Rozpustné organické molekuly z planetky Ryugu

6. prosince roku 2020 dopravila japonská sonda Hayabusa 2 na Zemi pouzdro se vzorky, které odebrala z povrchu planetky Ryugu. Tyto vzorky nejprve prošly pečlivou katalogizací (kurátorská činnost fáze 1), kterou zajistil Institut kosmických astronautických věd spadající pod agenturu JAXA. Následně byla část vzorků poskytnuta týmu pro prvotní analýzu (který v zásadě tvořilo šest dílčích týmů) a také dalším expertům z Univerzity Okayama a JAMSTEC Kochi Institute, kteří zajišťují kurátorskou činnost fáze 2. Prvotní analýza má za úkol odhalit mnohostranné vlastnosti vzorku prostřednictvím vysoce přesné analýzy. Jednotlivé specializované dílčí týmy jsou určeny k řešení vědeckých cílů mise Hayabusa2. Mezitím mají kurátorské instituty fáze 2 konkrétní specializace, které jsou využívány pro zařazení vzorku na základě komplexní analýzy a k objasnění potenciálu vzorku prostřednictvím měření a analýz odpovídajících vlastnostem přivezených částic. V poslední době vyšly hned dva vědecké články, které se zabývají výsledky dosavadních analýz – v obou případech se jedná o poznatky spojené s organickými látkami. Rozhodli jsme se, že Vám v tomto článku přineseme první z nich přeložený do češtiny, překlad druhého pak na našem webu vyjde za několik dní.

1. vědecký článek – Rozpustné organické molekuly ve vzorcích uhlíkaté planetky (162173) Ryugu

Klíčové body

• Rozpouštědlem extrahovatelné organické molekuly byly analyzovány metodou hmotností spektrometrie s ultravysokým rozlišením a bylo zjištěno, že obsahují přibližně 20 000 organických molekul tvořených uhlíkem, vodíkem, dusíkem, kyslíkem a/nebo sírou.
• S použitím plynové a kapalinové chromatografie byly detekovány aminokyseliny, karboxylové kyseliny, aminy a aromatické uhlovodíky. Zejména přítomnost malých, vysoce těkavých organických molekul (například metylaminu a kyseliny octové) naznačuje, že tyto látky jsou na povrch Ryugu stabilní ve formě solí.
• Byly nalezeny jak proteinotvorné aminokyseliny (například alanin), tak i neproteinotvorné aminokyseliny (na příklad isovalin). Enantiomery (opticky aktivní látky schopné stáčet rovinu polarizace světla – pozn. překl.) aminokyselin měly své levé i pravé varianty zastoupeny ve směšovacím poměru 1:1. Z tohoto důvodu je detekce těchto aminokyselin důležitým důkazem jejich abiotického původu.
• Alkylbenzeny a polycyklické aromatické uhlovodíky (například naftalen, fenanthren, pyren, fluoranthen) byly hlavními zástupci uhlovodíků. Vzory jejich výskytu jsou podobné těm z hydrotermální surové ropy na Zemi, což naznačuje, že mohly být ovlivněny působením vody na tělese, ze kterého planetka Ryugu vznikla.
• Lokální analýza povrchu vzorku postříkaného metanolem odhalila přítomnost různých organických molekul v různých prostorových distribucích, což naznačuje, že se organické látky mohly přesunout a rozdělit během interakce tekutin a minerálů na tělese, ze kterého planetka Ryugu vznikla.
• Bylo pozorováno, že materiály jsou z povrchu planetek různými procesy vyvrhovány do okolního prostředí a organické molekuly z povrchu Ryugu se díky tomu mohly dostat na jiné kosmická tělesa.

Základní osnova

Rozpustné organické molekuly ve vzorcích z planetky Ryugu přivezené sondou Hayabusa 2 byly analyzovány především sekvenční extrakcí s využitím hydrofobních (vodu odpuzujících – pozn. překl.) a hydrofilních (vodu přitahujících – pozn. překl.) rozpouštědel. Ryugu je tmavá, primitivní planetka klasifikovaná jako typ C. Tato varianta je v pásu planetek nejčastější a je bohatá na hydratované minerály jako uhlíkaté meteority chondrity. Primitivní uhlíkaté chondrity jsou známé tím, že obsahují různé rozpustné organické molekuly včetně aminokyselin, takže mohly dodat mladé Zemi i dalším kosmickým tělesům prebiotické organické molekuly. V této studii byly organické látky ze vzorku odebraného z povrchu planetky Ryugu při prvním odběru, analyzovány mezinárodním týmem z Japonska, USA a Evropy. Objeveno bylo široké spektrum organických molekul jako jsou aminokyseliny, aminy, karboxylové kyseliny, aromatické uhlovodíky a dusík obsahující cyklické sloučeniny. Tyto organické molekuly se mohou uvolnit z povrchu planetky Ryugu a být přepraveny na další kosmická tělesa ve Sluneční soustavě.

Hlavní text

Hlavní analýzy a výsledky, které provedl tým pro rozpustnou organickou hmotu (SOM = Soluble Organic Matter) z týmu pro počáteční analýzu vzorků od sondy Hayabusa2, jsou následující.

