RU EN CN ES
Исследования ученых помогут понять как во Вселенной зародилась жизнь

Исследования ученых помогут понять как во Вселенной зародилась жизнь

Самарский университет

Результаты работы представлены в журнале Nature Astronomy

Мебель Александр международное сотрудничество Наука Исследования Публикация НИЛ физики и химии горения студенту сотруднику партнеру абитуриенту
10.10.2018 2018-10-11
Ученые Самарского университета и университетов США предложили и экспериментально подтвердили новые фундаментальные химические механизмы синтеза полициклических ароматических углеводородов (ПАУ). Результаты этой работы представлены в статье, опубликованной 8 октября в научном журнале Nature Astronomy. Описанные процессы позволяют понять как формируются сложные молекулы, имеющие отношение к зарождению жизни во Вселенной. 
До сих пор в научном сообществе превалировало мнение о том, что в основе образования ПАУ лежат термические процессы, связанные исключительно со сжиганием и высокотемпературной переработкой органического сырья — нефтепродуктов, угля, древесины, мусора, пищи, табака. Однако ученые Самарского университета совместно с учеными Гавайского и национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли доказали, что химический синтез может происходить и при очень низких температурах, а именно при −183С.
Их внимание к этой теме привлекли, в том числе, результаты миссии NASA и Европейского Космического Агенства "Кассини-Гюйгенс" на самый большой спутник Сатурна — Титан. Во время космической миссии автоматической межпланетной станции в атмосфере Титана обнаружена молекула бензола. Это, в свою очередь, привело ученых к мысли, что за появление и рост оранжевого-коричневатых туманных слоев, которыми окружен этот спутник, отвечают как раз ПАУ. Тем не менее фундаментальные химические механизмы, ведущие к химическому синтезу ПАУ в атмосфере Титана при очень низких температурах, оставались не раскрытыми.
Ученые Самарского университета, исследующие механизмы образования ПАУ в рамках мегагранта "Разработка физически обоснованных моделей горения" под руководством профессора Международного университета Флориды (Майами, США), главного научного сотрудника Самарского университета Александра Мебеля, провели поиск механизмов образования ПАУ с использованием современных высокоточныхквантово-химических расчетных методов. На основе этих данных их коллеги из Гавайского университета и Национальной лаборатории им Лоуренса в Беркли провели лабораторные эксперименты, подтвердившие, что прототипы молекул ПАУ (антрацен и фенантрен) синтезируются в безбарьерных реакциях, которые проходят при низких температурах, характерных для атмосферы Титана. Антрацен и фенантрен, в свою очередь, являются исходными "кирпичиками" для бóльших молекул ПАУ, а также предшественниками более сложных химических соединений, которые были обнаружены в оранжево-коричневатых органических туманных слоях, окружающих спутник Сатурна.
"Экспериментальное обнаружение и теоретическое описание этих элементарных химических реакций меняет устоявшееся представление о том, что ПАУ могут формироваться и расти только при очень высоких температурах, например, в пламенах органических топлив в земных условиях, — делает вывод Александр Мебель. — А это значит, что наше открытие приводит к изменению существующих научных представлений о том, как ПАУ могут формироваться и расти".
"Традиционно модели синтеза ПАУ в богатых углеводородами атмосферах планет и их спутниках, таких как Титан, предполагали наличие высоких температур, — подчеркивает профессор Гавайского университета Ральф Кайзер. — Мы же нашли убедительные доказательства возможности низкотемпературных реакционных путей".
Понимание механизма роста ПАУ при низких температурах позволят ученым понять как во Вселенной могут формироваться сложные органические молекулы, имеющие отношение к происхождению жизни. "Молекулы аналогичные маленьким ПАУ, но содержащие атомы азота, являются ключевыми составляющими рибонукелиновых кислот (РНК, ДНК) и некоторых аминокислот, то есть составляющих белков, — отмечает Александр Мебель. — Поэтому механизм роста ПАУ может быть связан с химической эволюцией во Вселенной, ведущей к происхождению жизни".
Более того, изучение атмосферы Титана помогает разобраться в сложных химических процессах, происходящих не только на Земле, но и на других спутниках и планетах. "Используя новые данные, ученые могут лучше понять как зарождалась жизнь на Земле в то время, когда в ее атмосфере был более распространен азот, как сейчас на Титане", — отметил ученый Национальной лаборатории им Лоуренса в Беркли Мусахид Ахмед.
Что касается прикладного значения представленной работы, то понимание механизма роста ПАУ в пламенах позволит ученым Самарского университета предложить инженерам механизмы по снижению выброса этих канцерогенных веществ в выхлопах двигателей различного типа. А это и есть одна из основных целей мегагранта, реализуемого университетом.

Полициклические ароматические углеводороды — это органические соединения, в химической структуре которые два и более конденсированных бензольных кольца. В природе ПАУ образуются в процессе пиролиза целлюлозы и встречаются в пластах каменного, бурого угля и антрацита, а также как продукт неполного сгорания при лесных пожарах. Многие ПАУ являются сильными канцерогенами. Основными источниками эмиссии техногенных ПАУ в окружающую среду являются предприятия энергетического комплекса, автомобильный транспорт, химическая и нефтеперерабатывающая промышленность.
Мегагрант "Разработка физически обоснованных моделей горения" реализуется Самарским университетом с 2016 г. в рамках поддержки научных исследований правительством РФ. Для реализации мегагранта в вузе создана международная научная лаборатория "Физика и химия горения" под руководством профессора Международного университета Флориды Александра Мебеля. Проект направлен на решение злободневной проблемы — предотвращение загрязнения окружающей среды. Результаты исследований, проводимых учеными Самарского университета в тесной кооперации как с международными, так и с российскими научными центрами будут способствовать созданию более экологичных и эффективных камер сгорания газотурбинных двигателей.