оберточной бумаги, а вполне солидный том объемом почти в 500 страниц - есть в активе только одного элемента - углерода.

И вообще литература по углероду - богатейшая. Это, во-первых, все без исключения книги и статьи химиков- органиков; во-вторых, почти все, что касается полимеров; в-третьих, бесчисленные издания, связанные с горючими ископаемыми; в-четвертых, значительная часть медикобиологической литературы…

Поэтому не будем пытаться объять необъятное (ведь не случайно авторы популярной книги об элементе № 6 назвали ее «Неисчерпаемый»!, а сконцентрируем внимание лишь на главном из главного - попытаемся увидеть углерод с трех точек зрения.

Углерод - один из немногочисленных элементов «без роду, без племени». История общения человека с этим веществом уходит во времена доисторические. Имя первооткрывателя углерода неизвестно, неизвестно и то, какая из форм элементного углерода - алмаз или графит - была открыта раньше. И то и другое случилось слишком давно. Определенно утверждать можно лишь одно: до алмаза и до графита было открыто вещество, которое еще несколько десятилетий назад считали третьей, аморфной формой элементного углерода - уголь. Но в действительности уголь, даже древесный, это не чистый углерод. В нем есть и водород, и кислород, и следы других элементов. Правда, их можно удалить, но и тогда углерод угля не станет самостоятельной модификацией элементного углерода. Это было установлено лишь во второй четверти нашего века. Структурный анализ показал, что аморфный углерод - это по существу тот же графит. А значит, никакой он не аморфный, а кристаллический; только кристаллы его очень мелкие и больше в них дефектов. После этого стали считать, что углерод на Земле существует лишь в двух элементарных формах - в виде графита и алмаза.

Видео Органические соединения в космосе

Алканы. Строение и номенклатура

По определению алканы – предельные или насыщенные углеводороды, имеющие линейную или разветвлённую структуру. Также называются парафинами. Молекулы алканов содержат только одинарные ковалентные связи между атомами углерода. Общая формула –

Чтобы назвать вещество, необходимо соблюсти правила. По международной номенклатуре названия формируются с помощью суффикса -ан. Названия первых четырёх алканов сложились исторически. Начиная с пятого представителя, названия составляются из приставки, обозначающей количество атомов углерода, и суффикса -ан. Например, окта (восемь) образует октан.

Для разветвлённых цепей названия складываются:

• из цифр, указывающих номера атомов углерода, около которых стоят радикалы;
• из названия радикалов;
• из названия главной цепи.

Пример: 4-метилпропан – у четвёртого атома углерода в цепи пропана находится радикал (метил).

Рис. 1. Структурные формулы с названиями алканов.

Каждый десятый алкан даёт называние следующим девяти алканам. После декана идут ундекан, додекан и далее, после эйкозана – генэйкозан, докозан, трикозан и т.д.

Органические и неорганические вещества. Органические вещества

Органические соединения отличаются от неорганических, прежде всего, своим составом. Если неорганические вещества могут быть образованы любыми элементами Периодической системы, то в состав органических должны непременно входить атомы C и H. Такие соединения называют углеводородами (CH4 – метан, C6H6 – бензол). Углеводородное сырье (нефть и газ) приносит человечеству огромную пользу. Однако и распри вызывает нешуточные.

Производные углеводородов содержат в своем составе еще и атомы O и N. Представители кислородсодержащих органических соединений – спирты и изомерные им простые эфиры (C2H5OH и CH3-O-CH3), альдегиды и их изомеры – кетоны (CH3CH2CHO и CH3COCH3), карбоновые кислоты и сложные эфиры (CH3-COOH и HCOOCH3). К последним принадлежат также жиры и воски. Углеводы – тоже кислородсодержащие соединения.

Почему же ученые объединили вещества растительные и животные в одну группу – органические соединения и в чем их отличие от неорганических? Одного четкого критерия, позволяющего разделить органические и неорганические вещества, нет. Рассмотрим ряд признаков, объединяющих органические соединения.

1. Состав (построены из атомов C, H, O, N, реже P и S).
2. Строение (связи С- Н и С – С обязательны, они образуют разной длины цепи и циклы);
3. Свойства (все органические соединения горючи, образуют при горении СО2 и H2O).

Среди органических веществ много полимеров природного (белки, полисахариды, натуральный каучук и др.), искусственного (вискоза) и синтетического (пластмассы, синтетические каучуки, полиэстер и другие) происхождения. Они обладают большой молекулярной массой и более сложным, по сравнению с неорганическими веществами, строением.

Наконец, органических веществ насчитывают более 25 миллионов.

Это лишь поверхностный взгляд на органические и неорганические вещества. О каждой из этих групп написан не один десяток научных трудов, статей и учебников.

Как мы уже обозначали выше, живым веществом рассматриваемой оболочки Земли считается вся совокупность организмов, принадлежащих ко всем царствам природы. Особое же положение среди всех занимают люди. Причинами этого стало:

• потребительская позиция, а не продуцирующая;
• развитие разума и сознания.

