NA
UK
A
KR
Ó
TK
O
SZK
OŁA
Wprowadzenie
Ziemia nie zawsze była tętniącą życiem planetą, cia-łem niebieskim będącym domem dla zdumiewającej liczby organizmów. Gdy powstawała, była kulą gazów o bardzo wysokiej temperaturze. Ochładzała się przez miliony lat, aż wreszcie osiągnęła temperaturę, w której woda przestała być parą i utworzyła praocean. Dopiero wtedy mogło zacząć powstawać na niej życie. Istnieją różne teorie próbujące wytłumaczyć, jak to się odby-ło. Jednego z możliwych wyjaśnień dostarcza hipoteza panspermii, o której wspominał już Anaksagoras pięć wieków przed początkiem naszej ery, a której formę współczesną nadał Svante Arrhenius (1908). Zakłada ona, że pierwsze organizmy znalazły się na Ziemi wsku-tek przeniesienia z Kosmosu (np. w formie przetrwalni-ków bakterii). Hipoteza ta nie wyjaśnia jednak samego powstania życia, a jedynie sugeruje możliwość, w jaki powstałe już gdzie indziej organizmy mogły znaleźć się na naszej planecie.
Choć nadal wiele pozostaje do wyjaśnienia, nauka przeszła długą drogę, próbując rozwikłać tajemnicę, jak rozpoczął się proces formowania życia na Ziemi. To, co dziś wydaje nam się oczywiste, kiedyś stanowiło nie lada zagadkę. Przykładowo, dopiero w XIX wieku wykazano, że substancje organiczne można otrzymać na drodze syntezy z substancji nieorganicznych (Woehler, 1828). W tym czasie panowała też wywodząca się ze starożytności teoria samorództwa, czyli tworzenia się organizmów (również i tych złożonych, jak np. myszy) w sposób samoistny. Ostatecznie obalił ją dopiero Pasteur (1864) dowodząc, że nawet mikroorganizmy nie powstają samoistnie, a przenoszone są z kurzem i jeśli użyje się naczyń zapobiegających dostaniu się ich do bulionu, ten pozostaje klarowny, a nie zmętnieje, jak w przypadku naczynia, które pozostanie otwarte. Kolejnym krokiem było przyjęcie poglądu, że życie otrzymano: 5.02.2015; przyjęto: 28.06.2015; opublikowano: 30.09.2015
nie powstało od razu we wszystkich jego formach. W pracy Karola Darwina „O powstawaniu gatunków drogą doboru naturalnego, czyli o utrzymaniu się doskonalszych ras w walce o byt” (1859) można przeczytać: „Prawdopodobnie wszystkie formy życia organicznego, jakie kiedykolwiek istniały na tej Ziemi, pochodzą od pierwotnej formy, w którą po raz pierwszy tchnięto życie (…). Jest coś wspaniałego w takiej wizji życia, (…) albowiem podczas gdy ta planeta krążyła zgodnie z niezmiennym prawem grawitacji, z tak prostych początków rozwinęły się nieskończone formy, najpiękniejsze i najcudowniejsze, i dalej się rozwijają”. Zanim jednak mogło do tego dojść, te pierwotne formy również musiały jakoś powstać, ewoluować z form prostszych. Obecnie wśród naukowców najpowszechniejszy jest pogląd, że życie powstało samorzutnie w procesie ewolucji – najpierw chemicznej, a następnie biologicznej (np. Paleos, 2015).
Ewolucja chemiczna
Ewolucja (łac. evolutio – rozwinięcie, rozwój) to ter-min określający proces zmian, które zachodzą w cza-sie. Ewolucja chemiczna to formowanie się złożonych cząsteczek z prostszych
lub z samych atomów, choć np. dla astrono-mów termin ten może oznaczać cykl przemian pierwiastków zachodzą-cy we wnętrzach gwiazd. Cząsteczki te tworzą ma-krocząsteczki oraz
samo-replikujące się większe
systemy, aby następnie
przejść do stadium ewolucji biologicznej, czyli tworze-nia się pierwszych zdolnych do reprodukcji
i przekazy-Między biologią a astrofizyką
– ewolucja chemiczna, cyjanopoliyny
i dicyjanopoliyny
Urszula Szczepaniak
Urszula Szczepaniak: Zespół Astrochemii Laboratoryjnej,
Zakład Fotochemii i Spektroskopii, Instytut Chemii Fizycz-nej PAN; Institut des Sciences Moléculaires d’Orsay (ISMO), CNRS, Univ. Paris-Sud, Université Paris-Saclay, F-91405 Orsay (France)
Streszczenie:
Wciąż nie wiadomo, jak powstało życie na Ziemi. Teorie, które próbują to wyjaśnić muszą brać pod uwagę nie tylko proces formowania się organizmów z dostępnych makro-molekuł, takich jak aminokwasy czy zasady purynowe i pirymidynowe, lecz także tworzenie dużych i złożonych cząsteczek organicznych z cząsteczek prostychi niewielkich, czyli ewolucję chemiczną. Mogła ona zachodzić zarówno na młodej Ziemi, jak i w przestrzeni kosmicznej, skąd dopiero później prebiotyczne cząsteczki zostały przeniesione na po-wierzchnię naszej planety. Badanie wydłużania łańcuchów cyjanopoliynów oraz dicyjanopoliynów – potencjalnie pre-biotycznych cząsteczek wykrytych w przestrzeni między-gwiazdowej – pozwala przyjrzeć się jednemu z możliwych etapów chemicznej ewolucji. Cząsteczki te są przedmiotem zainteresowania współczesnej astrofizyki i astrochemii.