V první řadě byla analýza prvků a měření izotopických poměrů pro uhlík, dusík, vodík, síru a pyrolytický kyslík za účelem určení průměrného složení regolitu na Ryugu. Vzorek A0106 z Ryugu obsahoval přibližně 3,8 % uhlíku, 1,1 % vodíku, 0,16 % dusíku, 3,3 % síry a 12,9% pyrolytického kyslíku. Celkový obsah těchto lehkých těkavých prvků tvořil 21,3 %. Tyto prvky tvoří anorganické minerály jako jsou hydratované křemičitany, uhličitany a sulfidy, ale také rozpustné a nerozpustné organické látky. Doposud patří změřená hojnost těchto prvků mezi vůbec nejvyšší provedené na uhlíkatých meteoritech, což naznačuje, že planetka Ryugu je bohatá na těkavé prvky. Složení stabilních izotopů uhlíku (¹³C/¹²C)δ13C je zhruba -0.6 na milion, dusíku (¹⁵ N/¹⁴N), δ15N je zhruba +43 na milion, vodíku (D/H), δD je zhruba +250 na milion, a síry (³⁴S/³²S)δ³⁴S je zhruba -3 na milion. Nejbližšími analogy z meteoritů jsou tedy uhlíkaté chondrity CI (typ Ivuna).

Metanolový extrakt vzorků z planetky Ryugu byl analyzován s použitím elektrosprejové ionizace (ESI – electrospray ionization) a fotoionizace za atmosférického tlaku (APPI – atmospheric pressure photoionization) ve spojení s iontovou cyklotronovou rezonanční hmotnostní spektrometrií s Fourierovou transformací (FT-ICR/MS). Tyto metody odhalily přibližně 20 000 iontů organických molekul až do 700 Da tvořených CH, CHO, CHN, CHS, CHNO, CHOS, CH, CHO, CHN, CHS, CHNO, CHOS a CHNOS. Mnoho z nich tvoří série homologických sloučenin (řad organických sloučenin se stejným obecným vzorcem – pozn. překl.), což naznačuje sérii chemických reakcí organických molekul jako je metylace nebo hydroxylace. Pestrost těchto organických molekul je větší, než bývá u uhlíkatých meteoritů, což naznačuje, že mohly vzniknout za relativně nižších teplot.

Horkou vodou a kyselinou hydrolyzované frakce ze vzorků od Ryugu byly vystaveny analýze aminokyselin formou dvou nezávislých analytických metod. První z nich byla detekční kapalná fluorescenční chromatografie s hmotností spektrometrií o vysokém rozlišení (LC-FD/HRMS – liquid chromatography fluorescence detection/high resolution mass spectrometry), která posloužila k celkové analýze D,L aminokyselin. Následně byla využita vysoce výkonná 3D kapalinová chromatografie s fluorescenční detekcí (3D-HPLC/FD – 3D-high performance liquid chromatography with fluorescence detection) za účelem pečlivé analýzy zaměřené na oddělení optických izomerů D,L aminokyselin. Výsledkem bylo 15 objevených aminokyselin včetně proteinotvorných aminokyselin jako jsou α-alanin, glycin a valin, což jsou molekuly běžné v pozemských formách života, ale i neproteinotvorné aminokyseliny jako β-alanin, isovalin, nebo kyselina aminomáselná. Pozorované optické izomery byly racemické, vyskytovaly se téměř přesně ve shodném poměru 1:1.

Neproteinotvorné aminokyseliny a jejich přítomnost v racemické formě naznačuje, že byly syntetizovány při prebiotické molekulární evoluci Ryugu. Koncentrace aminokyselin byly typicky menší než 1 nanomole / gram, přičemž na miliardu molekul ve vzorku připadaly pouze jednotky molekul aminokyselin, které se tak pohybovaly v oblasti ultrastopových množství. Bylo jich zde méně než v meteoritu Murchison, ve kterém bylo objeveno podobně široké spektrum aminokyselin. Stejně tak bylo aminokyselin méně než v meteoritech typu chondit CI (meteorit Orgueil).

Kromě aminokyselin byly v extraktu horkou vodou obleveny také aminy s nízkou molekulární hmotností jako metylamin a karboxylové kyseliny jako je kyselina octová. Například bod varu volné formy metylaminu je -6,3°C při 1 atmosféře (1013 hPa), takže může být považován za silně těkavou látku. Ukazuje se tedy, že na povrchu Ryugu existuje ve formě soli (bod varu hydrochloridu metylaminu je při 20 hPa okolo 230°C). Kromě zmíněného metylaminu byly přítomny také etylamin a propylamine, ovšem isopropylamin (rozvětvený) byl zastoupen více než propylamin s přímou strukturou. To naznačuje, že buďto vznikly reakcí radikálů, nebo byly přítomné po tepelném rozkladu. Butylamin, který byl přítomen v meteoritu Orgueil, nebyl detekován. Tyto soli aminů mohou souviset s absorpčním pásmem okolo 3.1µm (vazba NH), které bylo pozorováno na Ryugu. Kyselina octová a mravenčí byly přítomné, ovšem vyšší karboxylové kyseliny již detekovány nebyly. Objevení pouze menších karboxylových kyselin je v souladu s charakteristikami nalezenými v uhlíkatých meteoritech, které prošly hydrotermálním působením.