Все остальные представители - это живое вещество. Функции живого вещества были разработаны и указаны Вернадским. Он отводил следующую роль организмам:

1. Окислительно-восстановительная.
2. Деструктивная.
3. Транспортная.
4. Средообразующая.
5. Газовая.
6. Энергетическая.
7. Информационная.
8. Концентрационная.

Самые основные функции живого вещества биосферы - газовая, энергетическая и окислительно-восстановительная. Однако и остальные тоже являются важными, обеспечивающими сложные процессы взаимодействия между всеми частями и элементами живой оболочки планеты.

Рассмотрим каждую из функций более подробно, чтобы понять, что именно подразумевается и в чем суть.

Бесконечно разнообразные живые организмы состоят из ограниченного набора атомов, появлением которого мы в значительной степени обязаны звездам. Самое мощное событие в жизни Вселенной - Большой Взрыв - заполнило наш мир веществом весьма скудного химического состава.
Считается, что объединение нуклонов (протонов и нейтронов) в расширяющемся пространстве не успело продвинуться дальше гелия. Поэтому догалакгическая Вселенная была заполнена почти исключительно ядрами водорода (то есть попросту протонами) с небольшой - примерно четверть по массе - добавкой ядер гелия (альфа-частиц). Больше в ней, не считая легких электронов, не было практически ничего. Как именно происходило первичное обогащение Вселенной ядрами более тяжелых элементов, мы пока сказать не можем. По сей день не обнаружена ни одна «первичная» звезда, то есть объект, состоящий только из водорода и гелия. Существуют специальные программы поиска звезд с низким содержанием металлов (напомним, что астрономы условились называть «металлами» все элементы тяжелее гелия), и эти программы показывают, что звезды «экстремально низкой металличности» в нашей Галактике крайне редки. Они есть, у некоторых рекордных экземпляров содержание, например, железа уступает солнечному в десятки тысяч раз. Однако таких звезд - единицы, и вполне может оказаться, что «в их лице» мы имеем дело не с «почти первичными» объектами, а просто с какой-то аномалией. В целом же даже в самых старых звездах Галактики содержатся изрядные количества углерода, азота, кислорода и более тяжелых атомов. Это означает, что даже наиболее древние галактические светила - в действительности не первые: до них во Вселенной уже имелись какие-то «фабрики» по производству химических элементов.

Европейская инфракрасная космическая обсерватория Herschel обнаружила в БТО спектральные «отпечатки» органических молекул. На этом изображении на инфракрасный снимок Туманности Ориона, полученный космическим телескопом Spitzer (NASA), наложен ее спектр, снятый спектрографом высокого разрешения HIFI обсерватории Herschel. Он наглядно демонстрирует ее насыщенность сложными молекулами: в спектре легко отождествляются линии воды, моноксида углерода и диоксида серы, а также органических соединений - формальдегида, метанола, диметилового эфира, синильной кислоты и их изотопных аналогов. Неподписанные пики принадлежат многочисленным пока не идентифицированным молекулам.

Сейчас считается, что такими фабриками могли быть сверхмассивные звезды так называемого населения третьего (III) типа. Дело в том, что тяжелые элементы - не просто «приправа» к водороду и гелию. Это важные участники процесса звездообразования, которые позволяют сжимающемуся протозвездному газовому сгустку сбрасывать тепло, выделяющееся при сжатии. Если лишить его такого теплоотвода, он попросту не сможет сжаться - то есть не сможет стать звездой... Точнее, сможет, но только при условии, что его масса очень велика - в сотни и тысячи раз больше, чем у современных звезд. Поскольку звезда живет тем меньше, чем больше ее масса, первые гиганты существовали очень недолго. Они прожили короткие яркие жизни и взорвались, не оставив никакого следа, кроме атомов тяжелых элементов, успевших синтезироваться в их недрах или образовавшихся непосредственно при взрывах.
В современной Вселенной практически единственным поставщиком тяжелых элементов является звездная эволюция. В наиболее значительной степени таблицу Менделеева «заполняют», скорее всего, звезды, масса которых превышает солнечную более чем на порядок. Если на Солнце и других подобных светилах термоядерный синтез в ядре не заходит дальше кислорода, то более массивные объекты в процессе эволюции приобретают «луковичную» структуру: их ядра окружены слоями, и чем глубже слой - тем более тяжелые ядра в нем синтезируются. Здесь цепочка термоядерных превращений заканчивается уже не кислородом, а железом, с образованием промежуточных ядер - неона, магния, кремния, серы и других.

