Wetenschap
Onderzoekers werpen licht op hoe een belangrijk ingrediënt voor leven zich in de ruimte kan vormen
Een team onder leiding van scheikundigen van de Universiteit van Maryland ontdekte een nieuwe manier om carbenen te maken, een klasse van zeer reactieve maar notoir kortlevende en onstabiele moleculen. Carbenen zijn betrokken bij veel hoogenergetische chemische reacties, zoals de aanmaak van koolhydraten, en zijn cruciale voorlopers van de bouwstenen van het leven op aarde – en mogelijk ook in de ruimte.
De wetenschappers hebben met succes een carbeen gevormd dat hydroxymethyleen (HCOH) wordt genoemd door methanol (een veel voorkomende alcohol die voorkomt in veel industriële chemicaliën zoals formaldehyde) af te breken met pulsen van ultraviolette straling. De resultaten werden op 14 mei 2024 gepubliceerd in een artikel in het Journal of the American Chemical Society .
"Het is verrassend om te zien dat dit carbeen afkomstig is van zo'n alledaags molecuul als methanol. We hebben er overal spuitflesjes van in laboratoria", zegt Leah Dodson, assistent-professor scheikunde en biochemie aan de UMD en senior auteur van het artikel.
"UV-lasers met een golflengte van 193 nanometer zijn ook redelijk standaard. Dit betekent dat carbenen zich op natuurlijke wijze kunnen vormen op plaatsen zoals de ruimte, waar veel methanol en ultraviolette straling aanwezig is. En verdere reacties van carbenen die door dit proces in de ruimte worden gevormd, kunnen leiden tot biomoleculen waaruit het leven bestaat."
De bevindingen van het artikel onthullen aanwijzingen over de mechanismen achter de vorming en reactie van carbeen op aarde, wat leidt tot een beter begrip van het potentieel van het molecuul om suikers te creëren die nodig zijn voor het leven.
"Er is vastgesteld onderzoek dat suggereert dat HCOH kan reageren en eenvoudige suikers kan vormen, waaronder enkele die eerder in de ruimte zijn gedetecteerd", zegt Emily Hockey, hoofdauteur van het onderzoek. "We denken dat het mogelijk is dat dit carbeen, omdat het afkomstig is van een molecuul dat zo alomtegenwoordig is in de ruimte en overal kan worden gedetecteerd, het ontbrekende stuk is dat de hiaten overbrugt in onze kennis over hoe methanol en eenvoudige suikers kunnen leiden tot grotere, geavanceerdere biomoleculen. "
Vanwege hun superreactiviteit hebben carbeenmoleculen doorgaans een zeer korte levensduur. Deze kenmerken maken het voor wetenschappers over het algemeen moeilijk om carbenen te genereren en te observeren, wat een beperkt diepgaand begrip van het molecuul oplevert. Maar dankzij de nieuwe methode van het UMD-team om carbenen te produceren, konden ze de moleculen nauwkeurig genoeg bestuderen om hun vorming en verval over een tijdschaal van milliseconden te zien. De onderzoekers waren verrast toen ze ontdekten dat HCOH bij kamertemperatuur relatief langzaam reageerde met zuurstof.
"Toen we naar de reactiviteit van HCOH in ons kamertemperatuursysteem keken, zagen we dat het binnen 15 milliseconden verviel", legt Hockey uit. "Wat interessant is, is dat, omdat men denkt dat carbenen een superreactieve soort zijn, het redelijk is om aan te nemen dat dit carbeen zo snel zou reageren op zoiets als zuurstof dat het onmogelijk is om het op te vangen. Maar dat is niet wat er gebeurde. Hoewel het carbeen sneller verviel en sneller bij blootstelling aan zuurstof, het was langzaam genoeg dat we dat verval nog steeds konden waarnemen."
De onderzoekers geloven dat hun methode voor het produceren en bestuderen van carbenen astronomen en astrochemici zal helpen nieuwe inzichten te verwerven in de oorsprong van het leven en hoe het leven in de ruimte zich anders kan hebben ontwikkeld dan het leven op aarde. Ze hopen voort te bouwen op hun bevindingen door beter te kijken naar wat er gebeurt tijdens de afbraak van methanol en door de verschillende producten te kwantificeren die ontstaan door de reactie van methanol op UV-licht.
"We weten dat carbenen zoals HCOH worden gevormd tijdens ons proces, maar we willen graag dieper ingaan op het percentage ervan dat bijvoorbeeld als formaldehyde, methyleen of andere koolwaterstofradicalen terechtkomt", legt Hockey uit. "We dachten oorspronkelijk dat alle producten methoxyradicalen zouden zijn, maar onze experimenten laten zien dat het proces en de resulterende producten ingewikkelder zijn dan onze oorspronkelijke aannames."
Het kennen van de soorten en de hoeveelheid producten die ontstaan door het afbreken van methanol met UV-straling zou astronomen en astrochemici een nauwkeuriger beeld geven van astrofysische objecten en hoe deze zich in de loop van miljarden jaren hebben ontwikkeld.
"Als de bestaande gegevens over wat er wordt geproduceerd door fotodissociatie van methanol verkeerd zijn, zullen de modellen die worden gepropageerd ook onjuist zijn - en ons begrip van hoe het leven uit deze moleculen is geëvolueerd, zou ook in gevaar kunnen komen," zei Dodson. "Ons vervolgwerk zal hopelijk de basis leggen voor dit soort simulaties."