Ученые из Самарского филиала Физического института Академии наук им. П.Н. Лебедева (ФИАН) ищут ответ на вопрос, издавна волновавший человечество: откуда взялась жизнь? В филиале создан Центр лабораторной астрофизики с уникальным оборудованием, позволяющим воспроизводить условия космоса и досконально исследовать механизм образования сложных углеводородов, являющихся основой всей органики.
Теории о возникновении жизни разной степени правдоподобности возникали у людей с незапамятных времен. Но до недавнего времени человечество обладало довольно скудным инструментарием для познания окружающего мира. Технологический прорыв, которого человечество достигло в последние десятилетия, позволил ученым серьезно продвинуться в изучении процессов возникновения сложных органических молекул из простых неорганических.
Сейчас ученые считают, что наиболее вероятной предпосылкой зарождения жизни являются абиогенез и химическая эволюция. Абиогенезом называют процесс возникновения распространенных в природе сложных органических веществ вне живого организма и без участия ферментов. «Строительным материалом» при этом служат простые неорганические вещества.
Конечно же, абиогенез не приводит к возникновению нормально функционирующей клетки живого организма, однако он может создать вещества, из которых эта клетка построена. И здесь в дело вступает химическая эволюция, на протяжении миллионов лет порождавшая бессчетное множество молекул, часть которых имеет принципиальное значение для существования живых организмов, например, РНК. В итоге присущая сложным системам самоорганизация привела к возникновению жизни, а миллионы лет эволюции создали окружающую нас реальность — в которую, наряду с неживой материей, входят и живые организмы разной степени разумности.
В космических условиях
Конечно же, полный и развернутый ответ на вопрос «как именно появились живые организмы» человечество получит еще не скоро, это комплексная и многогранная задача. Но в одном из основных направлений уже наметился прорыв — нашлись убедительные доказательства того, что сложные органические молекулы могут самостоятельно синтезироваться в космическом пространстве. Это происходит благодаря воздействию ионизирующего излучения на покрытые льдом наночастицы в молекулярно-пылевых облаках, из которых формируются звездные системы, в том числе и Солнечная. Но каким образом происходит синтез сложных молекул в условиях сверхнизких температур и жесткого космического излучения, пока неизвестно. Ответ на этот вопрос приблизит человечество к пониманию химической эволюции Солнечной системы и разгадке происхождения жизни на Земле.
Именно этим и занимаются ученые Самарского филиала ФИАН в Центре лабораторной астрофизики, проводя эксперименты, воспроизводящие условия молекулярных облаков и областей звездообразования. Исследования ведутся в рамках пятилетнего мегагранта правительства РФ «Происхождение и эволюция органических молекул в нашей Галактике».
В своих экспериментах самарские ученые воспроизводят условия межзвездного пространства, где при низких температурах газы конденсируются на поверхности частиц, образуя лед. В вакуумной камере на охлажденную до криогенной температуры пластинку намораживают пленку из запускаемых в определенных объемах паров воды, метана, кислорода, азота, углекислого газа (CO₂), угарного газа (CO), которые являются основными компонентами молекулярных облаков в космосе.
После этого образовавшуюся пластинку бомбардируют разными частицами, например, фотонами жесткого диапазона — вакуумным ультрафиолетом. Получившиеся в результате продукты анализируются высокочувствительным масс-спектрометром. Это позволяет экспериментальным путем выяснить, как в космосе образуется та или иная молекула.
«Этим предстоит заниматься еще многим лабораториям долгие годы. Главное, что стадия образования крупных молекул из мелких может успешно протекать даже в космосе. И это часть ответа на вопрос, одиноки ли мы во Вселенной или еще где-то есть жизнь», — отмечает координатор мегагранта, директор Самарского филиала ФИАН, доктор физико-математических наук Валерий Азязов.
Для таких экспериментов нужно было спроектировать, построить и запустить установку для лабораторного изучения криогенных поверхностных процессов. Основные требования — возможность достижения сверхчистого вакуума для поддержания химической чистоты образцов льда, точный контроль температуры ледяной пленки в диапазоне от 5 до 300 К, возможность облучения образца электронным пучком или потоком ультрафиолетовых фотонов для запуска химических процессов. И, разумеется, использование масс-спектрометрии для определения продуктов произошедших внутри установки химических реакций.
Строящаяся в Самаре установка разработана с учетом опыта, полученного при работе с аналогичной установкой в Гавайском университете на Маноа, в лаборатории руководителя мегагранта, профессора Ральфа Кайзера. В Самарском филиале ФИАН для Центра лабораторной астрофизики были выделены помещения общей площадью более 200 кв. м. На средства мегагранта отремонтировали лаборатории и закупили современное дорогостоящее оборудование: высокопроизводительные насосы, позволяющие получать сверхглубокий вакуум, системы регистрации химических соединений на основе высокочувствительной масс-спектрометрии и т.д.
Сотрудничество продолжается
К сожалению, после начала СВО во взаимодействии с иностранными учеными и компаниями появились некоторые проблемы. Включение ФИАН в санкционные списки в определенной степени является оценкой его заслуг в области квантовых технологий, но такое «признание» привело к дополнительным трудностям. Например, необходимую для установки вакуумную камеру, к которой предъявляются очень высокие требования по чистоте и глубине вакуума, пришлось поискать. Ряд иностранных компаний, имеющих опыт изготовления подобных установок, отказались от сотрудничества, ссылаясь на санкции. На начало года было получено только одно коммерческое предложение от зарубежной компании, но и она впоследствии отказалась от своего предложения.
В России, разумеется, тоже есть производители высоковакуумных установок, но они также сегодня находятся в трудном положении из-за нарушения логистических связей. Несмотря на эти трудности, в настоящее время изготовление основной вакуумной камеры и других не менее сложных частей установки производится компанией «Опытное конструкторское бюро «Оптические системы» (Санкт-Петербург).
Сотрудничество же с руководителем гранта Ральфом Кайзером продолжается. Как отмечает Валерий Азязов, современная наука невозможна без коллабораций, а научные связи, возникающие между исследователями, нацеленными на решение общих задач, трудно разрушить политикой.
«В университете на Маноа под руководством Ральфа Кайзера проводятся эксперименты, результаты которых интерпретируются с помощью сложнейших расчетов, которые проводятся здесь, в Самаре. Уже вышло много совместных публикаций в самых высокорейтинговых журналах и они продолжают появляться даже после начала СВО», — говорит ученый, добавляя, что, впрочем, Самарский филиал ФИАН уже сталкивался с пока единичными отказами некоторых журналов публиковать статьи под предлогом санкций.
Координатор гранта и заместитель руководителя ЦЛА, директор СФ ФИАН доктор физико-математических наук Валерий Азязов:
— Ведущие сотрудники проекта и молодые исследователи, в том числе студенты Самарского университета, аспиранты Самарского университета и ФИАН, получили большой опыт работы со сложным современным оборудованием, уверенно чувствуют себя в астрохимическом моделировании и квантово-механических расчетах. Они привыкли к высокому темпу работы, к требованиям, предъявляемым к качеству исследований, к публикационной активности и другим атрибутам напряженной исследовательской деятельности. Они смотрят в будущее с оптимизмом. Для нас нет сомнений, что проект стоило начинать и необходимо продолжать».