Большая Туманность Ориона (БТО) - одна из ближайших областей звездообразования, содержащая большие количества газа, пыли и новорожденных звезд. Одновременно эта туманность является одной из крупнейших «химических фабрик» в нашей Галактике, причем ее истинная «мощность», равно как и пути синтеза в ней молекул межзвездного вещества, астрономам пока не совсем понятны. Это изображение получено с помощью Камеры широкого поля (Wide Field Imager Camera), установленной на 2,2-метровом телескопе MPG/ES0 обсерватории Ла Силья в Чили.

ОРГАНИЧЕСКИЕ МОЛЕКУЛЫ В КОСМОСЕ

Чтобы обогатить Вселенную этой смесью, мало синтезировать атомы - нужно еще и выбросить их в межзвездное пространство. Это происходит при вспышке сверхновой: когда у звезды образуется железное ядро, она теряет устойчивость и взрывается, разбрасывая вокруг себя часть продуктов термоядерного синтеза. Попутно в разлетающейся оболочке происходят реакции, порождающие ядра тяжелее железа. К похожему результату приводят и вспышки сверхновых другого типа - термоядерные взрывы на белых карликах, масса которых из-за перетекания вещества со звезды-спутника или благодаря слиянию с другим белым карликом становится больше предела Чандрасекара (1,4 солнечной массы).
В обогащение Вселенной рядом элементов - в том числе углеродом и азотом, необходимыми для синтеза органических молекул - заметный вклад вносят также менее массивные звезды, заканчивающие свою жизнь образованием белого карлика и расширяющейся планетарной туманности. На завершающем этапе эволюции в их оболочках также начинают происходить ядерные реакции, усложняющие элементный состав вещества, позже выбрасываемого в космическое пространство.
В итоге межзвездное вещество Галактики, и по сей день состоящее в основном из водорода и гелия, оказывается загрязненным (или обогащенным - это уж как посмотреть) атомами более тяжелых элементов.

Букминстерфуллерены (сокращённо «фуллерены» или «букиболы») - крохотные сферические структуры, состоящие из четного числа (но не менее 60) углеродных атомов, соединенных в подобие узора футбольного мяча - впервые были обнаружены в спектрах планетарной туманности в Малом Магеллановом Облаке (ММО), одной из ближайших к нашей Галактике звездных систем. Открытие совершила в июле 2010 г. рабочая группа космического телескопа Spitzer (NASA), ведущего наблюдения в инфракрасном диапазоне. Общая масса содержащихся в туманности фуллеренов всего в пять ра? меньше массы Земли. На фоне снимка ММО, сделанного телескопом Spitzer, показано увеличенное изображение планетарной туманности (меньшая врезка) и найденных в ней молекул фуллерена (большая врезка), состоящих из 60 атомов углерода. К настоящему времени уже получены сообщения о регистрации характерных линий подобных молекул в спектрах объектов, расположенных в пределах Млечного Пути.

ОРГАНИЧЕСКИЕ МОЛЕКУЛЫ В КОСМОСЕ

Эти атомы переносятся общими «течениями» галактического газа, вместе с ним сгущаются в молекулярные облака, попадают в протозвездные сгустки и протопланетные диски... чтобы в конечном итоге стать частью планетных систем и тех существ, которые их населяют. По крайней мере, один пример такой обитаемой планеты нам известен вполне достоверно.

Органика из неорганики

Земная жизнь - во всяком случае, с научной точки зрения - основана на химии и представляет собою цепочку взаимопревращений молекул. Правда, не каких-нибудь, а весьма сложных, но все-таки молекул - комбинаций атомов углерода, водорода, кислорода, азота, фосфора и серы (и пары десятков реже встречающихся элементов) в различных пропорциях. Сложность даже самых примитивных «живых» молекул долгое время мешала распознать в них обычные химические соединения. Существовало представление о том, что вещества, входящие в состав живых организмов, наделены особым качеством - «жизненной силой», поэтому заниматься их изучением должна специальная отрасль науки - органическая химия.
Одним из переломных моментов в истории химии считаются опыты Фридриха Вёлера (Friedrich Wohler), который в 1828 г. впервые синтезировал мочевину - органическое вещество - из неорганического (цианата аммония). Эти опыты стали первым шагом на пути к важнейшей концепции - признанию возможности зарождения жизни из «неживых» ингредиентов. В конкретных химических терминах ее впервые сформулировал в начале 1920-х годов советский биолог Александр Опарин. По его мнению, средой для возникновения жизни на Земле стала смесь простых молекул (аммиака, воды, метана и пр.), известная сейчас как «первичный бульон». В нем под воздействием внешних «впрысков» энергии (например, молний) небиологическим путем синтезировались простейшие органические молекулы, которые затем за очень длительный срок «собрались» в высокоорганизованные живые существа.