Słowa kluczowe: cyjanopoliyny, dicyjanopoliyny, materia
międzygwiazdowa, ewolucja chemiczna
zgodność z PP – zob. s. 27
Samoreplikujący się
– zdolny do wytworzenia własnej kopii z ogólnie dostępnych materiałów Zainteresowani mogą sięgnąć do prac Oparina (np. Oparin i Gladilin, 1980) oraz Foxa (np. Fox, 1973), które dotyczą odpowiednio koacerwatów oraz minisfer – przykłado-wych samoreplikujących się systemów.
NA
UK
A
KR
Ó
TK
O
SZK
OŁA
wania materiału genetycznego organizmów. W dalszej kolejności następuje wyodrębnianie się i specjalizowa-nie gatunków.
Oprócz tego, jak materia nieożywiona przekształ-ciła się w żyjące struktury, równie ważne jest, jak ato-my i proste cząsteczki nieorganiczne ewoluowały do złożonych cząsteczek organicznych – podstawowego budulca komórek – oraz skąd wzięły się one na Ziemi. Czy zostały przeniesione spoza naszej planety? Czy powstały tutaj? Niezależnie od tego, która z teorii jest prawdziwa, we wszystkich, które są obecnie rozważane, ewolucja cząsteczek małych w cząsteczki większe jest jednym z pierwszych etapów tworzenia się organizmów żywych. Możliwości zachodzenia takich procesów na naszym globie stanowią oddzielny przedmiot badań.
Naukowcy potrafią określić przybliżony skład at-mosfery Ziemi we wczesnych stadiach jej formowa-nia. Wiedza ta pozwala odtworzyć podobne warunki w laboratoriach. Wiemy, że w pierwotnej, redukcyjnej atmosferze nie było tlenu (a więc i ochronnej warstwy ozonowej), który utleniałby powstające cząsteczki orga-niczne. Obecne zaś prawdopodobnie były: wodór, para wodna, metan, amoniak oraz – w mniejszych ilościach – inne związki wodoru, azotu, węgla, tlenu, a także siar-ki, jak również gazy szlachetne (Zahnle i wsp., 2010). Atmosfera była bombardowana promieniowaniem ul-trafioletowym, a także poddawana gwałtownym i czę-stym wyładowaniom elektrycznym, które mogły słu-żyć za źródło energii do syntezy biologicznie ważnych cząsteczek. Podobne warunki próbowano wielokrotnie odtworzyć, począwszy od klasycznego eksperymentu Millera-Ureya (Miller i Urey, 1959). Eksperyment ten w dużym uproszczeniu polegał na symulowaniu wczes-nej atmosfery poprzez poddawanie mieszaniny pary wodnej, metanu, amoniaku i wodoru wyładowaniom elektrycznym. Wskutek takiej procedury zaobserwowa-no powstawanie m.in. 13 (a w innych wariantach
ekspe-rymentu, np. z użyciem innego źródła azotu czy węgla, nawet i więcej) spośród 20 aminokwasów budujących białka w organizmach żywych, a także zasad puryno-wych i pirymidynopuryno-wych (te jednak w pierwszych ekspe-rymentach okazały się niestabilne). Głównym produk-tem otrzymanym w eksperymencie Millera-Ureya był kwas mrówkowy, a po nim – najprostszy aminokwas – glicyna. Dalsze badania, w zależności od wyboru składu mieszaniny symulującej pierwotną atmo- i hy-drosferę, doprowadziły do powstawania aminokwasów i cukrów, a nawet nukleotydów. Innym wariantem było zastąpienie w układzie eksperymentalnym wyładowań elektrycznych promieniowaniem UV. W każdym przy-padku wyniki były zbliżone do oryginalnego doświad-czenia, a czasami dostarczały również innych, bardziej złożonych produktów.
