Az Európai Űrügynökség Rosetta űrszondája 20 évvel ezelőtt érkezett meg célpontjához, egy hegy nagyságú, poros jégcsomóhoz. A szonda két éven át követte a 67P/Csurjumov–Geraszimenko-üstököst, miközben a fedélzeti műszerek mintát vettek az égitest anyagaiból, és elemezték is a kiáramló port és gázt. A szakértők célja a vizsgálatokkal annak feltárása volt, hogyan jött létre a Naprendszerünk – és különösen a molekulák egy bizonyos osztálya. Szerves molekulák – vagyis szenet tartalmazó vegyületek – bőven vannak a Földön, különösen az élőlények testében. Gyakran nevezik őket az élet építőköveinek, és nem véletlenül: a szénatomok kémiailag akár négy másik atomhoz is képesek kötődni, és könnyen hosszú, stabil láncokat alkotnak, amelyek „gerincként” szolgálnak az összetett biológiai molekulák számára.

„A Rosetta valóban megváltoztatta a látásmódot” – mondta Nora Hänni, a Berni Egyetem vegyésze, aki a szonda adatait elemezte. Amikor Hänni és kollégái 2022-ben feldolgozták a szonda mindössze egy napnyi adatát, 44 különböző szerves molekulát azonosítottak. Néhányuk ráadásul nagyon összetett volt, 20 vagy több atomot tartalmazott. A Rosetta a fehérjék egyik aminosav-építőelemét, a glicint is „kiszagolta”. Nemrégiben pedig Hänni a Rosetta adatai alapján azonosította a dimetil-szulfidot is a mintákban, egy olyan gázt, amelyet a Földön csak élő szervezetek állítanak elő.

Míg a Rosetta egy üstököst vizsgált, a japán Hayabusa2 és a NASA Osiris-Rex szondája aszteroidákat elemeztek. A két küldetés során 2020-ban, illetve 2023-ban a Bennu és a Ryugu aszteroidákból vettek mintákat, majd ezeket vissza is juttatták a Földre. A szakértők azóta is vizsgálják ezeket, és az már kiderült, hogy mindkét aszteroidán rengeteg szerves molekula található. Csak a Ryugu legalább 20 ezer félét tartalmat, köztük 15 különböző aminosavat. Vagyis gyakorlatilag minden ott van, ami az élethez kell, mondja Philippe Schmitt-Kopplin, a Müncheni Műszaki Egyetem szerves geológusa.

Az, hogy az egyszerű kémiai összetevőkből hogyan lettek élő, összetett szervezetek, a tudomány nagy rejtélyei közé tartozik. Az aszteroidák és üstökösök anyagának közelmúltbeli vizsgálatai ugyanakkor tovább gyarapítják a bizonyítékokat arra, hogy az ehhez szükséges összerendeződési folyamat első lépései már az űrben megtörténhetnek – és nagyon könnyen meg is történnek. Bármerre is nézünk, úgy tűnik, hogy az űrben hemzsegnek a biológiai alapanyagok. A Szaturnusz Titán nevű holdján folyékony metánból és etánból álló tavak, és szénhidrogén homokdűnék vannak. A Pluto vöröses színéért valószínűleg tholin nevű szerves molekulák felelősek. Földön kívüli szerves anyagok nagy választéka van jelen a meteoritokban, és szerves por örvénylik a csillagok között is, vagy záporozik a Szaturnusz gyűrűiből a Szaturnuszra.

A szakértők régóta töprengenek azon, hogy honnan származnak ezek a molekulák. Vajon a Titán szénhidrogén-tavaiban tanyázó vegyületek ott keletkeztek, vagy már jóval a jeges hold létezése előtt is léteztek? Egyáltalán hogyan alakul ki a szerves komplexitás biológiai evolúció nélkül? „Azoknak, akiket érdekel az élet keresése a kozmoszban, érteniük kell, hogyan tettek szert a bolygók szerves anyagokra élet hiányában” – mondja Christopher Glein, a Southwest Kutatóintézet bolygókutatója. „Elég sok időt töltünk azzal, hogy ezen elmélkedünk.”