Экспериментальным доказательством возможности органического синтеза в «первичном бульоне» в начале 1950-х годов стали знаменитые опыты Хэролда Юри и Стэнли Миллера (Harold Urey, Stanley Miller), заключавшиеся в пропускании электрических разрядов сквозь смесь перечисленных выше молекул. Через пару недель эксперимента в этой смеси находили богатый ассортимент органики, включая простейшие аминокислоты и сахара. Эта наглядная демонстрация простоты абиогенеза имела отношение не только к проблеме происхождения земной жизни, но и к более масштабной проблеме жизни во Вселенной: поскольку никакие экзотические условия для синтеза органики на молодой Земле не требовались, логично было бы допустить, что подобные процессы имели место (или будут иметь место) на других планетах.

Поиски признаков жизни

Если до середины XX века в качестве наиболее вероятного места обитания «братьев по разуму» рассматривался фактически только Марс, то после окончания Второй мировой войны установление контактов на межзвездных расстояниях стало казаться делом ближайшего будущего. Именно в то время зародились основы новой науки, находящейся на стыке астрономии и биологии. Ее называют по-разному - экзобиология, ксенобиология, биоастрономия - но чаще всего употребляется название «астробиология». И одним из самых неожиданных астробиологических открытий за последние десятилетия стало осознание того факта, что простейшим «кирпичикам» жизни не было необходимости синтезироваться на Земле из неживой материи, в «первичном бульоне». Они могли попадать на нашу планету уже в готовом состоянии, ибо органические молекулы, как выяснилось, в изобилии присутствуют не только на планетах, но и - чего изначально даже не подозревали - в межзвездном газе.
Мощнейшим инструментом для изучения внеземного вещества является спектральный анализ. Он основан на том, что электроны в атоме находятся в состояниях - или, как принято говорить, занимают уровни - со строго определенными энергиями, и переходят с уровня на уровень, излучая или поглощая фотон, энергия которого равна разности энергий начального и конечного уровня. Если атом находится между наблюдателем и каким-либо источником света (например, фотосферой Солнца), он будет «выедать» из спектра этого источника только фотоны определенных частот, способные вызывать переходы электронов между энергетическими уровнями данного атома. В спектре на этих частотах появятся темные провалы - линии поглощения. Поскольку набор уровней индивидуален не только для каждого атома, но и для каждого иона (атома, лишенного одного или нескольких электронов), по набору спектральных линий можно надежно установить, какие именно атомы их породили. Например, по линиям в спектре Солнца и других звезд можно узнать, из чего состоят их атмосферы.
В 1904 г. Йоханнес Хартман (Johannes Hartmann) первым установил важный факт: не все линии в спектрах звезд возникают в звездных атмосферах. Некоторые из них порождаются атомами, находящимися гораздо ближе к наблюдателю - не возле звезды, а в межзвездном пространстве. Так были впервые обнаружены признаки существования межзвездного газа (точнее, только одного из его компонентов - ионизированного кальция).
Нельзя сказать, что это стало шокирующим открытием. В конце концов, почему бы в межзвездной среде (МЗС) не находиться ионизированному кальцию? Но мысль о том, что в ней могут присутствовать не только ионизированные и нейтральные атомы различных элементов, но и молекулы, долгое время казалась фантастической. МЗС в то время считалась местом, непригодным для синтеза хоть сколько-нибудь сложных соединений: крайне низкие плотности и температуры должны замедлять скорости химических реакций в ней практически до нуля. А если вдруг какие-то молекулы там все же появятся, они немедленно снова распадутся на атомы под действием света звезд.
Поэтому между открытием межзвездного газа и признанием существования межзвездных молекул прошло более 30 лет. В конце 1930-х годов в ультрафиолетовой области спектра были найдены линии поглощения МЗС, которые поначалу не удавалось приписать какому-либо химическому элементу. Объяснение оказалось простым и неожиданным: эти линии принадлежат не отдельным атомам, а молекулам - простейшим двухатомным соединениям углерода (СН, CN, СН+). Дальнейшие спектральные наблюдения в оптическом и ультрафиолетовом диапазонах позволили обнаружить линии поглощения свыше десятка межзвездных молекул.

«Подсказка» радиоастрономии

Подлинный расцвет исследований межзвездного «химического ассортимента» начался после появления радиотелескопов. Дело в том, что энергетические уровни в атоме - если не вдаваться в подробности - связаны только с движением электронов вокруг ядра, но у молекул, объединяющих несколько атомов, имеются дополнительные «движения», отражающиеся в спектре: молекула может вращаться, вибрировать, закручиваться... И с каждым из этих движении связана энергия, которая, как и энергия электрона, может иметь лишь фиксированный набор значений. Различные состояния молекулярного вращения или колебания тоже называются «уровнями». При переходе с уровня на уровень молекула также излучает или поглощает фотон. Важное отличие состоит в том, что энергии вращательных и колебательных уровней сравнительно близки. Поэтому их разность невелика, и фотоны, поглощаемые либо излучаемые молекулой при переходе с уровня на уровень, попадают не в ультрафиолетовый и даже не в видимый диапазон, а в инфракрасный (колебательные переходы) и в радиодиапазон (вращательные переходы).

