Universets kjemi gir svar på livets opprinnelse?

En rekke kjente, men også ukjente molekyler er de siste årene funnet i verdensrommet. Forskningen på universets kjemi kan også bidra til informasjon om hvordan livet oppstod og om det finnes livsformer andre steder enn på Jorden.

KOMET: Hale-Bopp-kometen inneholder tonnevis av molekyler og mer vann enn Østersjøen. Kom livet til jorden med slike kometer? Foto: John Gleason/Celestial Images ©

C.H. Townes er best kjent for sin oppfinnelse av laseren på midten av 50-tallet. Det fikk han nobelprisen for. Noen år senere, i 1968, var han med på et mindre kjent, men banebrytende eksperiment. Da rettet Townes og hans medarbeidere antennen på radioteleskopet i Hat Creek Station i California mot Skyttentåken i Melkeveiens sentrum 28 000 lysår borte. Målet var å prøve å oppfange det ytterst svake mikrobølgespekteret som ammoniakk sender ut. Riktignok hadde noen ganske få molekyler bestående av bare to atomer blitt funnet i verdensrommet (interstellart) tidligere. Ammoniakk består av fire atomer og ville være det første fleratomære molekyl som eventuelt kunne påvises.

Ville Townes lykkes? De fleste forståsegpåere var skeptiske. Deres tvil var velbegrunnet. De mange tåkene i verdensrommet er gigantiske ansamlinger av gass og støv med diametre på 1 - 400 lysår. Haken er at mer enn 99 prosent av atomene er enten hydrogen eller helium, mens alle andre grunnstoffer som er av avgjørende betydning for dannelsen av større molekyler, utgjør til sammen mindre enn 1 prosent. Dessuten er konsentrasjonen så lav at trykket faktisk er meget lavere enn i det beste menneskeskapte ”vakuum”. Den lave temperaturen, bare få grader over det absolutte nullpunkt (-273 ·C), er dessuten svært ugunstig. Det samme kan sies om den intense ultrafiolette strålingen fra stjernene som raskt får molekyler til å spaltes i atomer. Forholdene er ytterst forskjellige fra dem kjemikerne kjente fra sine laboratorier og syntes nærmest å være sterile hva kjemi angår.

I sjuende himmel

Det var likevel ikke tilfellet. Townes kom til dekket bord. Ikke bare ble ammoniakk funnet. Neste molekyl som ble påvist noen måneder senere, var intet ringere enn vann. Så gikk det slag i slag. I løpet av noen få år ble mange andre molekyler med opp til hele 8-10 atomer funnet, ikke bare i vår egen galakse, Melkeveien, men også i andre galakser, for eksempel Andromeda, 2 millioner lysår borte. Radioastronomene var i den sjuende himmel.

Townes' påvisning av interstellar ammoniakk utløste en storstilt leting etter molekyler. Denne ”jakten” som har foregått i mer enn 30 år, er langt fra avsluttet. I dag er ca. 120 forskjellige molekyler med opp til 13 atomer funnet. Stadig kommer nye til. Letingen er ikke begrenset til vår hjemlige Melkevei. Hele verdensrommet er kommet under lupen. Molekyler er påvist i galakser som er hele 10 milliarder lysår borte og fjerner seg fra oss nesten med lysets hastighet. Dersom det er riktig at universet ble skapt i Big Bang for 10-15 milliarder år siden, må molekyler ha oppstått kort tid etter. Kjemi har åpenbart vært av betydning så å si fra tidenes begynnelse. Verdensrommet som syntes å være øde og forlatt, har gitt opphav til en ny, sprudlende gren av kjemien, astrokjemi, som nå er en høyst sofistikert vitenskap. I dag er ingen lærebok i astronomi fullstendig uten et eget kapittel om astrokjemi.

En utvetydig identifikasjon av et molekyl som er tusener av lysår fra Jorden i konsentrasjon av størrelsesorden ett molekyl per kubikkmeter, er en teknologisk bragd. Det er utviklingen av mikrobølgeteknikken som har gjort dette mulig. Radioteleskopene kan nemlig bestemme frekvensene til de ekstremt svake mikrobølgesignalene med svært stor nøyaktighet. Disse frekvensene blir sammenliknet med frekvenser fra det samme molekylet observert i laboratoriet. Overensstemmelsen skal være 100 prosent, som fingeravtrykk fra én og samme person. Her finnes ikke slingringsmonn.

Finner nye molekyler

Selv om konsentrasjonen av det enkelte molekyl er ytterst liten, er det totalt sett store mengder av det i en tåke på grunn av dens enorme dimensjoner (flere lysår). Innholdet av molekyler varierer meget mellom de ulike tåkene. De største forekomstene finnes i de mørke tåkene der temperaturen er noen få grader over det absolutte nullpunkt, samt i sirkumstellare tåker som omgir døende stjerner. Enkelte molekyler som karbonmonoksid, ammoniakk, hydrogencyanid, vann og formaldehyd er funnet i hundrevis av tåker. Tre av fire molekyler er organiske. Resten er uorganiske. De fleste av de funksjonelle gruppene i den organiske kjemien er representert. Viktige biomolekyler som aminosyrer, karbohydrater (”sukker”) og deler av arvestoffet DNA lar seg enkelt fremstille fra interstellare molekyler.

