Tmavé organické látky z planetky Ryugu

6. března jsme na našem webu vydali článek Rozpustné organické molekuly z planetky Ryugu, což byl do češtiny přeložený odborný článek publikovaný na webu agentury JAXA zaměřený na výsledky chemické analýzy vzorků, které na Zemi dopravila sonda Hayabusa 2. V úvodním odstavci jste se mohli dočíst, že články vyšly rovnou dva a každý ke svým výsledkům došel jinými metodami. První odstavec článku končil slibem, že se dnes podíváme na přeložený první článek a za pár dní na našem webu vyjde článek s překladem druhé studie. Nyní tedy přichází čas tento slib splnit, ačkoliv se pár dní protáhlo na téměř čtvrt roku.

2. vědecký článek – Tmavé makromolekulární organické látky z planetky Ryugu

Klíčové body:

• Chemické, izotopické a morfologické složení nerozpustných zbytků bylo téměř ve shodě s nedotčenými zrnky z Ryugu. To by mohlo naznačovat, že tmavé organické makromolekuly tvoří značnou část organických látek na Ryugu.
• Přítomnost makromolekulárních organických látek spojených s fylosilikáty a uhličitany ve vzorcích z Ryugu naznačuje, že mnoho organického materiálu bylo pozměněno nízkoteplotním působením vody na mateřském tělese, ze kterého později odštěpením vznikla planetka Ryugu. Makromolekulární organické látky ve vzorcích z Ryugu jsou podobné těm z primitivních uhlíkatých chondritů, zatímco jednodušší organické látky vykazují větší pestrost složení oproti meteoritům. Výsledky můžeme považovat za další důkaz, že organické látky byly upraveny různými úrovněmi působení vody v mateřském tělese, ze kterého vznikla planetka Ryugu.
• Nebyl objeven žádný materiál podobný grafenu, což naznačuje, že organické látky z Ryugu nebyly v mateřském tělese vystaveny jevům s vysokou teplotou – ať už jde o klasický ohřev nebo o dlouhodobé radiogenní tepelné proměny.
• Pozorované obohacení deuteriem a dusíkem-15 naznačuje, že alespoň část organických látek ve vzorcích z Ryugu vznikla v nízkoteplotních prostředích (pod -200°C) jako je mezihvězdné médium či mlhovina existující před vznikem Slunce.
• Byly pozorovány shodné i odlišné znaky mezi organickými látky z planetky typu C (kam patří Ryugu) a pozorovanými planetkami typu D a kometami. Předpokládá se, že jde o důsledek změn chemických reakcí v jednotlivých mateřských tělesech poté, co se společný zdrojový materiál z původní mlhoviny začlenil do planetesimál (později malých těles).
• Tmavé, makromolekulární organické látky v uhlíkatých planetkách, které nejsou spojeny se „současnými“ molekulami souvisejícími se životem,  se možná mohly podílet na vytvoření dostupného organického inventáře, který byl k dispozici pro vytvoření obyvatelných prostředí na různých planetách.

Přehled:

Tým pro předběžnou analýzu organických makromolekul z mise Hayabusa 2, v jehož čele stál profesor Jabuta Hikaru z Hirošimské univerzity, měřil chemické, izotopické a morfologické složení makromolekulárních organických látek ve vzorcích z planetky Ryugu (37 zrnek s velikostí od 200 do 900 μm), které na Zemi dopravila sonda Hayabusa 2. Jejich koordinovaná analýza s využitím mnoha různých mikroskopických technik ukázala, že chemické složení makromolekulárních organických látek ve vzorcích z Ryugu je podobné primitivním chondritickým meteoritům typu CI (typ Ivuna) a CM (typ Mighei). Morfologie organických látek obsahuje nanoglobule a rozptýlený uhlík spojený s fylosilikátovými a uhličitanovými minerály, což svědčí o vývoji organické hmoty během reakce s kapalnou vodou na mateřském tělese Ryugu. Nebyl nalezen žádný materiál podobný grafenu, což naznačuje, že organické látky z Ryugu nebyly v mateřském tělese vystaveny jevům s vysokou teplotou – ať už jde o klasický ohřev nebo o dlouhodobé radiogenní tepelné proměny.