Советский астрофизик Иосиф Шкловский первым обратил внимание на то, что спектральные линии излучения молекул нужно искать в радиодиапазоне. Конкретно он писал про молекулу (точнее, свободный радикал) гидроксила ОН, которая при определенных условиях становится источником радиоизлучения на длине волны 18 см, очень удобной для наблюдений с Земли. Именно гидроксил и стал первой молекулой в МЗС, обнаруженной в 1963 г. в ходе радионаблюдений и дополнившей список уже известных двухатомных межзвездных молекул.
Но дальше стало интереснее. В 1968 г. были опубликованы результаты наблюдений трех- и четырехатомных молекул - воды и аммиака (Н 2 0, NH 3). А годом позже появилось сообщение об открытии в МЗС первой органической молекулы - формальдегида (Н 2 СO). С тех пор астрономы открывают по нескольку новых межзвездных молекул ежегодно, так что сейчас полное их число превысило две сотни. Конечно, доминируют в этом списке простые соединения, включающие от двух до четырех атомов, но значительную часть (более трети) составляют многоатомные молекулы.
Добрую половину многоатомных межзвездных соединений в земных условиях мы однозначно отнесли бы к органике: формальдегид, диметиловый эфир, метиловый и этиловый спирт, этиленгликоль, метилформиат, уксусная кислота... Самая «длинная» молекула из числа открытых в МЗС была найдена в 1997 г. в одном из плотных сгустков молекулярного облака ТМС-1 в созвездии Тельца. Для Земли это не очень обычное соединение из семейства цианополиинов, представляющее собой цепочку из 11 атомов углерода, к одному концу которой «прикреплен» атом водорода, к другому - атом азота. В этом же сгустке обнаружены и другие органические молекулы, но по каким-то причинам он особенно богат именно молекулами цианополиинов с углеродными цепочками различной длины (3, 5, 7, 9, 11 атомов), за что получил название «цианополииновый пик».
Еще один известный объект с богатым «органическим содержанием» - молекулярное облако Sgr B2(N), расположенное вблизи центра нашей Галактики в направлении созвездия Стрельца. В нем открыто особенно много сложных молекул. Однако оно не обладает в этом отношении какой-то исключительностью - скорее, тут срабатывает эффект «поиска под фонарем». Обнаружение новых молекул, особенно органических - очень сложная задача, и наблюдатели зачастую предпочитают направлять телескопы на те участки неба, которые с большей вероятностью сулят успех. Поэтому мы очень много знаем о концентрации органики в молекулярных облаках Тельца, Ориона, Стрельца, и почти не располагаем информацией о содержании сложных молекул во многих других подобных облаках. Но это отнюдь не значит, что органики там нет - просто до этих объектов еще «антенны не дошли».

Трудности расшифровки

Здесь необходимо пояснить, что в данном случае означает «сложность». Даже элементарный анализ звездных спектров - весьма непростая задача. Да, набор линий каждого атома и иона строго индивидуален, но в спектре звезды друг на друга накладываются линии многих десятков элементов, и «рассортировать» их бывает очень нелегко. В случае же спектров органических молекул ситуация осложняется сразу по нескольким направлениям. Большинство многочисленных линий излучения (поглощения) атомов и ионов попадает в узкий спектральный диапазон, доступный для наблюдений с Земли. У сложных молекул количество линий также исчисляется тысячами, но эти линии «разбросаны» значительно шире - от ближнего ИК-диапазона (единицы и десятки микрометров) до радиодиапазона (десятки сантиметров).
Допустим, мы хотим доказать, что в молекулярном облаке имеется молекула акрилонитрила (CH 2 CHCN). Для этого нужно, во-первых, знать, в каких линиях излучает эта молекула. Но для многих соединений такие данные отсутствуют! Теоретические методы далеко не всегда позволяют рассчитать положение линий, а в лаборатории спектр молекулы зачастую не удается измерить, например, потому, что ее сложно выделить в чистом виде. Во-вторых, необходимо рассчитать относительные интенсивности этих линий. Их яркость зависит от свойств молекулы и от параметров среды (температуры, плотности и пр.), в которой она находится. Теория позволит предсказать, что в исследуемом молекулярном облаке линия на одной длине волны должна быть в три раза ярче линии той же молекулы на другой длине волны. Если найдены линии на нужных длинах волн, но с неправильным отношением интенсивностей - это весомый повод усомниться в правильности их идентификации. Разумеется, для уверенного обнаружения молекулы нужно провести наблюдения облака в максимально широком спектральном диапазоне. Но значительная часть электромагнитного излучения из космоса не достигает поверхности Земли! Значит, приходится либо наблюдать спектр молекулы фрагментарно в «окнах прозрачности» земной атмосферы, что, конечно, не добавляет надежности полученным результатам, либо использовать космический телескоп, что удается сделать крайне редко. Наконец, не стоит забывать, что линии искомой молекулы придется выделять среди других молекул, которых там десятки разновидностей, и у каждой - тысячи линий...
Неудивительно поэтому, что к отождествлению некоторых «представителей» космической органики астрономы идут годами. Показательна в этом отношении история обнаружения в МЗС глицина - простейшей аминокислоты. Хотя сообщения о регистрации в спектрах молекулярных облаков характерных признаков этой молекулы появлялись неоднократно, факт ее наличия все еще не является общепризнанным: хотя многие линии, как будто бы принадлежащие глицину, реально наблюдаются, другие его ожидаемые линии в спектрах отсутствуют, что дает повод усомниться в идентификации.