Pomimo wielkiej wagi uzyskanych w eksperymen-cie wyników, trzeba jednak wziąć pod uwagę również jego krytykę – aminokwasy w organizmach żywych to w zdecydowanej większości aminokwasy lewoskrętne (L), a około połowa otrzymanych aminokwasów była prawoskrętna. Jednakże, całkiem prawdopodobne jest, że przewaga formy L ukształtowała się dopiero później, w wyniku ewolucji, w związku z innymi właściwościa-mi izomerów optycznych np. w kontakcie z prowłaściwościa-mie- promie-niowaniem UV. Ponadto, należy pamiętać, że skład pierwotnej atmosfery nie jest jednoznacznie określony, w związku z czym nie można traktować tego ekspery-mentu jako odtworzenia warunków panujących na Zie-mi w którymkolwiek z okresów biogenezy – pozwala on jednak dostrzec możliwości, w jaki sposób kluczowe dla życia cząsteczki mogły powstać na powierzchni naszej planety.
Z drugiej strony, formowanie się tego typu cząste-czek mogło zachodzić – i prawdopodobnie zachodzi-ło – w przestrzeni międzygwiazdowej, skąd później zostały dostarczone na powierzchnię naszej planety.
Jedna z teorii zakłada, że cząsteczki organiczne po-wstały w przestrzeni kosmicznej i dostały się na Zie-mię na powierzchni komet, meteorów czy pyłu Zie- mię-dzygwiazdowego, a nawet mogły zostać przeniesione przez promieniowanie (Arrhenius, 1908). Powierzchnie wspomnianych obiektów (komety, meteory, pył mię-dzygwiazdowy) mogły stanowić miejsce łączenia się atomów w cząsteczki oraz cząsteczek małych w czą-steczki większe i bardziej skomplikowane. Istnieje wiele eksperymentów proponujących mechanizmy zachodze-nia tych procesów.
Cyjanopoliyny i dicyjanopoliyny
Jednym z przykładów tworzenia w przestrzeni mię-dzygwiazdowej długich łańcuchów na bazie atomów węgla może być powiększanie się łańcucha w szeregu homologicznym cyjanopoliynów (cyjanopoliacetyle-nów, HC2n+1N) czy dicyjanopoliynów (dicyjanopoliace-tylenów, C2nN2). Związki te uważa się za prebiotyczne – czyli mogące prowadzić do powstawania cząsteczek istotnych dla rozwoju życia. Przedstawiciele jednego i drugiego szeregu należą do grupy cząsteczek wykry-tych w przestrzeni międzygwiazdowej, a więc należą-cych do jednych z najczęściej spotykanych we Wszech-świecie związków chemicznych.
Cząsteczki o stwierdzonym już lub dopiero postu-lowanym znaczeniu dla astrochemii są wytwarzane i badane w laboratoriach, a dane na ich temat mogą słu-żyć m.in. do identyfikacji nowych indywiduów w prze-strzeni kosmicznej lub zasugerowaniu, jakie cząsteczki mogą tam powstawać. Ponadto, dane pochodzące z ob-serwacji astronomicznych to często dane dotyczące ro-tacyjnych poziomów energetycznych i dopiero pomiary w ziemskich laboratoriach dostarczają informacji o roz-kładzie poziomów energetycznych odpowiadających in-nym zakresom spektralin-nym. Przykładowo, cząsteczka
NA
UK
A
KR
Ó
TK
O
SZK
OŁA
może być zidentyfikowana w widmie astronomicznym na podstawie obliczeń kwantowochemicznych przewi-dujących z dużą dokładnością rozkład jej poziomów energii rotacyjnej. Wytworzenie takiej cząsteczki w la-boratorium pozwala na zbadanie jej właściwości w za-kresie światła widzialnego (odpowiadającego różnym poziomom energii elektronowej), dzięki czemu można jej przypisać linie spektralne w widmie emisyjnym (zob. dodatek na końcu arty-kułu) zarejestrowanym dla międzygwiazdowe-go obłoku gazowemiędzygwiazdowe-go. Inny przykład to ba-danie cząsteczek, które są niewykrywalne przy użyciu konkretnej tech-niki (np. spektroskopii
rotacyjnej –
podstawo-wej techniki detekcji indywiduów chemicznych w przestrzeni międzygwiaz-dowej), a prawdopodobnie znajdują się w przestrzeni kosmicznej. Cząsteczki takie bada się na Ziemi i uzy-skane dane porównuje z danymi astronomicznymi za-rejestrowanymi z użyciem mniej standardowych tech-nik detekcji.
