В спектре молекулярного облака недалеко от центра нашей Галактики нашли ряд нитрилов — органических соединений, считающихся молекулярными предшественниками рибонуклеотидов, строительных блоков РНК. Среди находок — цианоаллен, цианопропин и другие соединения, которых раньше в этом облаке не замечали. Нитрилы являются самым широко представленным семейством органических химических соединений в межзвёздном пространстве. Это подтверждает теорию «мира РНК» о раннем этапе происхождения жизни на Земле и, возможно, указывает на механизмы зарождения жизни в других местах Галактики.
Одна из популярных теорий происхождения жизни, или модель «мира РНК», предполагает, что на ранних стадиях биогенеза ансамбли молекул РНК отвечали как за хранение генетической информации, так и за катализацию биохимических реакций. Теперь эти функции выполняют ДНК и соответствующие белки, но они появились значительно позже. Для возникновения РНК необходимы молекулы-предшественники — органические вещества более простого строения, выступающие «строительными блоками». В качестве одного из таких важных предшественников учёные исследуют нитрилы. Это класс органических соединений, многие из которых в бытовых условиях токсичны. Нитрилы — собирательное название для органических молекул с функциональной группой C ≡ N. На то, что они необходимы для формирования РНК, указывают «пребиотические эксперименты» (попытки «синтезировать жизнь» или хотя бы её существенные компоненты в лаборатории с воссозданием соответствующих климатических условий на ранней Земле и использованием разнообразных строительных блоков из органических молекул). Нитрилы и другие компоненты не обязательно должны синтезироваться непосредственно на Земле. Теория «мира РНК» допускает, что они могут заноситься на Землю метеоритами, поэтому для проверки такой гипотезы прежде всего нужно искать источники органических соединений в межзвёздном пространстве.
Теперь нужно найти в космосе места, откуда нитрилы хотя бы в принципе могли бы достигать Земли. Основными кандидатами выступают молекулярные облака — плотные и холодные области межзвёздной среды. Там сравнительно высока плотность вещества, но температура умеренная: сложные молекулы имеют шансы выжить, не распадаясь на атомы и не ионизируясь. Пример такого объекта— молекулярное облако с обозначением G+0.693-0.027. Его размер 3 световых года, а масса — 1000 масс Солнца. Оно имеет температуру около 100 К и находится вблизи центра Млечного Пути. В нашу эпоху в нём нет признаков активного звёздообразования, но не исключено, что в будущем оно станет областью рождения звёзд, как многие ближние молекулярные облака. Например, такие, как облако Ориона, благодаря которому мы имеем возможность наблюдать звёзды в одноимённом астеризме — одной из самых характерных фигур на ночном небе.
По химическому составу облако G+0.693-0.027 похоже на аналогичные области в Галактике, в том числе на регионы звёздообразования, а также — на объекты Солнечной системы, в частности, кометы. А значит, изучение его может указать на молекулярные ингредиенты, которые присутствовали и в той туманности, из которой затем развилась Солнечная система. О находках органики в этом космическом объекте можно прочитать в статье, вышедшей в июле 2022 года во Frontiers in Astronomy and Space Sciences.
Для исследования спектра излучения молекулярного облака использовались радиотелескопы миллиметрового диапазона: 30-метровый телескоп IRAM и 40-метровый Yebes в Испании. Напомним, что для обнаружения сложных молекул в космическом пространстве необходимы именно инструменты радиодиапазона: в него попадают характерные колебательные частоты молекул. Элементный состав космических объектов, то есть присутствие конкретных атомов, изучают с использованием видимого и ультрафиолетового спектра (этим занимается в частности Hubble) — в этой области находятся атомные частоты, то есть излучение при переходе электрона между энергетическими уровнями атома. Простые молекулы типа воды H2O имеют частоты молекулярных колебаний в ближней инфракрасной области. Здесь включаются движения другого рода: колебания атомов в молекуле, которую можно наивно представить как набор «шариков» (атомы), соединённых «пружинками» (молекулярные связи). Такие связи ощутимо слабее, чем связь электронов внутри атома, поэтому соответствующие частоты меньше, а длины волн излучения — больше. Чем сложнее молекулы, тем меньше характерные частоты молекулярных колебаний, которые необходимо выявить для однозначной идентификации соединения, поэтому для поисков сложной органики как раз необходимы радиочастоты и миллиметровый диапазон за дальней инфракрасной областью. Так, характерные частоты колебаний нитриловых молекул лежат в диапазоне 50—200 ГГц, что соответствует длинам волн примерно 1—6 мм, на которых работают две упомянутые радиообсерватории.
В молекулярном облаке G+0.693 впервые обнаружили вещества класса нитрилов — цианоаллен (CH2CCHCN), пропаргилцианид (HCCCH2CN) и цианопропин (C4H3N). Раньше их удавалось найти в межзвёздном пространстве в молекулярном облаке с очень непохожим строением, а именно в ближайшем к нам тёмном молекулярном облаке Тельца TMC-1 (в отличие от G+0.693-0.027, это область активного звёздообразования не так далеко от Солнечной системы; на небе облако TMC-1 находится в созвездиях Тельца и Возничего). Также, возможно, в молекулярном облаке присутствуют цианоформальдегид (HCOCN) и гликолонитрил (HOCH2CN). Цианоформальдегид впервые тоже нашли в других облаках — том же облаке Тельца TMC-1 и Sgr B2 (это молекулярное облако, как следует из названия, также относится к объектам, расположенным вблизи центра Галактики), а гликолонитрил — в солнцеподобной звезде IRAS16293-2422 B в созвездии Змееносца. Другие исследования обнаружили в этом же облаке и другие молекулы — предшественники РНК, в частности гликольальдегид (HCOCH2OH), карбамид (мочевину) NH2CONH2, гидроксиламин (NH2OH) и этендиол-1,2 (C2H4O2). Таким образом, межзвёздное пространство с подходящими условиями может быть средой, в которой присутствуют основные химические соединения для возникновения «мира РНК».
Итак, основной результат наблюдений последних лет заключается в том, что нитрилы — одна из самых распространённых групп химических веществ в космических окрестностях. Их находят в молекулярных облаках, протозвёздах разных масс, метеоритах и кометах, также их обнаружили в атмосфере спутника Сатурна Титана. В космосе к настоящему времени обнаружили несколько видов простых органических молекул — предшественников (веществ-прекурсоров) рибонуклеотидов, которые являются строительными блоками РНК. Но для составления полного набора «ингредиентов жизни» в космосе ещё не хватает открытия некоторых важных молекул, которые обнаружить труднее. Например, для возникновения жизни на Земле необходимы другие классы соединений, в частности, липиды, которые отвечали за образование первых клеток. Поэтому сейчас важно понять, как липиды могут формироваться из более простых молекул-предшественников, в том числе уже обнаруженных в космосе.