Лаборатории межзвездного синтеза

Но все это - сложности наблюдений. В теории за последние десятилетия ситуация с межзвездным органическим синтезом существенно прояснилась, и теперь мы четко понимаем, что первоначальные представления о химической инертности МЗС были неверны. Для этого, конечно, пришлось предварительно многое узнать о ее составе и физических свойствах. Значительная доля объема межзвездного пространства действительно «стерильна». Она заполнена очень горячим и разреженным газом с температурами от тысяч до миллионов кельвинов и пронизана жестким высокоэнергетическим излучением. Но попадаются в Галактике и отдельные конденсации межзвездного вещества, где температура низка (от единиц до десятков кельвинов), а плотность - заметно выше средней (сотни и более частиц на кубический сантиметр). Газ в этих конденсациях перемешан с пылью, которая эффективно поглощает жесткое излучение, в результате чего их внутреннее пространство - холодное, плотное, темное - оказывается удобным местом для протекания химических реакций и накопления молекул. В основном такие «космические лаборатории» встречаются в уже упоминавшихся молекулярных облаках. Совокупно они занимают меньше процента общего объема галактического диска, но в них сосредоточена примерно половина массы межзвездной материи Млечного Пути.

Полицикяические ароматические углеводороды (ПАУ) - наиболее сложные соединения, обнаруженные в межзвездном пространстве. На этом инфракрасном снимке области звездообразования в созвездии Кассиопеи показаны структуры молекул некоторых из них (атомы водорода - белые, углерода - серые, кислорода -красные), а также несколько их характерных спектральных линий. Ученые полагают, что в ближайшем будущем спектры ПАУ будут иметь особую ценность для расшифровки химического состава межзвездной среды методами инфракрасной спектроскопии.

ОРГАНИЧЕСКИЕ МОЛЕКУЛЫ В КОСМОСЕ

Элементный состав молекулярных облаков напоминает состав Солнца. В основном они состоят из водорода - точнее, молекул водорода Н 2 с небольшой «добавкой» гелия. Остальные элементы присутствуют на уровне незначительных примесей с относительным содержанием около 0,1% (для кислорода) и ниже. Соответственно и молекул, включающих эти примесные атомы, тоже очень мало по отношению к самой распространенной молекуле Н 2 . Но почему эти молекулы вообще образуются? На Земле для химического синтеза используются специальные установки, обеспечивающие достаточно высокие плотности и температуры. Как работает межзвездный «химический реактор» - холодный и разреженный?
Здесь нужно помнить, что астрономия имеет дело с другими масштабами времени. На Земле нам нужно получить результат быстро. Природа же никуда не торопится. Синтез межзвездной органики занимает сотни тысяч и миллионы лет. Но даже для таких медленно протекающих реакций необходим катализатор. В молекулярных облаках его роль играют частицы космических лучей. Первым шагом к синтезу сложных органических молекул можно считать формирование связи С-Н. Но если просто взять смесь молекул водорода и атомов углерода - эта связь сама по себе образовываться не будет. Другое дело - если часть атомов и молекул каким-то образом превратить в ионы. Химические реакции с участием ионов протекают куда быстрее. Именно эту начальную ионизацию и обеспечивают космические лучи, инициируя цепочку взаимодействий, в ходе которых атомы тяжелых элементов (углерода, азота, кислорода) начинают «прицеплять» к себе атомы водорода, образуя простые молекулы, в том числе и обнаруженные в МЗС в первую очередь (СН и СН+).
Дальнейший синтез идет еще легче. Двухатомные молекулы присоединяют к себе новые атомы водорода, превращаясь втрех- и четырехатомные (СН 2 +, СН 3 +), многоатомные молекулы начинают реагировать между собой, трансформируясь в более сложные соединения - ацетилен, синильную кислоту (HCN), аммиак, формальдегид, которые, в свою очередь, становятся «кирпичиками» для синтеза комплексной органики.
После того, как космические лучи дали первичный толчок химическим реакциям, важным катализатором межзвездного органического синтеза становятся частицы космической пыли. Они не только защищают внутренние области молекулярных облаков от разрушительного излучения, но и предоставляют свою поверхность для эффективного «производства» многих неорганических и органических молекул. В совокупности реакций нетрудно представить себе образование не только глицина, но и более сложных соединений. В этом смысле можно сказать, что задача обнаружения простейшей аминокислоты имеет скорее спортивный смысл: кто первым уверенно найдет ее в космосе. В том, что глицин в молекулярных облаках присутствует, ученые не сомневаются.