Najdłuższą cząsteczką z grupy cyjanopoliynów i dicyjanpoliynów, której obecność w przestrzeni mię-dzygwiazdowej została potwierdzona, jest HC11N (Bell i wsp., 1982; Bell i wsp., 1997). Dzięki wykorzystaniu technik pozwalających na tworzenie i analizę takich cząsteczek np. w matrycach z zestalonego gazu szla-chetnego, naukowcom udało się pokazać, że dłuższe łańcuchy mogą powstawać na drodze przyłączania rozpowszechnionych w Kosmosie molekuł, jak np. ace-tylen czy diacenp. ace-tylen, do krótkich łańcuchów, których istnienie w przestrzeni kosmicznej również potwier- dzono.
Co istotne, cząsteczki te w znakomitej większości nie występują naturalnie na Ziemi. Dlatego też aby poddać je badaniom, trzeba najpierw znaleźć metodę ich two-rzenia w ziemskich laboratoriach. Przykładowa metoda wytwarzania opartych na węglu łańcuchów zakończo-nych z jednej strony grupą –CN, a z drugiej wodorem, lub zakończonych po obu stronach grupami –CN, to tzw. technika matrycowa. Polega ona na przygotowaniu mieszaniny z odpowiednio wybranych prekursorów oraz gazu szlachetnego,
następnie jej wymroże-niu i naświetlewymroże-niu pro-mieniowaniem ultra-fioletowym. Cząsteczki prekursorów stanowią w rzeczywistości jedy-nie domieszkę – jest ich 500–1000 (a nawet więcej) razy mniej niż dodawanego gazu. Mie-szanina jest wymrażana na okienku
depozycyj-nym i tworzy na nim
tzw. matrycę. Okienko wykonane jest z mate-riału przezroczystego w zakresie promienio-wania, jakiego używa
się do badania tak powstałych matryc – w przypadku opisywanych tu eksperymentów, jest to promieniowa-nie ultrafioletowe, widzialne i podczerwone. Taką samą przepuszczalność dla promieniowania jak okienko ma używany gaz szlachetny (choć może to być również azot, parawodór albo inny gaz o pożądanych właś-ciwościach). Następnie, matrycę naświetla się pro-mieniowaniem ultrafioletowym, np. z lasera lub lamp wyładowczych, które dostarcza energii do rozerwania
istniejących w prekursorach wiązań i utworzenia
re-aktywnych indywiduów. Po niewielkim podniesieniu
temperatury, o ok. 10-20°C, matryca staje się nieco bardziej „miękka”, co pozwala na migrację uwięzio-nych w niej cząsteczek (czyli prekursorów, które zosta-ły poddane działaniu
promieniowania) i ich reagowanie ze sobą. Temperatura wymra-żania takich matryc nie przekracza -200°C, więc
tworzenie się większych molekuł nosi nazwę stymulo-wanej ultrafioletem (jako że źródłem energii do prze-prowadzenia reakcji jest promieniowanie ultrafioleto-we) syntezy kriogenicznej. Technika matrycowa ma tę przewagę nad innymi technikami, że dzięki bardzo du-żemu nadmiarowi gazu matrycowego badane cząsteczki (np. właśnie cyjanopoliyny i dicyjanopoliyny) są odse-parowane – w matrycy powstaje ich wiele, jednak każda znajduje się we własnej „klatce”, oddzielona od innych kilkoma warstwami atomów/cząsteczek matrycy. Dzię-ki temu otrzymywane dane spektroskopowe dotyczą cząsteczek danego związku, a nie ich kompleksów czy roztworów. Trzeba pamiętać, że przestrzeń kosmiczna jest obszarem o bardzo małej gęstości i cząsteczki tam obecne nie spotykają na swojej drodze innych molekuł niekiedy przez setki, tysiące, a nawet i dziesiątki tysięcy lat – opisana tu technika jest więc najlepszym obecnie osiągalnym przybliżeniem takich warunków.