„Szeretném tudni, honnan származunk planetáris fajként” – mondja Karin Öberg, a Harvard asztrokémikusa. „Ez van a legközelebb az egyik nagy eredetkérdéshez, vagyis ahhoz, hogy honnan származik a Föld, mint lakható bolygó. Miért olyan, amilyen?” Azzal, hogy szondákat küldenek az ősi üstökösök és aszteroidák vizsgálatára, teleszkópokkal belenéznek a bolygóképző korongok mélyére, és laboratóriumokban, illetve számítógépes modelleken újraalkotják az űrbéli viszonyokat, a kutatók egyre jobban feltárják a komplex szerves molekulák eredetét. Eredményeik pedig azt sugallják, hogy a hozzánk hasonló bolygók szerves anyaguk nagy részét valószínűleg a csillaguk kialakulása előtti időkből öröklik.

Tűz és jég

2023-ban a kutatók pillantást vethettek a szerves kémia legkorábbi ismert formájára a világegyetemben. A James Webb űrteleszkóp egy fiatal galaxist figyelt meg, amely alig 1,5 milliárd évvel az ősrobbanás után létezett, és policiklusos aromás szénhidrogéneket észlelt benne. Ezek nehéz molekulák a Földön mindenben megtalálhatók, ami kátrányt tartalmaz, a fosszilis tüzelőanyagoktól a fafüstig. Az űrben pedig az aszteroidák – köztük a Földre meteoritként hulló égitestek – és a csillagközi por alkotórészei.

Az OSIRIS-Rex mintavisszahozó küldetése

Ezek és más szerves molekulák valószínűleg a legkorábbi csillagok alkonyán keletkezhettek, talán már néhány százmillió évvel az ősrobbanás után. A haldokló csillagok forró csillagszelet bocsátanak ki, az e szelek által felkapott szén pedig lényegében elég, és csillagkorom keletkezik. „Ez valójában nem sokban különbözik attól az égéstől, amit a Földön tapasztalunk” – mondja Öberg.

Létezik egy második fontos képződési útvonal is. Ahogy a csillagok generációi kialakultak, leélték életüket, majd elpusztultak, belsejüket sorra az űrbe bocsátották, és ebből a szén egy része molekuláris felhőkben kötött ki. Ezek olyan struktúrák, ahol a gáz és a por szemcséi elég közel vannak egymáshoz ahhoz, hogy elnyeljék a fényt. Az ilyen felhőkben a szerves molekulák az apró porszemcsék jeges kérgén alakulnak ki. „Egy hideg, sötét felhőben anélkül is létrejöhet a komplexitás, hogy egyébként bármi is történne” – mondja Alice Booth, a Harvard csillagásza.

Mivel a jeges szemcsék olyan hidegek, a rájuk sodródó atomok megtapadhatnak rajtuk. A kutatók 2020-ban kísérletileg igazolták, hogy a legegyszerűbb szerves molekulák közé tartozó metán így alakul ki, vagyis a szén és a hidrogén egymás után landol a jeges szemcséken. Úgy gondolják, hogy a metanol is hasonló módon képződik. Egy 2022-es vizsgálat pedig kimutatta, hogy még a legegyszerűbb aminosav, a glicin láncai is felépülhetnek, ahogy szén-monoxid, szén és ammónia kondenzálódik a szemcsék felületén.

Ezeket a kémiai reakciókat a sugárzás hajtja. A kozmikus sugárzás részecskéi és az ultraibolya fény nemcsak felmelegíthetik a jeget, és így reakciókat indíthatnak el, mondja Perry Gerakines, a NASA Goddard Űrrepülési Központja asztrokémiai laboratóriumának munkatársa, hanem bontják is a molekulákat, és gyököket képeznek, amelyek még reaktívabbak. A metanolból, mint kiindulási alapanyagból ez a fajta sugárzás vezérelte kémia a molekulák óriási változatosságát képes legyártani. A kutatók eddig több mint 200 féle szerves molekulát észleltek a csillagközi térben.