Množství uhlíkatých zrnek ve vzorcích z ryugu vykazovalo extrémní obohacení či ochuzení o deuterium a/nebo dusík-15. tyto izotopické vlastnosti nejsou v pozemských organických látkách pozorovány a naznačují původ těchto látek v extrémně chladném prostředí (pod – 200°C) Tyto výsledky naznačují, že organické látky ve vzorcích z Ryugu jsou mimozemského původu a minimálně některé z nich byly odvozeny z mezihvězdného média či mlhoviny existující před vznikem Slunce.

Tým organických makromolekul studoval nedotčená zrnka z Ryugu a nerozpustné zbytky izolované po aplikaci kyseliny na vzorky z Ryugu. Měření ukázala, že nerozpustné zbytky zajištěné ve velkém množství mají tmavou barvu a jedná se o organické látky tuhého skupenství. Chemické, izotopické a morfologické složení nerozpustných zbytků bylo téměř ve shodě s nedotčenými zrnky z Ryugu. To by mohlo naznačovat, že tmavé organické makromolekuly tvoří značnou část organických látek na Ryugu. Tato skutečnost by mohly vysvětlovat i nízké albedo (odrazivost) povrchu planetky.

Tato studie poprvé prokázala přímou souvislost mezi makromolekulárními organickými látkami v uhlíkaté planetce a v primitivních uhlíkatých chondritech. Konkrétně organické látky ve vzorcích z Ryugu vykazovaly vyšší pestrost chemického, izotopického a morfologického složení než je tomu v případě meteoritů. Výsledky představují další důkaz, že se organické látky vytvořily v mezihvězdném mraku nebo předsluneční mlhovině, načež byly ovlivňovány různými úrovněmi vystavení vodě v mateřském tělese, ze kterého se planetka Ryugu později oddělila. Mezi složením organických látek z Ryugu oři prvním a druhém odběru není žádný výrazný rozdíl. To by naznačovalo, že se organické látky zformované během (nebo před) vzniku Sluneční soustavy mohly uniknou slunečnímu větru, nárazům a ohřevu slunečním zářením na povrchu planetky.

Text:

Organické látky v planetkách a kometách vznikly během (nebo před) vznikem Slunenčí soustavy (cca přes 4,6 miliardami let) a jsou považovány za stavební kameny pro pozemský (a možná i jiný) život. Většina vzorků používaných pro analýzy mimozemských organických látek však byla omezena pouze na meteority a kosmický prach. Organické látky nebyly nalezeny na částicích z planetky Itokawa (typ-S), které na Zemi přivezla první sonda Hayabusa. Z tohoto důvodu tu nebyla žádná studie zaměřená na rozložení organických látek na planetkách.

K porozumění vzniku a vývoje organických látek na planetce Ryugu (typ-C) v časné historii Sluneční soustavy se tým pro předběžnou analýzu organických tvořený světovými experty na organickou kosmochemii, analyzoval makromolekulární látky ze vzorků z Ryugu, měřil jejich složení chemické, izotopické i z hlediska funkčních skupin včetně jejich malých struktur a celkové morfologie.

Analytické metody zahrnovaly mikroskopickou infračervenou spektroskopii s Fourierovou transformací (FTIR), mikroskopickou Ramanovu spektroskopii, skenovací transmisní rentgenovou mikroskopii (STXM) s využitím synchrotronu, spektroskopii blízké struktury rentgenové absorpční hrany (XANES), skenovací transmisní elektronová mikroskopii (STEM) spojenou se spektrometrií ztrát energie elektronu (EELS) a energeticky disperzní rentgenovou spektroskopii (EDS), dále infračervenou nanospektroskopii (AFM-IR) a hmotnostní spektrometrii sekundárních iontů v nanoměřítku (NanoSIMS). Analyzovala se jak nedotčená zrnka z Ryugu, tak i nerozpustné uhlíkové zbytky izolované po aplikaci kyseliny na vzorky z Ryugu.