Technika matrycowa była z sukcesem stosowana do wytwarzania takich cyjanopoliynów jak HC5N czy HC7N. HC5N wykryto w zestalonym argonie domiesz-kowanym mieszaniną HC3N/C2H2 (Coupeaud i wsp., 2006), jak również w zestalonych: argonie, kryptonie oraz azocie zawierających jedynie HC3N (Crépin i wsp., 2011). Te ostatnie eksperymenty doprowadziły rów-nież do formowania się innych cząsteczek o znaczeniu
Spektroskopia rotacyjna
– dziedzina pozwalająca na badanie przejść między pozioma-mi energii rotacyjnej (obrotowej) cząsteczki, podstawa identyfikacji substancji obecnych w przestrzeni kosmicznej, wykorzystuje widma w zakresie mikrofal. Aby cząstecz-ka była widoczna w tym zakresie, musi mieć moment dipolowy, czyli niesymetryczny rozkład ładunków.
Prekursor – cząsteczka
wyj-ściowa, obecna na początku reakcji, przetwarzająca się w jej toku w inną substancję.
Okienko depozycyjne –
płytka (najczęściej kryształ, np. z jodku cezu), trzymana w bardzo niskiej temperaturze, rzędu -250°C, na którą kieruje się mieszaninę gazów i na której w miarę zamarzania kolejnych warstw mieszaniny tworzy się matryca.
Parawodór – jedna z odmian
spinowych wodoru, w której spiny są niesparowane (w prze-ciwieństwie do orto-wodoru, w którym są one skierowane zgodnie).
Reaktywne indywidua
– w tym wypadku mogą to być jony, rodniki, a także wysoko- energetyczne izomery danego związku.
NA
UK
A
KR
Ó
TK
O
SZK
OŁA
DODATEK
Podstawą spektroskopii jest oddziaływanie pro-mieniowania elektromagnetycznego z materią. Próbka może pochłaniać część padającego na nią promienio-wania absorbując fotony – jeśli te spełniają odpowied-nie warunki określone przez tzw. reguły wyboru. Jeżeli energia padającego fotonu spełnia te warunki, wzbudza on cząsteczkę do stanu o wyższej energii elektronowej, z którego następuje np. emisja w postaci fluorescencji lub fosforescencji. Schematycznie pokazuje to rys. 1 – na próbkę pada promieniowanie o wysokiej energii (najczęściej używa się do tego typu doświadczeń pro-mieniowania z zakresu ultrafioletu, stąd też fioletowa strzałka na schemacie). Próbka po jakimś czasie emi-tuje promieniowanie (w różnych kierunkach) w innym zakresie, o nieco niższej energii, zazwyczaj z zakresu widzialnego (stąd biała strzałka na schemacie). Docie-ra ono do detektoDocie-ra i poddawane jest analizie. Mówi-my wtedy o widmie emisyjnym. Możliwe jest również naświetlanie próbki różnymi zakresami promieniowa-nia, aby zbadać, które z nich powodują emisję – wtedy otrzymuje się sygnał w zależności od długości fali pada-jącej – mówimy o widmie wzbudzenia.
dla astrochemii, tj. dinitryli: C2N2, C4N2, C6N2. Z kolei HC7N został ostatnio odkryty w zestalonym argonie domieszkowanym HC5N i C2H2 (Couturier-Tamburelli i wsp., 2014). Większość tych związków, podobnie jak cząsteczki HC9N i C10N2, jest niestabilna w typowych warunkach laboratoryjnych. Te ostatnie zostały jak do-tąd wytworzone na Ziemi na kilka różnych sposobów, ale za każdym razem w roztworach (Cataldo, 2006; For-te i wsp., 2013; Kroto i wsp., 1987; Wakabayashi i wsp.,
2012). Przykładowo, Wa-kabayashi ze współpra-cownikami (2012) otrzy-mali H(CC)nCN (n = 3-6) stosując ablację laserową z grafitu w ciekłym acetonitrylu. Otrzymane produk-ty zostały chromatograficznie rozdzielone, a następnie zbadane przy użyciu różnych technik analitycznych, m.in. absorpcji UV oraz spektroskopii NMR. Tworze-nie tych związków było rówTworze-nież badane przez autorów przy użyciu dwóch różnych izotopów węgla. Ekspery-ment udowodnił, że atomy węgla pochodzą zarówno z grafitu, jak i z rozpuszczalnika. Inną ciekawą technikę otrzymywania związków ze wspomnianych szeregów homologicznych zaproponowali Schermann i współ-pracownicy (1997). Otrzymali oni cząsteczki CnN2 (n = 8-16) odparowując grafit w obecności cyjanogenu, a następnie wypłukując powstałe osady toluenem. Do-piero w zeszłym roku (Szczepaniak i wsp., 2014) zostały przedstawione po raz pierwszy wyniki spektroskopowej charakterystyki (wibracyjnej – dotyczącej poziomów energii oscylacyjnej – i elektronowej – dotyczącej po-ziomów energii elektronowej) cząsteczek HC9N i C10N2 w matrycach z gazu szlachetnego.