A Bennuról gyűjtött minták

Dinamikus korongok

Mindebből az derül ki, hogy már a Nap (vagy más csillagok) létrejötte előtt is igen komplex szerves molekulák létezhettek a világűrben. Az egyik kulcskérdés az, hogy ezek a molekulák vajon túlélhették-e a Naprendszer születését. Az új csillagok és bolygók gáz- és porfelhők gravitációs összeomlásával jönnek létre. Vajon az ezekben a felhőkben lévő ősi szerves molekulák szétesnek egy új bolygórendszer kialakulásának korai időszakában, ahogy a fiatal csillag életre kel?

A kutatók nemrég pillantottak meg először a szerves molekulákat a protoplanetáris korongokban – az újonnan született csillagok körül forgó, gázból és porból álló struktúrákban. „Minden korong egy aranybánya” – mondja Öberg. Az egyik ilyen megfigyelés során Booth és kollégái bőségesen találtak metanolt egy közeli protoplanetáris korongban. Ez a metanol csak szén-monoxidban gazdag jégszemcséken alakulhatott ki, amelyek kitöltötték azt a hideg molekuláris felhőt, amelyből a korong származott, mert a meleg korongban nem találtak volna egymásra az összetevők. Booth szerint tehát a metanolnak abból a felhőből kellett származnia, amely az új csillag és bolygói előtt létezett.

Ahogy az anyag mozog a korongban, drámaian változó körülmények közé kerül. A korong felszíne hőnek és sugárzásnak van kitéve, míg a középső sík árnyékolt és hűvösebb. Ahogy a Földön a nedves-száraz időszakok segíthettek a szerves összetettség formálódásában az élet kialakulásakor, úgy a por és a gáz áramlása a korong különböző részein keresztül újfajta szerves összetettséget eredményezhet.

A kutatók szerették volna komputációsan modellezni a korongok anyagának kavargását és forgását, de ez olyan számításigényes feladatnak bizonyult, hogy a legutóbbi időkig nem voltak rá erőforrások. Ez mostantól megváltozik. 2024-ben egy Bootht is magában foglaló kutatócsoport közzétette az általuk alkotott számítógépes modellek első eredményeit, amelyek azt mutatják, hogy a protoplanetáris korongokban gyorsan kialakulhatnak összetett szerves anyagok. A molekulák ugyanazokban a „porcsapdákban” gyűlnek össze, ahol a bolygók aszteroida méretű építőkövei, a bolygócsírák is összeolvadnak. Az eredmények izgalmas kapcsolatot mutatnak a szerves anyagok és a bolygók kialakulása között.

Saját Naprendszerünkben az üstökösök a legősibb anyagok közé tartoznak, ezek a protoplanetáris korong szinte változatlan maradványai. Az apró szerves molekulák, amelyeket a Rosetta adatai alapján eddig a 67P üstökös anyagában azonosítottak, többnyire egyeznek azzal, amit a kutatók a csillagközi tér molekuláris felhőiből örökölt anyagtól várnának. A 67P egyes szerves molekulái azonban összetettebbek, mint amire a szakértők számítottak, és még mindig nyitott kérdés, hogy honnan származik ez az extra komplexitás.

Az aszteroidák kevésbé érintetlenek, mint az üstökösök, mivel gyakrabban szenvednek hőhatást és folyékony víz hatását élettartamuk során. Ezek a hatások pedig drámai szintű szerves összetettséget eredményezhetnek. A kutatók már évtizedek óta tudják, hogy az aszteroidákból származó, kondritoknak nevezett meteoritok szerves molekulák elképesztő tárházát tartalmazzák.