1. Význam ošetření kyselinou

In-situ analýza nedotčených vzorků z Ryugu (nedestruktivní) má výhodu v tom, že umožňuje zkoumání chemické a izotopové heterogenity organických látek beze změny vzorků. Na druhou stranu však nedestruktivní analýza není tak dobrá pro měření objemového složení, které má charakterizovat planetku Ryugu. Kromě toho In-situ analýza vodíku, kyslíku a síry z organických látek smíšených s minerály je někdy náročná kvůli interferenci – tyto prvky jsou totiž obsaženy i v samotných minerálech (např. fylosilikátech a síranech). Aby bylo možné analyzovat vysoce rafinované organické látky, byly při této studii nerozpustné uhlíkové usazeniny ze vzorků z Ryugu přečištěny a izolovány pomocí demineralizace průběžnými dodávkami kyseliny fluorovodíkové a chlorovodíkové v průběhu jednoho měsíce. Měření odhalila, že nerozpustné zbytky získané v hojném množství a s vysokou čistotou byly organické látky tmavé barvy v pevném skupenství. Chemické, izotopické a morfologické složení těchto nerozpustných zbytků byla téměř konzistentní s těmi provedenými na nedotčených zrnkách z Ryugu. To naznačuje, že by tmavé organické makromolekuly mohly tvořit značnou část organických látek na Ryugu.

Drobné rozdíly mezi nedotčenými vzorky z Ryugu a nerozpustnými uhlíkatými zbytky ze vzorků z Ryugu mohu být způsobeny buďto chemickými odlišnostmi, nebo možným podílem minerálů a rozpustných organických látek v nedotčených vzorcích, případně možnými změnami organických látek souvisejících s fylosilikáty vlivem účinů kyseliny fluorovodíkové na fylosilikáty, nebo částečnou hydrolýzou makromolekulárních organických látek při vystavení působení kyselin. Kromě toho tato studie dokázala odhalit také chemické a izotopické odlišnosti uhlíkatých zbytků ze vzorků z Ryugu.

2. Vztahy mezi organickými látkami v uhlíkaté planetce a v primitivních uhlíkatých chondritech

Mikroskopickou infračervenou spektroskopií s Fourierovou transformací (FTIR), mikroskopickou Ramanovu spektroskopií, skenovací transmisní rentgenovou mikroskopií (STXM) s využitím synchrotronu, spektroskopií blízké struktury rentgenové absorpční hrany (XANES) vzorků z Ryugu (celkem 20 zrnek) se podařilo odhalit, že organické látky z Ryugu tvoří aromatické uhlovodíky, alifatické uhlovodíky, ketony a karboxyly. Složení funkčních skupin je ve shodě s výsledky analýzy nerozpustných organických látek z primitivních chondritů typu CI (typ Ivuna) a CM (typ Mighei). Na druhou stranu však mezi organickými látkami z Ryugu nebyly nalezeny žádné struktury, které by byly srovnané jako grafen. Obecně se takové grafitu podobné látky vytváří při zahřátí organických látek na vysoké teploty (proces karbonizace). Spektrální rozdíly mezi organickými látkami ve vzorcích z Ryugu a v tepelně metamorfovaných uhlíkatých chondritech naznačuje, že organická hmota pocházející z Ryugu nebyla na mateřském tělese vystavena ohřevu na teplotu vyšší než 200 ℃ – ať už by šlo o radiogenní termální metamorfismus, či krátkodobý ohřev.

Měření nedotčených vzorků z Ryugu (4 zrnka) metodou hmotnostní spektrometrie sekundárních iontů v nanoměřítku (NanoSIMS) ukazuje, že objemové poměry izotopů vodíku a dusíku ve vzorcích z Ryugu jsou mezi hodnotami chondritů CI (typ Ivuna) a nerozpustných organických látek v chondritech CI. tyto výsledky naznačují, že organické látky ve vzorcích z Ryugu jsou chemicky a izotopicky podobné těm z chemicky primitivních uhlíkatých chondritů. Tento závěr se shoduje se výstupy získanými z analýzy prvkového složení, mineralogie a izotopického složení vzácných plynů vzorků z Ryugu.