Orion-t嫥n

HESTEHODE: Oriontåken med sitt berømte "hestehode" er 100 lysår i diameter og inneholder nok gass til å kune danne 1000 stjerner av samme størrelse som Solen. Tåken er svært rik på både organiske og uorganiske molekyler. Foto: David Malin/Anglo Australian Observatory ©

Høyst overraskende var det at så mange som halvparten av de interstellare molekylene er særdeles vanskelig å fremstille i laboratoriet. Blant disse er det mange såkalte kationer (molekyler med positiv ladning) og radikaler (molekyler med et ulike antall elektroner). Mer enn 50 forskjellige molekyler er faktisk først blitt funnet i verdensrommet. I noen tilfeller har en vært i stand til å forutsi eksistensen av disse, men ofte har de dukket opp nærmest som troll av eske. Fortsatt gjenstår det en mengde signaler som det ikke har vært mulig å finne opphavet til, og som nok stammer fra uidentifiserte molekyler. Hvilke disse er, er det ingen som vet. Verdensrommet vil nok også i fremtiden gi oss innsikt i hvilke molekyler det faktisk er mulig å lage.

Spørsmålet om hvorledes de interstellare molekylene oppstår, ble stilt fra første dag av. Forholdene i universet er ekstreme og umulig å gjenskape i sin helhet i laboratoriet. Det er sikkert at den høyenergetiske kosmiske strålingen setter i gang prosesser som samtidig leder til både oppbygging og nedbryting av molekyler.

Det interstellare støvet som antakelig er finkornet sand og/eller vanlig sot, er av stor betydning for kjemien. I de kalde tåkene kondenserer molekylene på støvet. Denne blandingen kalles gjerne ”is”. Her ligger det godt til rette for reaksjoner. Hva denne isen egentlig inneholder, skulle vi gjerne ha visst. At vi her kan vente oss både overraskelser og mange nye molekyler, tar vi for gitt.

Livets opprinnelse

De mørke, molekylrike tåkene er ”fødestuer” for nye stjerner. Under visse betingelser vil tyngdekraften føre til at konsentrasjonen av gass og støv øker. Når trykket kommer over en viss grense, tar kjernereaksjonene til. En ny stjerne blir født. Eventuelle planeter og kometer blir skapt samtidig. Slik ble vårt solsystem til. Molekyler spiller en viktig rolle også i slike prosesser.

Kometene er svære isblokker som inneholder store mengder støv, grus og molekyler. ”Skitne snøballer” er en dekkende betegnelse. Når kometer nærmer seg Solen, sublimerer vann og molekyler, og den karakteristiske halen oppstår. Observasjoner av halene har bekreftet at kometer inneholder interstellare molekyler.

At universet er så rikt på organiske molekyler som lett kan reagere videre til biomolekyler, har gitt hypotesemakere vann på møllen. Liv oppstod egentlig ”altfor fort” etter at Jorden ble skapt, tatt i betraktning de forholdene som da rådet her. Fikk Jorden hjelp utenfra? Kom liv til Jorden om ikke fiks ferdig, så i hvert fall i en halvferdig form? Var de interstellare molekylene denne halvferdige formen? Ble de fraktet hit som is på støvet, eller kom de med kometer? Det er antatt at Jorden formelig ble bombardert av kometer med tonnevis av alskens molekyler tidlig i dens eksistens. En bedre start kunne prosessen som leder frem til liv, neppe ha fått. Foruten den raske utviklingen av liv, er alt vannet vårt et trumfkort i denne hypotesen. Det meste av det kom antakelig hit med kometer.

Solens planetsystem er ikke enestående. I de siste årene er det funnet ti ganger så mange planeter andre steder. Da ligger det godt til rette for at vann og organiske molekyler bokstavelig talt kan regne ned fra himmelen nær sagt på enhver planet. Dersom en planet i tillegg har en gunstig plassering i forhold til en stjerne og samtidig unngår kollisjons- og strålingskatastrofer, er betingelsene for at liv skal kunne oppstå til stede. Slike planeter finnes det nok et meget stort antall av.

Vårt eget solsystem oppstod for 4,6 milliarder år siden. Allerede 700 millioner år senere fantes det et rikt mikrobiologisk liv her. At molekyler eksisterte for minst 10 milliarder år siden, impliserer at liv godt kan ha eksistert andre steder lenge før vårt hjemlige.

Liv må ha oppstått fra enkle organiske molekyler. Noen annen mulighet finnes neppe. Hvorledes det oppstod, og hvor utbredt det er i universet, vil i det 21. århundre bli det dominerende forskningstemaet for en ny vitenskap, astrobiologi. Realfagene, og særlig astrokjemi, vil her ha sin selvfølgelige plass. En eventuell påvisning av, eller kontakt med, fremmede livsformer vil åpne for enorme muligheter og utfordringer og i høy grad også berøre juridiske, etiske, filosofiske og teologiske spørsmål. Astrobiologi er i særlig grad en tverrfaglig vitenskap.

Astrobiologisk forskning har vært drevet lenge, ofte ukoordinert, gjerne som biprodukt av annen forskning. En slik strategi nytter ikke lenger. I USA og EU skjer det nå en betydelig mobilisering. Astrobiologi har ennå ikke noe særlig omfang her i landet. En beskjeden astrokjemisk forskning foregår blant annet ved UiO. Tilretteleggelse for identifisering av interstellare, biologisk viktige molekyler er et av temaene for denne forskningen. Et annet er hvorledes molekyler blir dannet i verdensrommet.

Emneord: Matematikk og naturvitenskap, Fysikk, Astrofysikk, romfysikk, astronomi, Kjemi Av Harald Møllendal, Kjemisk institutt
Publisert 1. feb. 2012 12:08
Legg til kommentar

Logg inn for å kommentere

Ikke UiO- eller Feide-bruker?
Opprett en WebID-bruker for å kommentere