Wartym uwagi jest fakt, że minęło ponad 30 lat od wykrycia HC9N w przestrzeni międzygwiazdowej (Bro-ten i wsp., 1978) do momentu, kiedy możliwe stało się
otrzymanie tego związku w medium nieoddziałującym z badanym związkiem i umożliwiającym uzyskanie
widm wzbudzenia oraz emisji (zob. dodatek na końcu
artykułu) w dalekim ultrafiolecie, tj. w medium innym niż rozpuszczalnik organiczny. C10N2, jako cząstecz-ka nieposiadająca trwałego momentu dipolowego, nie jest możliwa do zaobserwowania przy użyciu spektro-skopii rotacyjnej – podstawowej techniki używanej do identyfikacji indywiduów chemicznych obecnych w Kosmosie. Więcej o badaniu cząsteczek w przestrze-ni międzygwiazdowej można przeczytać np. w artykule poświęconym chemii międzygwiazdowej (Kołos, 2006).
Dalsze perspektywy
Być może wytworzenie odpowiednio długich łańcu-chów w laboratorium dostarczy danych pozwalających na ich zaobserwowanie w przestrzeni kosmicznej (takie sytuacje miały już miejsce w przypadku różnych czą-steczek – obserwacje w laboratoriach astrochemicznych dostarczały astronomom danych do identyfikacji tych związków poza Ziemią). Długie łańcuchy nie są jednak jedyną klasą związków stanowiących przedmiot zain-teresowania współczesnej astrochemii, z których wiele można uznać za egzotyczne z punktu widzenia chemii „ziemskiej”. Obiektem badań są też jony, rodniki oraz inne (w wielu przypadkach nietrwałe w ziemskich wa-runkach) połączenia atomów. Kolejne wyzwania stoją-ce przed dzisiejszą astrochemią to tworzenie i badanie kolejnych, często coraz bardziej egzotycznych, przed-stawicieli chemii pozaziemskiej oraz poszukiwanie me-chanizmów powstawania tych cząsteczek. Choć wyniki prowadzonych badań są obiecujące i wciąż dostarczają nowych danych, a prace nad zrozumieniem tych me-chanizmów trwają od wielu lat, nadal wiele pozostało do odkrycia.
Ablacja laserowa –
odparowy-wanie materiału z powierzchni ciała stałego przy użyciu lasera jako źródła energii.
Rys. 1. Schemat powstawania widma emisji
NA
UK
A
KR
Ó
TK
O
SZK
OŁA
LiteraturaArrhenius S (1908). Worlds in the making: the evolution of the
univer-se. New York and London: Harper & Brothers Publishers.
Bell MB, Feldman PA, Kwok S, Matthews HE (1982). Detection of HC11N in IRC + 10°216. Nature 295(5848):389-391.
Bell MB, Feldman PA, Travers MJ, McCarthy MC, Gottlieb CA, Thaddeus P (1997). Detection of HC11N in the Cold Dust Cloud
TMC-1. Astrophys. J. Lett. 483(1):L61.
Broten NW, Oka T, Avery LW, MacLeod JM, Kroto HW (1978). The detection of HC9N in interstellar space. Astrophys. J. 223:L105.
Cataldo F (2006). Polyynes and Cyanopolyynes: Their Synthesis with the Carbon Arc Gives the Same Abundances Occurring in Car-bon-Rich Stars. Orig. Life Evol. Biospheres 36(5-6):467-475. Coupeaud A, Kołos R, Couturier-Tamburelli I, Aycard JP, Piétri N
(2006). Photochemical Synthesis of the Cyanodiacetylene HC5N:
A Cryogenic Matrix Experiment. J. Phys. Chem. A 110(7):2371-2377. Couturier-Tamburelli I, Piétri N, Crépin C, Turowski M, Guillemin
J-C, Kołos R (2014). Synthesis and spectroscopy of cyanotriacety-lene (HC7N) in solid argon. J. Chem. Phys. 140(4):044329.
Crépin C, Turowski M, Ceponkus J, et al (2011). UV-induced growth of cyanopolyyne chains in cryogenic solids. Phys. Chem. Chem.
Phys. PCCP 13(37):16780-16785.
Darwin K (1959). O powstawaniu gatunków drogą doboru naturalnego,
czyli o utrzymaniu się doskonalszych ras w walce o byt. Warszawa:
Państwowe Wydawnictwo Rolnicze i Leśne.
Forte G, D’Urso L, Fazio E, et al (2013). The effects of liquid environ-ments on the optical properties of linear carbon chains prepared by laser ablation generated plasmas. Appl. Surf. Sci. 272:76-81. Fox SW (1973). Molecular evolution to the first cells. Pure Appl.
Chem. 34(3-4):641-670.
Kołos R (2006). Daleka i bliższa chemia międzygwiazdowa. Kosmos 55(4):355-364.
Z drugiej strony, energia padających fotonów może zostać pochłonięta, a później rozproszona w postaci drgań termicznych lub w innych procesach niepromienistych, czyli niezwiązanych z emisją promieniowania. Wtedy do detektora trafia tylko to promieniowanie, którego działaniu próbka jest poddawana – jednak odpowiednio (selektywnie) osłabione. Mówimy wtedy o rejestrowaniu widma absorpcyjnego. Schematycznie pokazuje to rys. 2 – po przejściu przez próbkę promieniowanie jest słabsze. Często wykorzystywanym zakresem promieniowania jest podczerwień (widma absorpcji rejestruje się jednak również i dla promieniowania widzialnego i ultrafioletu). Promieniowanie to pada na próbkę i dociera do detektora ze zmniejszoną lub taką samą intensywnością, w zależności od tego, czy energia fotonu odpowiada różnicy między poziomami energetycznymi (np. oscylacyjnymi) w cząsteczce, czy nie. Na podstawie danych, które zakresy promieniowania cząsteczka absorbuje oraz w których emituje, można określić jej strukturę, co jest podstawą analizy jakościowej stosowanej w opisanych tu eksperymentach.
Kroto HW, Heath JR, Obrien SC, Curl RF, Smalley RE (1987). Long carbon chain molecules in circumstellar shells. Astrophys. J. 314:352-355.
Miller SL, Urey HC (1959). Organic Compound Synthesis on the Primitive Earth Several questions about the origin of life have been answered, but much remains to be studied. Science 130(3370):245-251.
Oparin AI, Gladilin KL (1980). Evolution of self-assembly of probi-onts. Biosystems 12(3-4):133-145.
Paleos CM (2015). A decisive step toward the origin of life. Trends in
Biochemical Sciences.
Pasteur L (1864). On Spontaneous Generation.Revue des cours
scientifics I :257-264. Tłum. (1993) Alex Levine, opublikowane
na stronie: http://www.rc.usf.edu/~levineat/pasteur.pdf, dostęp: lipiec 2015.
Schermann G, Grösser T, Hampel F, Hirsch A (1997). Dicyanop-olyynes: A Homologuous Series of End-Capped Linear sp Car-bon. Chem. – Eur. J. 3(7):1105-1112.
Szczepaniak U, Crépin C, Turowski M, et al. (2014). Cryogenic photochemical synthesis of long unsaturated carbon-nitrogen chains: HC9N and C10N2. Plakat zaprezentowany na konferencji,
streszczenie dostępne w: Book of Abstracts. Suzdal, Russia; s. 65. Wakabayashi T, Saikawa M, Wada Y, Minematsu T (2012). Isotope
scrambling in the formation of cyanopolyynes by laser ablation of carbon particles in liquid acetonitrile. Carbon 50(1):47-56. Woehler F (1828). Ueber kuenstliche Bildung des Harnstoffs.
Anna-len der Physik und Chemie 88(2):253–256.
Zahnle K, Schaefer L, Fegley B (2010). Earth’s Earliest Atmospheres.
Cold Spring Harbor Perspectives in Biology 2 (10):
a004895-a004912..
Bell MB, Feldman PA, Kwok S, Matthews HE (1982). Detec-tion of HC11N in IRC + 10°216. Nature 295(5848):389-391. doi:10.1038/295389a0.
Bell MB, Feldman PA, Travers MJ, McCarthy MC, Gottlieb CA, Thaddeus P (1997). Detection of HC11N in the Cold Dust Cloud TMC-1. Astrophys. J. Lett. 483(1):L61. doi:10.1086/310732. Broten NW, Oka T, Avery LW, MacLeod JM, Kroto HW (1978). The
detection of HC9N in interstellar space. Astrophys. J. 223:L105. doi:10.1086/182739.
Cataldo F (2006). Polyynes and Cyanopolyynes: Their Synthesis with the Carbon Arc Gives the Same Abundances Occurring in Carbon-Rich Stars. Orig. Life Evol. Biospheres 36(5-6):467-475. doi:10.1007/s11084-006-9051-4.