3. Interakce mezi organickými látkami, minerály a vodou v mateřském tělese Ryugu pozorované v nanometrovém měřítku

Několik mikroskopických technik s vysokým prostorovým rozlišením jako skenovací transmisní rentgenová mikroskopie (STXM) s využitím synchrotronu, spektroskopie blízké struktury rentgenové absorpční hrany (XANES), skenovací transmisní elektronová mikroskopie (STEM) spojená se spektrometrií ztrát energie elektronu (EELS) a energeticky disperzní rentgenovou spektroskopii (EDS) bylo použito na nedotčené vzorky (celkem 12 zrnek). Distribuce funkčních skupin v organických látkách z Ryugu se lišila na submikrometrových rozměrech způsobm, které může souviset s morfologií. Oblasti s nanočásticemi a/nebo nanoglobulemi byly bohaté na aromatické organické látky, zatímco organické látky spojené s na hořčík bohatou fylosilikátovou matricí a uhličitany byly podobné meteoritickým nerozpustným organickým látkám, nebo se vyskytovaly jako rozptýlený uhlík. Tento rozptýlený uhlík někdy obsahoval molekuly uhličitanů.

Fylosilikáty a uhličitany pravděpodobně vznikaly vlivem účinků vody. Přítomnost organických látek spojených s těmito minerály naznačuje, že velká část organických látek byla pozměněna nízkoteplotním působením vody na mateřském tělese, ze kterého vznikla planetka Ryugu. Progresivní vodní změny způsobují:

• Zvýšení množství rozptýlených organických látek spojených s fylosilikáty prostřednictvím hydrolýzy původních makromolekulárních organických látek nebo interkalací a oxidací rozpustných molekul.
• Zvýšení podílu aromatických a kyslík obsahujících funkčních skupin v organických částicích a nanoglobulích prostřednictvím aromatizace a oxidace makromolekulárních organických látek.
• Zvýšení makromolekulární diverzity.

Výsledky získané pozorováním byly podobné u nedotčených zrnek z Ryugu a nerozpustných uhlíkatých zbytků z Ryugu. Ovšem molekuly uhličitanů nebyly v nerozpustných uhlíkatých zbytcích objeveny. Rozdíl naznačuje, že organické látky obsahující molekuly uhličitanů jsou náchylné vůči působení kyselin.

4. Místo, kde se poprvé vytvořily organické látky, bylo prostředím s nízkou teplotou ještě před vznikem mateřského tělesa Ryugu

V nedotčených vzorcích z Ryugu i v nerozpustných organických zbytcích bylo metodou hmotnostní spektrometrie sekundárních iontů v nanoměřítku (NanoSIMS) odhaleno extrémní obohacení či ochuzení deuteriem a/nebo dusíkem-15. Tyto izotopické rysy nejsou pozorovány v pozemských organických látkách a naznačují původ v extrémně chladném prostředí (s teplotou pod – 200 °C). Výsledky naznačují, že vzorky z Ryugu jsou mimozemského původu a alespoň některé organické látky jsou odvozeny z mezihvězdného média či předsluneční mlhoviny.

5. Vztah mezi planetkou Ryugu (typ-C), planetkami typu-D a kometami

Makromolekulární organické látky z planetky Ryugu (typ-C) byly porovnány s dalšími primitivními malými tělesy z časné Sluneční soustavy. Předpokládá se, že neseskupený uhlíkatý chondrit Tagish Lake C2 je příbuzný tmavým planetkám typu-D, které se nacházejí ve vnější části hlavního pásu planetek a mezi Jupiterovými trojány. Tagish Lake obsahuje organické a mineralogické rozdíly mezi různými litologiemi, které odrážejí různý stupeň alterace na stejném mateřském tělese. Distribuce obohacení vzorků z Ryugu deuteriem bylo v rozmezí chondritů typů CI (typ Ivuna), CM (typ Mighei) a Tagish Lake. Je třeba poznamenat, že rozložení obohacení deuteriem (D) bylo ve vzorku Ryugu rovnoměrné v rámci nejvíce alterované litologie, respektive nejméně alterované litologie chondritu Tagish Lake. Na druhou stranu distribuce δD v nerozpustných organických látkách z Ryugu byla výrazně nižší než v případě míně alterovaných chondritů, meziplanetárních prachových částic i antarktických mikrometeoritů, které pochází z komet. Konzistence v distribuci obohacení deuteiem a dusíkem-15 v nerozpustných organických látkách z Ryugu a vodou alterovaných primitivních uhlíkatých chondritů naznačuje, že organické látky z Ryugu zřejmě vznikly heterogenní působením vody, ke kterému došlo na planetkách typu C a D ze společného původního materiálu vytvořeného v nejranějších fázích sluneční mlhoviny.

Atomární poměr dusíku vůči uhlíku v nerozpustných uhlíkatých zbytcích ze vzorků z Ryugu je podobné chondritům typů CI (typ Ivuna) a CM (typ Mighei). Oproti tomu poměr dusíku vůči uhlíku u nerozpustných organických látek z Tagish Lake je lehce vyšší než v případě Ryugu. Kromě toho poměr dusíku vůči uhlíku v prachu z komety 81P/Wild 2, meziplanetárních prachových částicích a antarktických mikrometeoritech jsou výrazně vyšší než v případě Ryugu. Laboratorní experimenty ukazují, že poměr dusíku vůči uhlíku v meteorických nerozpustných organických látkách není výrazně ovlivňován reakcemi s vodou. Proto mohl být obsah dusíku v organické hmotě Ryugu pomoci stanovit tuto hodnotu v mezihvězdném molekulárním mračnu a sluneční mlhovině. Pozorované podobnosti a rozdíly mezi planetkou typu-C (Ryugu), planetkou typu-D a kometami naznačují kontinuitu zdrojového materiálu ve sluneční mlhovině.

6. Tmavé organické látky mají potenciál podílet se na vzniku obyvatelných planet

Bylo předpokládáno, že organické látky na planetkách a kometách mohly být dopraveny na mladou Zemi, kde pak posloužily jako základní stavební kameny života. Do dneška se pozornost při hledání kandidátů na stavební kameny života zaměřovala pouze na molekuly spojené s biologií – například aminokyseliny, cukry a nukleové báze v meteoritech. Tato studie však ukazuje, že tmavé, uhlí připomínající makromolekuly tvoří značnou část organických látek na uhlíkaté planetce Ryugu. Komplexní aromatické molekuly nejsou spojené se současnými „biomolekulami“, ale mohly být dopraveny na mladou Zemi a mohly zde dalšími chemickými reakcemi vytvořit první funkční organické látky. Ukázalo se, že v kyselině nerozpustné makromolekulární organické látky v chondritech CM (typ Mighei) uvolnily množství rozpustných organických molekul a redukčních těkavých látek při experimentech s hydratovanou pyrolýzou. Proto tato studie vede k novým hypotézám, že makromolekulární organické látky v uhlíkatých planetkách mohly hrát roli při vytváření inventáře organických látek, který byl dostupný pro vznik obyvatleného prostředí planety.

Přeloženo z:
https://global.jaxa.jp/

Zdroje obrázků:
https://pbs.twimg.com/media/Dgq1-LLV4AEqKn4.jpg:orig
https://global.jaxa.jp/press/2023/02/images/20230224-2_01.jpg
https://global.jaxa.jp/press/2023/02/images/20230224-2_02.jpg
https://global.jaxa.jp/press/2023/02/images/20230224-2_03.jpg
https://global.jaxa.jp/press/2023/02/images/20230224-2_04.jpg
https://global.jaxa.jp/press/2023/02/images/20230224-2_05.jpg
https://global.jaxa.jp/press/2023/02/images/20230224-2_06.jpg
https://global.jaxa.jp/press/2023/02/images/20230224-2_07.jpg
https://global.jaxa.jp/press/2023/02/images/20230224-2_08.jpg
https://global.jaxa.jp/press/2023/02/images/20230224-2_09.jpg