Az Osiris-Rex és a Hayabusa2 megerősítette, hogy a Bennu és a Ryugu aszteroidák ugyanolyan komplexek, mint ezek a meteoritok. És úgy tűnik, hogy ennek a komplexitásnak legalább egy része már az aszteroidák előtt kialakult: a Bennu mintáinak előzetes elemzése azt sugallja, hogy azok többféle szerves anyagot, köztük policiklikus aromás szénhidrogéneket is tartalmaznak a protoplanetáris korongból.

Az élet kémiája?

A szerves molekulák a korai Földön aztán újabb, szintén figyelemre méltó lépést tettek a komplexitásban: valahogyan élővé szerveződtek. A földi élet eredetére vonatkozó egyes hipotézisek szerint minden az űrből származó szerves anyagból álló „alapkészletből” indult ki. A „PAH-világ” nevű hipotézis például az ősleves egy olyan szakaszát feltételezi, amelyben a policiklusos aromás szénhidrogének domináltak. Ebből az iszapból alakulhattak ki az első genetikai molekulák.

Ha megértjük, hogyan alakulnak ki az összetett szerves anyagok az űrben, és hogyan kerülnek a bolygókra, talán jobb képet kaphatunk arról, hogy más égitesteken is kialakult-e az élet. Ha a földi élet alapanyagai a csillagközi térben keletkeztek, akkor az élet alapanyagainak mindenütt ott kell lenniük a világegyetemben. Egyelőre ezek az elképzelések még nagyrészt ellenőrizhetetlenek. De mivel maga az élet a szerves komplexitás új szintjét képviseli, az asztrobiológusok a Naprendszer más égitestjein is vadásznak az összetett szerves anyagokra, mint az élet lehetséges biológiai jelére.

Az Európai Űrügynökség Juice missziója például már úton van a Jupiter és három jeges holdja felé, a NASA Europa Clipper missziója pedig októberben indult el az Európé felé. Mindkét szonda fedélzeti műszerekkel fog kutatni a légkörökben szerves molekulák után, akárcsak a Szaturnusz Titán nevű holdjához készülő Dragonfly küldetés.

Persze nehéz eldönteni, hogy egy adott szerves molekula az élet jele-e vagy sem. Ha a kutatók eléggé összetett szervesmolekula-készleteket találnának, az elég lenne ahhoz, hogy legalább néhány szakértőt meggyőzzön arról, hogy életet találtunk egy másik égitesten. De ahogy az üstökösök és az aszteroidák mutatják, az élettelen világ önmagában is nagyon összetett lehet. Élettelen kőzeteken is találtak már az élet jelének vélt vegyületeket, ilyen például a dimetil-szulfid, amelyet Hänni csapata nemrég azonosított a 67P mintáiban.

Hänni az üstökösök abiotikus összetettségét szeretné felhasználni arra, hogy segítsen kizárni a hamis pozitív biológiai jeleket. „Nem számít, hogy exobolygók légkörét akarjuk-e vizsgálni, vagy életet keresünk a saját Naprendszerünkben, szerintem az üstökösök valóban nagyszerű viszonyítási alapot jelentenek” – mondja.

Az élet elterjedtségén túl az űr szerves kémiájára vonatkozó vizsgálatok olyan folyamatokat is feltárhatnak, amelyeket talán soha nem fogunk közvetlenül megfigyelni. Glein és kollégái a James Webb űrteleszkóp megfigyeléseit használták fel a külső Naprendszerben található metán tanulmányozására, amelynek jelenléte azt bizonyítja, hogy néhány Kuiper-övi objektumnak meleg, nedves belseje lehet. Az Európén található szerves molekulák felfedhetik a felszín alatti óceán kémiai összetételét. Schmitt-Kopplin pedig a meteoritok szerves összetételét használta fel a Naprendszer születésekor bekövetkezett becsapódások és geokémiai folyamatok tanulmányozására. Az esetleges élet tehát csak egy kis része a szerves molekulákban rögzülő hatalmas kozmikus drámának. Ahogy Schmitt-Kopplin mondja: