Livets is

Is er i dens jordisk forklædning fjendtlig overfor levende ting. Men en eksotisk form for rumis kan faktisk fremme skabelsen af organiske molekyler - og kan have sået livet på Jorden

David F. Blake og Peter Jenniskens*

Indhold:

Skiftende bindinger

Indledning
I rummet
På vej mod Jorden
Mere at udforske

Indledning

Mens Voyager 1 fløj ud af solsystemet for 11 år siden, drejede NASA ingeniører rumfartøjets kameraarm rundt for at tage et afskedsfoto af Jorden. Planeten fremstod som en enkelt lyseblå pixel; dens farve opstod ved spredningen af sollys i dens enorme oceaner. Jorden er en vandplanet. Og ligemeget hvor langt forskerne rejser rundt på globen, ligemeget hvor højt eller dybt de sender deres måleinstrumenter: hvis de finder vand, finder de en eller anden form for liv, som det lykkes at overleve.
    Og dog er der er grusom dikotomi ved vands natur. Flydende vand understøtter liv, men vand i dets faste krystallinske form ødelægger det. Organismer kan sætte sig i gejsere, svælge i saltvand og sluge syre, men de viger tilbage for is. Den stive orden af vandmolekyler i iskrystaller udstøder urenheder og river organisk væv i stykker. Sådan er naturen af is på Jorden. Men nylige opdagelser om en usædvanlig form for frosset vand, der ikke findes på Jorden, men er allestedsnærværende i det interstellare rum, har inspireret forskerne til at revidere deres antagelser om is. I sin interstellare form kan is af vand (til forskel fra is af kultveilte eller andre forbindelser) indeholde den form for enkle organiske forbindelser fra hvilke livet opstod - og kan endda opmuntre til deres dannelse. Som resultat af dette kan denne interstellare is faktisk have spillet en vigtig rolle i livets oprindelse.
    At afdække kilden til de organiske materialer, som kan have været forstadier til liv, har længe været en af de mest inspirerende eftersøgninger i udforskningen af livets oprindelse. I mere end et årti har forskerne vidst, at organiske forbindelser trives i interstellare skyer og kometer. De har også konkluderet, at en frost, som er rig på vandis, findes overalt i rummet, hvor støv og gas bliver kolde nok til at kondensere til faste stoffer - primært i kolde molekylære skyer [se "Life's Far-Flung Raw Materials," af Max P. Bernstein, Scott A. Sandford og Louis J. Allamandola; Scientific American, Juli 1999], [Livets vidtstrakte råmaterialer].
    Mange planetforskere er gået videre og har argumenteret for, at de organiske forbindelser i isen kan have taget en tur til Jorden på tommelfingeren. Da en kold molekylær sky kollapsede og dannede vort solsystem for 4,5 milliard år siden, som teorien siger, ville noget af skyens is have forenet sig til kometer. Disse bolde af is og klippe kunne så have båret de organiske forbindelser på en kollisionskurs med den unge Jord. Efter at have nået denne planet kunne de organiske forbindelser have deltaget i de kemiske rektioner, ud fra hvilke de første levende organismer opstod.
    Dette scenario har givet en overbevisende forklaring på, hvordan organiske forbindelser kunne være leveret til Jorden, men indtil fornylig vidste ingen, hvordan de først blev dannet i det interstellare rum. Nu har gransken af vands adfærd ved temperaturer nær absolut nul (hvor al molekylær bevægelse ophører) afsløret, at fine forandringer i isens struktur igangsatte den første forening af carbon, nitrogen og andre biologisk afgørende grundstoffer.

I rummet

Da vort forskerhold på NASA Ames Research Center undersøgte de mystiske og overraskende egenskaber ved interstellar is, var en af de første ting vi bekræftede, at den ikke har nogen krystalstruktur. Den er med andre ord amorf. Den har ingen nævneværdig molekylær eller atomar orden og ingen krystaloverflader og for en interstellar rejsende ville den være lige så gennemsigtig som vinduesglas.
    De fleste faste stoffer findes naturligt i krystallinsk form, hvor deres molekyler ligger i rækker i en velordnet struktur. Når nogle flydende væsker afkøles hurtigt, bliver overgangen til den krystallinske tilstand imidlertid undertrykt og væsken bliver fast i en amorf tilstand. Denne proces kendes bedst fra fremstillingen af glas, som er en amorf form for kisel. Skønt hurtig afkøling virker ved fremstillingen af amorf kisel, virker den ikke for flydende vand. Vanddråber har tendens til at krystallisere, selv når de afkøles hurtigt. Dette resulterede i, at amorf is først blev opdaget, da forskere i 1935 undersøgte adfærden af vanddamp, der langsomt blev afsat i et vakuum.

DAVID F. BLAKE OG PETER JENNISKENS

ET MIKROSKOPISK LAG af amorf og kubisk is (blå) dannedes, da forskerne opvarmede en film af is, som var nogle få hundrede molekyler tyk, til 183 kelvin inde i et kulde mikroskop.