Как выжить «молекулам жизни»

В общем, на данный момент можно считать доказанным, что для синтеза органики не обязателен «первичный бульон». Природа прекрасно справляется с этой задачей и в космическом пространстве. Но имеет ли межзвездная органика какое-то отношение к появлению жизни? Действительно, звезды и планетные системы образуются в молекулярных облаках и, естественно, «вбирают» их вещество. Однако прежде, чем стать планетой, это вещество проходит через достаточно жесткие условия протопланетного диска и не менее жесткие условия молодой Земли. К сожалению, наши возможности исследовать эволюцию органических соединений в протопланетных дисках весьма ограничены. По размеру они очень малы, и искать в них органические молекулы еще сложнее, чем в молекулярных облаках. Пока что в формирующихся планетных системах других звезд обнаружено около десятка молекул. Конечно, в их число входят и простые органические соединения (в частности, формальдегид), но более подробно эволюцию органики в этих условиях мы пока описать не можем.
На помощь приходят исследования нашей собственной планетной системы. Правда, ей уже больше четырех с половиной миллиардов лет «от роду», но часть ее первичного протопланетного вещества и по сей день сохранилась в некоторых метеоритах. Именно в них обилие органики оказалось вполне впечатляющим - особенно в так называемых углистых хондритах, составляющих несколько процентов от общего числа упавших на Землю «небесных камней». Они обладают рыхлой глинистой структурой, богаты связанной водой, но главное - значительную часть их вещества «занимает» углерод, входящий в состав множества органических соединений. Метеоритная органика состоит из относительно простых молекул, среди которых есть и аминокислоты, и азотистые основания, и (карбоновые кислоты, и «нерастворимое органическое вещество», представляющее собой продукт полимеризации (осмоления) более простых соединений. Конечно, мы не можем сейчас уверенно сказать, что эта органика была «унаследована» из вещества протосолнечного молекулярного сгустка, но косвенные признаки на это указывают - в частности, в метеоритах обнаружен явный избыток изотопомеров ряда молекул.

	Ацетальдегид (слева) и его изомеры - виниловый спирт и окись этилена - также обнаружены в межзвездном пространстве.
10 восьмиатомных		В 1997 г. радионаблюдения подтвердили наличие в космосе уксусной кислоты.
9 девятиатомных молекул и 17 молекул, содержащих от 10 до 70 атомов		Одни из самых тяжелых (и длинных) молекул, найденных в космическом пространстве, относятся к классу полиинов - они содержат несколько тройных связей, последовательно соединенных «в цепочку» одинарными связями. В земных условиях не встречаются.
МОЛЕКУЛЫ, ОТКРЫТЫЕ К НАСТОЯЩЕМУ ВРЕМЕНИ В МЕЖЗВЕЗДНОМ ПРОСТРАНСТВЕ

Изотопомерами или изотопологами называют молекулы, в которых один или несколько атомов замещены неосновным (не самым распространенным) изотопом химического элемента. Например, изотопомером является тяжелая вода, в которой легкий изотоп водорода протий замещен дейтерием. Особенность химии молекулярных облаков состоит в том, что в них изотопомеры образуются несколько более эффективно, чем «обычные» молекулы. Например, содержание дейтерирован-ого формальдегида (HDCO) может составлять десятки процентов от содержания обычного формальдегида - при том, что в целом атомов дейтерия (D) в космосе в сотню тысяч раз меньше, чем атомов протия (Н). Такое же «предпочтение» межзвездные молекулы отдают изотопу азота 15N против обычного 14N. И такое же относительное переобогащение наблюдается в метеоритной органике.
Пока из имеющихся данных можно сделать три важных вывода. Во-первых, органические соединения очень высокой степени сложности весьма эффективно синтезируются в межзвездной среде нашей и других галактик. Во-вторых, эти соединения могут сохраняться в протопланетных дисках и входить в состав планетезималей - «зародышей» планет. И наконец, даже если органика «не пережила» сам процесс формирования Земли или другой планеты, она вполне могла попасть туда позже с метеоритами (как это происходит и в наши дни).
Естественно, возникает вопрос о том, как далеко мог зайти органический синтез на допланетном этапе. А что, если с метеоритами на Землю попали не «кирпичики» для зарождения жизни, а сама жизнь? В конце концов, в начале XX века казалось невозможным появление в МЗС даже простых двухатомных молекул. Теперь же мы массово находим в молекулярных облаках вещества, названия которых трудно выговорить с первого раза. Обнаружение в МЗС аминокислот - скорее всего, лишь вопрос времени. Что же мешает сделать следующий шаг и предположить, что метеориты занесли на Землю жизнь «в готовом виде»?
И действительно, уже несколько раз в литературе появлялись сообщения о том, что в метеоритах обнаружены остатки простейших внеземных организмов... Однако пока эти сведения слишком ненадежны и разрознены, чтобы можно было уверенно включить их в обшую картину происхождения жизни.