Coupeaud A, Kołos R, Couturier-Tamburelli I, Aycard JP, Piétri N (2006). Photochemical Synthesis of the Cyanodiacetylene HC5N: A Cryogenic Matrix Experiment. J. Phys. Chem. A 110(7):2371-2377. doi:10.1021/jp055582r.
Couturier-Tamburelli I, Piétri N, Crépin C, Turowski M, Guillemin
Rys. 2. Schemat powstawania widma absorpcji
Źródło: oprac. własne.
Autorka publikacji, Urszula Szczepaniak, jest uczestniczką projektu „Sty-pendia dla doktorantów województwa podlaskiego”, współfinansowanego w ramach Programu Operacyjnego Kapitał Ludzki, Działanie 8.2 Transfer wiedzy, Poddziałanie 8.2.2 Regionalne Strategie Innowacji, ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego, budżetu państwa oraz środków budżetu Województwa Podlaskiego.
NA
UK
A
KR
Ó
TK
O
SZK
OŁA
J-C, Kołos R (2014). Synthesis and spectroscopy of cyanotriac-etylene (HC7N) in solid argon. J. Chem. Phys. 140(4):044329. doi:10.1063/1.4861038.
Crépin C, Turowski M, Ceponkus J, et al (2011). UV-induced growth of cyanopolyyne chains in cryogenic solids. Phys. Chem. Chem.
Phys. PCCP 13(37):16780-16785. doi:10.1039/c1cp21326a.
Forte G, D’Urso L, Fazio E, et al (2013). The effects of liquid environ-ments on the optical properties of linear carbon chains prepared by laser ablation generated plasmas. Appl. Surf. Sci. 272:76-81. doi:10.1016/j.apsusc.2012.03.156.
Kroto HW, Heath JR, Obrien SC, Curl RF, Smalley RE (1987). Long carbon chain molecules in circumstellar shells. Astrophys. J. 314:352-355. doi:10.1086/165065.
Miller SL, Urey HC (1959). Organic Compound Synthesis on the Primitive Earth Several questions about the origin of life have been answered, but much remains to be studied. Science 130(3370):245-251. doi:10.1126/science.130.3370.245.
Schermann G, Grösser T, Hampel F, Hirsch A (1997). Dicyanop-olyynes: A Homologuous Series of End-Capped Linear sp Carbon.
Chem. – Eur. J. 3(7):1105-1112. doi:10.1002/chem.19970030718.
Szczepaniak U, Crépin C, Turowski M, et al. (2014). Cryogenic photochemical synthesis of long unsaturated carbon-nitrogen chains: HC9N and C10N2. Plakat zaprezentowany na konferencji, streszczenie dostępne w: Book of Abstracts. Suzdal, Russia; s. 65. Wakabayashi T, Saikawa M, Wada Y, Minematsu T (2012). Isotope
scrambling in the formation of cyanopolyynes by laser ablation of carbon particles in liquid acetonitrile. Carbon 50(1):47-56. doi:10.1016/j.carbon.2011.07.053.
Between biology and astrophysics – chemical evolution, cyanopolyynes and dicyanopolyynes
Urszula Szczepaniak
We still cannot explain the origins of life on Earth. Theo-ries concerning this subject have to take into account not only the formation of organisms from available macro-molecules such as amino acids or purine and pyrimidine nitrogen bases, but also the processes of forming large and complex molecules from small and simple ones. That is, namely, chemical evolution. This may have occurred both on the early Earth and in Space. As such, prebiotic molecules could have been delivered to the surface of our planet or formed directly on it. Studies of the elongation of cyanopolyynes and dicyanopolyynes – potentially pre-biotic molecules that have been discovered in interstellar space – allow a glimpse into one step of chemical evo-lution. These molecules are of interest to modern astro-physics and astrochemistry.
Key words: cyanopolyynes, dicyanopolyynes, interstellar
mat-ter, chemical evolution
Artykuł pomocny przy realizacji wymagań podstawy programowej
Biologia – IV etap edukacyjny (zakres rozszerzony)
Cele kształcenia:
I. Poznanie świata organizmów na różnych poziomach organizacji życia.
IV. Poszukiwanie, wykorzystanie i tworzenie informacji. V. Rozumowanie i argumentacja.
Treści nauczania: IX. Ewolucja
5. Pochodzenie i rozwój życia na Ziemi. Uczeń:
1) przedstawia, w jaki sposób mogły powstać pierwsze organizmy na Ziemi, odwo łując się do hipotez wyjaśniających najważniejsze etapy tego procesu: syntezę zwią z ków organi cz nych z nie-organicznymi, powstanie materiału genetycznego („świat RNA”), powstanie komórki („koacerwaty”, „micelle lipidowe”).
