Ученые Лаборатории радиационной биологии Объединенного института ядерных исследований готовятся к проведению нового астробиологического эксперимента. Совместно со специалистами из Института медико-биологических проблем РАН (ИМБП РАН) астробиологи ОИЯИ изучат возможности для синтеза пребиотических соединений из смеси формамида и древних горных пород в условиях открытого космоса, в полете на биоспутнике «Бион-М» №2. Полученные в ходе эксперимента данные могут дать новые представления о возможных механизмах возникновения жизни на Земле и других планетах. Запуск космического аппарата запланирован на вторую половину 2024 года.

Одним из важных вопросов в проблеме происхождения жизни является вопрос возникновения первых пребиотических соединений — начальных «кирпичиков жизни», из которых впоследствии формировались первые клетки. Начиная с XIX века, опыты по изучению процессов формирования аминокислот, нуклеотидов и других биомолекул без участия живых организмов пытались осуществить многие химики. Первые научные достижения в области абиогенного синтеза получили американские ученые Стэнли Миллер и Гарольд Юри в 1950-е годы. Они впервые смогли продемонстрировать синтез аминокислот в результате пропускания электрического разряда через смесь газов — метана, аммиака, воды и водорода. Состав смеси был выбран в соответствии с представлениями того времени об атмосфере ранней Земли. Эксперимент показал, что органические молекулы, необходимые для возникновения жизни, могут быть синтезированы в неорганической среде под воздействием естественных процессов.

В настоящее время в мире проводится широкий спектр исследований в области синтеза органических соединений. С целью описания процессов пребиотической эволюции астробиологи активно изучают химический состав метеоритов и горных пород. Анализ их химического состава может позволить исследователям понять, какие химические реакции могли привести к образованию органики и какие условия были благоприятны для ее синтеза.

В 2013 году специалисты сектора астробиологии ЛРБ ОИЯИ совместно с коллегами из итальянских университетов «Sapienza» и Тосканского университета начали разрабатывать программу нового эксперимента по синтезу пребиотических соединений из формамида.

Формамид (амид муравьиной кислоты) — одно из простейших органических соединений, которое широко распространено как в межзвездной и межпланетной средах, так и на ранней Земле (4,6 – 4 млрд лет назад). Амид муравьиной кислоты состоит из минимального набора живого: углерод, водород, кислород, азот. В результате исследований было доказано, что при его нагревании возможно образование более сложных органических соединений. Для повышения интенсивности реакции синтеза ученые из ОИЯИ предложили использовать уникальный метод облучения протонами с энергией, сопоставимой с энергией частиц космических лучей.

«В ходе исследовательских работ мы облучали на Фазотроне Лаборатории ядерных проблем ОИЯИ смесь, состоящую из формамида и метеоритов, которые выступают в роли катализаторов реакции. В результате наблюдалось увеличение выхода продуктов распада и возрастала сложность получаемых соединений. В последующих экспериментах нам удалось получить нуклеотиды — соединения, состоящие из азотистых оснований, сахаров (рибозы или дезоксирибозы) и фосфатной группы. По причине того, что в формамиде отсутствует фосфор, в смесь добавлялась фосфатная группа для того, чтобы в результате получить фрагмент цепочки ДНК или РНК. Таким образом, мы выяснили, что радиация способна не только разрушать органические соединения, но и помогать синтезу более сложных соединений, на порядок эффективнее нежели при нагревании», — рассказал о проведенных опытах с формамидом научный сотрудник сектора астробиологии ЛРБ ОИЯИ Михаил Капралов.

В 2016-м году один из разработчиков космического аппарата «Бион-М», доктор медицинских наук Вячеслав Ильин предложил коллегам из Объединенного института продолжить исследования не на ускорителе, а непосредственно в космосе. С этого момента началась подготовка к новому этапу научной работы — астробиологическому эксперименту.

Макет космического аппарата «Бион-М» №2 на аэрошоу «МАКС-2021»

«Астробио» — это экзобиологический эксперимент, в ходе которого изучаются возможности для синтеза пребиотических соединений из смеси древних горных пород и формамида в условиях открытого космоса в полете на биоспутнике «Бион-М» №2. Его целью является получение новых данных о последовательности процессов, которые могут привести к образованию полноценной химически активной пребиотической системы. Участие в эксперименте принимают группа специалистов из Института медико-биологических проблем Российской академии наук во главе с заведующим лабораторией микробной экологии человека Вячеславом Ильиным и сектор астробиологии Лаборатории радиационной биологии ОИЯИ. По словам директора ИМБП РАН, академика Олега Орлова, запуск космического аппарата запланирован на сентябрь 2024 г.

Как отмечает Михаил Капралов, в рамках подготовки к эксперименту они изначально поместят в пробирки формамид и очищенные от органики четыре образца древних горных пород (2,7–2,9 млрд лет), которые будут выполнять роль катализаторов. Поскольку по воздуху распространяются различные органические соединения, в том числе ДНК и РНК, образцы материалов проходят предварительную пробоподготовку, состоящую из двух этапов. На этапе химической обработки используются серная кислота, хлороформ и метанол. При термической обработке материал подвергается нагреванию в печи до 600°C. По завершении подготовительных процедур, перед отправлением на испытательную площадку образцы будут упакованы в 15 пробирок объемом 0,2 мл.

В корпусе орбитальной лаборатории «Бион-М» №2 образцы разместят в специальный шлюз, который, по сравнению с другими отсеками биоспутника, будет подвергнут воздействию больших доз космического излучения. Этот аппарат предназначен для комплексного исследования комбинированного биологического действия повышенных уровней космической радиации и невесомости на организмы и их отдельные функциональные системы на клеточном и молекулярном уровнях. Он будет отправлен на высокоширотную орбиту на высоту 370–380 км, где время пребывания составит 30 суток. В течение этого периода образцы подвергнутся процессу экспонирования, при котором смесь формамида и древних горных пород будет подвержена радиационному и термическому воздействию в условиях, близких к открытому космосу. По окончании полета полученный биоматериал будет исследован в Лаборатории радиационной биологии с привлечением астробиологов, а также с использованием аналитического оборудования участников эксперимента.

Результаты анализа данных позволят выяснить, могут ли древние горные породы быть катализаторами в реакциях синтеза органики, как это было на ранней Земле, и способны ли образовываться в этих реакциях новые вещества. В случае успеха эксперимента ученые смогут определить условия, необходимые для образования первых сложных органических соединений, формировавшихся миллиарды лет назад. Благодаря этому исследованию мировое научное сообщество получит возможность описать новые механизмы пребиотической эволюции и развить представления о возникновении жизни.