Космохимия Космохимия- наука о химическом составе космических тел, законах распространённости и распределения химических элементов во Вселенной, процессах сочетания и миграции атомов при образовании космического вещества. Геохимия - наиболее изученная часть космохимии. Космохимия- наука о химическом составе космических тел, законах распространённости и распределения химических элементов во Вселенной, процессах сочетания и миграции атомов при образовании космического вещества. Геохимия - наиболее изученная часть космохимии.

Химия Земли В состав земной коры входят: O – 46.6 % Ca – 3.63 % Al – 8.13 % Na – 2.83 % Si – % K – 2.59 % Fe – 5.0 % Mg – 2.0 % Всего - 98,59%

Химический состав метеорита Химические анализы метеоритов, упавших на нашу планету, дали замечательные результаты. Если подсчитать среднее содержание во всех метеоритах наиболее распространенных на Земле элементов: железа, кислорода, кремния, магния, алюминия, кальция,- то на их долю падает ровно 94%, т. е. их в составе метеоритов равно столько же, сколько в составе земного шара.

Химия межзвёздного пространства Еще не так давно в науке допускалось, что межзвездное пространство представляет собой пустоту. Все вещество Вселенной сосредоточено в звездах, а между ними нет ничего. Лишь в пределах Солнечной системы, где-то по неведомым путям, блуждают метеориты и их загадочные собратья – кометы. Еще не так давно в науке допускалось, что межзвездное пространство представляет собой пустоту. Все вещество Вселенной сосредоточено в звездах, а между ними нет ничего. Лишь в пределах Солнечной системы, где-то по неведомым путям, блуждают метеориты и их загадочные собратья – кометы. Химия межзвездного пространства - удивительно сложна. В космосе были открыты простейшие радикалы: например, метин (CH), гидроксил (OH). Где есть гидроксил, там должна быть и вода, и она была действительно найдена в межзвездном пространстве. В космосе есть вода, органические молекулы (формальдегид), аммиак. Эти соединения, реагируя между собой, могут привести к образованию аминокислот.

Лунная химия Лунные камни особенные – на их составе сказывается недостаток кислорода. На Луне не было ни свободной воды, ни атмосферы. Все летучие соединения, возникшие при магматических процессах, улетели в космос. Каменные метеориты сложены простыми силикатами, число минералов в них едва достигает сотни. В лунных же породах минералов немного больше, чем в метеоритах, – вероятно, несколько сотен. А на поверхности Земли открыто больше 3 тыс. минералов. Это говорит о сложности земных химических процессов по сравнению с лунными.

Химический состав планет Меркурий – самая близкая к Солнцу планета Меркурий покрыт силикатными породами, сходными с земными. Состав атмосферы Венеры углекислого газа (СО2) около 97 %, азота (N2) не более 2 %, водяного пара (Н2О) около 1 %, кислорода (О2) не более 0,1 %.

Химический состав планет Атмосфера этой планеты состоит из углекислоты, есть немного азота, кислорода и водяного пара. Советские и американские ученые отправили автоматические исследовательские станции и на Марс. Марс – холодная безжизненная пыльная пустыня. Самая интересная, удивительная и загадочная планета с точки зрения химии – это Юпитер. На 98 % Юпитер состоит из водорода и гелия. Обнаружены также вода, сероводород, метан и аммиак.

Химический состав планет Атмосфера Урана состоит примерно на 83% из водорода, на 15% из гелия и на 2% из метана. Подобно другим газовым планетам, Уран имеет полосы облаков, которые очень быстро перемещаются. Строение и набор составляющих Нептун элементов, вероятно, подобны Урану: различные "льды" или отвердевшие газы с содержанием около 15% водорода и небольшого количества гелия Атмосфера Сатурна - в основном, водород и гелий.

МЕТАЛЛЫ В КОСМОСЕ Титан сегодня - важнейший конструкционный материал. Это связано с редким сочетанием легкости, прочности и тугоплавкости данного металла. На основе титана создано множество высокопрочных сплавов для авиации, судостроения и ракетной техники. Титан сегодня - важнейший конструкционный материал. Это связано с редким сочетанием легкости, прочности и тугоплавкости данного металла. На основе титана создано множество высокопрочных сплавов для авиации, судостроения и ракетной техники.

Фуллерены в космосе фуллерены разветвлённые цепочки углеводородов фуллерены разветвлённые цепочки углеводородов Фуллерены впервые найдены вне Млечного Пути Фуллерены впервые найдены вне Млечного Пути фуллерены были найдены в метеоритах фуллерены были найдены в метеоритах