Aromatické uhlovodíky byly objeveny ve frakcích získaných organickými rozpouštědly. Objeveny byly alkylbenzeny a další alkylové řetězce, či polycyklické aromatické uhlovodíky od dvoukruhového naftalenu až po čtyřkruhový pyren či fluoranthen a jejich alkylované formy. Předpokládá se, že polycyklické aromatické uhlovodíky jsou v mezihvězdném prostředí všudypřítomné a i v uhlíkatých meteoritech se nachází v hojné míře. Především pyren a fluoranthen jsou strukturální izomery se stejným chemický vzorec (C₁₆H₁₀) a jsou v uhlíkatých meteoritech jako Murchison přítomny v téměř přesném poměru 1:1. Ovšem v případě vzorků z Ryugu byl pyren zastoupen v hojnější míře než fluoranthen. Tohle zvláštní rozložení polycyklických aromatických uhlovodíků bylo pozorováno také v uhlíkatých meteoritech typu CI (Ivuna). Je možné, že tyto polycyklické aromatické uhlovodíky byly odděleny během interakce minerálů s vodou na mateřském tělese, ze kterého vznikla planetka Ryugu, kvůli jejich odlišné rozpustnosti. Přítomnost alkylbenzenů a nadbytku pyrenu oproti fluoranthenu byly nalezeny také v hydrotermální surové ropě na Zemi. Proto by na Ryugu mohla existovat původní hydrotermální organická hmota podobná ropě.

Cyklické sloučeniny obsahující dusík byly přítomny jako série rozsáhle alkylovaných (-CH₂ -) homologů, které mohly být syntetizovány na mateřském tělese z formaldehydu a čpavku. Cyklické sloučeniny obsahující dusík se běžně vyskytují v uhlíkatých meteoritech, ovšem rozložení uhlíkového čísla (počet atomů uhlíku v molekule) v homolozích alkylpyridinu (C_nH_2n-4N⁺) objevených ve vzorcích z Ryugu se liší od těch z dobře prostudovaného meteoritu Murchison. zatímco tento meteorit měl rozložení množství uhlíku C₈ až C₁₆ s maximem C₁₁, vzorky z Ryugu měly rozložení uhlíku C₁₁ až C₂₂ s maximem C₁₇. To naznačuje, že syntéza organických molekul (protahování uhlíkových vazeb) je ovlivněna historickým působením tepla a vody. Distribuce organických molekul byla analyzována také posprejováním metanolu na povrch přibližně 1 milimetr velkých úlomků ze vzorku z Ryugu s označením A0080 pro snímkovací hmotností spektroskopii. Ukázalo se, že tyto cyklické sloučeniny obsahující dusík mají v mikrometrovém měřítku odlišné prostorové rozlišení v závislosti na uhlíkovém čísle a odlišném chemickém složení. Tyto rozdíly v prostorové heterogenitě organických molekul mohou být způsobeny interakcí mezi vodou, organickými molekulami a minerály na Ryugu.

Diverzita rozpustných organických molekul objevených ve vzorcích z Ryugu je srovnatelná s diverzitou organických molekul objevených v uhlíkatých meteoritech. Ovšem molekulární rozložení organických sloučenin s nízkou molekulární hmotností je relativně nízké – ve srovnání s organickými látkami v uhlíkatých meteoritech, které byly silně ovlivněny působením vody. To je také v souladu s mineralogickými charakteristikami odhalenými týmy, které prováděly prvotní analýzu.

Povrch planetek je vystaven ohřívání Sluncem, ultrafialovému záření, vysokoenergetickým kosmickým paprskům a silnému vakuu. Tato studie však ukazuje, že se organické molekuly mohou vyskytovat v povrchovém regolitu a možná jsou chráněny stínícími účinky minerálů. Kolize a různé vnitřní procesy mohou vyvrhnout organický materiál z povrchu uhlíkatých planetek a ten pak může být přetransportován na jiná tělesa Sluneční soustavy ve formě meteoritů a kosmického prachu.

Přeloženo z:
https://global.jaxa.jp/

Zdroje obrázků:
https://cnet2.cbsistatic.com/…/hayabusa2-thumb.jpg
https://global.jaxa.jp/press/2023/02/images/20230224_01.png
https://pbs.twimg.com/media/Dgq1-LLV4AEqKn4.jpg:orig
https://global.jaxa.jp/press/2023/02/images/20230224_02.png
https://global.jaxa.jp/press/2023/02/images/20230224_03.png
https://global.jaxa.jp/press/2023/02/images/20230224_04.png
https://aip.scitation.org/…/1.3622589.figures.f1.gif
https://global.jaxa.jp/press/2023/02/images/20230224_05_e.jpg
https://pbs.twimg.com/media/DghF0fFUcAIPb2R.jpg:large