Opdagelsen var af særlig interesse for astronomer, fordi de vidste, at vand opfører sig anderledes i rummets vakuum, end det gør på Jorden. De fleste ved, at et vandmolekyle består af et oxygenatom, som er kemisk bundet til to hydrogenatomer. Men det der gør vand til en så foranderlig substans er, at oxygenatomet har to negativt ladede, parrede elektroner, der kan danne svage bindinger med de positivt ladede hydrogenatomer i et nærtliggende vandmolekyle. Ved temperaturer under frysepunktet bevæger vandmolekylerne sig ind i deres mest stabile konfigurationer og styrker således de såkaldte hydrogenbindinger og den resulterende is bliver pænt organiseret over mange hundrede molekyler.
    Det særlige stabelmønster der udvikler sig, når vand fryser, afhænger af trykket. Mønstret danner en af 12 kendte faser af krystallinsk vandis, men kun en - heksagonal is - findes naturligt på Jorden. Oxygenatomerne danner et sekskantet mønster, som vi ser i form af snefnug. Ved temperaturer et godt stykke under frysepunktet kan oxygenatomerne stable sig i et kubisk mønster eller, som i tilfældet med amorf is, forhindres i overhovedet at danne nogen bemærkelsesværdig orden.
    Meget af bindingsnetværket, der er karakteristisk for krystallinsk is, binder også molekyler af flydende vand. Den essentielle forskel - og den der er kritisk for liv - er, at hydrogenbindingerne i flydende vand omfordeler sig hurtigt og konstant. Flydende vand er således i stand til at justere sin struktur, så det tilpasser sig de fysiske og kemiske krav, som levende ting stiller. Ligesom en luftboble kan stige op gennem vand, men ikke gennem fast is, skal organiske molekyler kunne bevæge sig mellem vandmolekylerne, hvis de skal kunne rekombinere til mere komplekse forbindelser.
    Måske er den mest spændende egenskab ved interstellar amorf is, at når den udsættes for stråling, som den der findes i det ydre rum, kan den også flyde - selv om dens temperatur er ganske få grader over absolut nul (som svarer til -273 grader celsius). Denne lighed med flydende vand tillader den at deltage i dannelsen af organiske forbindelser. Forskerne begyndte først at få mistanke om denne lighed i de tidlige 1970'ere, da de undersøgte isens kemi i hjertet af kolde molekylære skyer i det interstellare rum. Tidlige eksperimenter fra den æra af pionerforskerne J. Mayo Greenberg fra Leiden University i Holland og Louis J. Allamandola fra Ames Research Center demonstrerede, at op til 10 procent af rumfanget af interstellare iskorn er sammensat af enkle molekyler som kultveilte, kulilte, metanol og ammoniak.
    Siden da har specialiserede teleskoper observeret infrarød og submillimeter stråling - som kan gennemtrænge større mængder støv og gas end synligt lys kan - og har sat astronomer i stand til at detektere mere end 100 forskellige organiske forbindelser i kolde molekylære skyer. Ved at sammenligne de infrarøde spektre af skyer i rummet med lignende målinger af interstellar is, som blev fremstillet i laboratoriet, fik forskerne mistanke om, at mange af de organiske forbindelser stammede fra interstellare iskorn, som var frosne på kerner af kisel eller carbon. I tætte molekylære skyer er disse støvkerner ikke større end en titusindedel af en millimeter.
    Til trods for disse flittige observationer havde forskerne stadig ingen forklaring på, hvordan de organiske molekyler kunne bevares og reagere inde i isen. Betydningen af isens afvigende materialeegenskaber for organisk syntese blev først tydelig, da vi begyndte at studere dens form under lavt tryk på Space Science Microscopy Laboratory ved Ames. Vi lavede film af is, der kun var nogle få hundrede molekyler tykke, ved at fryse vanddamp inde i et særligt modificeret kryoteknisk transmission elektron mikroskop. For at overvåge forandringer i isens form og struktur optog vi billeder i stor forstørrelse og elektrondiffraktionsmønstre, når isen opvarmedes eller afkøledes.

DOMINIC HART; NASA AMES RESEARCH CENTER

FLYDENDE HELIUM undslipper fra et specialiseret elektronmikroskop, mens forfatterne, Peter Jenniskens (venstre) og David F. Blake forbereder en prøve af amorf is.

Når temperaturen i vort kryotekniske mikroskop var lav nok (under 30 kelvin) og når vandmolekylerne blev afsat langsomt nok (færre end 100 mikron i timen), skabte vi et amorft fast stof, som var meget lig strukturerne af den interstellare is, som udledes fra infrarøde spektre. Vore eksperimenter viste, at denne is var af en særlig form af høj tæthed, som indtil da kun kendtes fra et ubekræftet røntgenstråle-diffraktionseksperiment, som blev udført i 1976. Vi bekræftede, at vanddamp, der var afsat ved omkring 14 grader over absolut nul, havde en anden amorf struktur end en lignende afsætning dannet ved en varmere temperatur på 77K. Vi kunne faktisk følge overgangen fra formen ved lav temperatur til formen ved høj temperatur, når vi langsomt opvarmede isen. Vi kunne bedst forklare diffraktionsmønstrene ved lavtemperaturformen, hvis vi antog, at nogle vandmolekyler var frosne inde i de delvist dannede bure af nabomolekyler. Denne overpakning af oxygenatomer giver amorf is af høj tæthed, som med 1,1 gram pr. kubikcentimeter er omkring 15 procent tættere end almindelig is.
    Vi bekræftede også opdagelserne gjort i 1984 af H.G. Heide, som da var på Fritz Haber Institute ved Max Planck Society i Berlin; han bombarderede amorf is af høj tæthed med elektroner af høj energi. Da han udførte dette eksperiment ved temperaturer under 30 K omstruktureredes isen hurtigt; den flød faktisk. Opdagelsen, at amorf is ligner flydende vand mere end krystallinsk is, kom som en stor overraskelse. De fleste forskere havde tidligere antaget, at alle former for vandis ville forblive uforandrede næsten evigt, når den blev afkølet under nogle få titals kelvin. Heide havde fundet, at isen, uanset dens begyndelsesstruktur, ville omdannes til den amorfe form med høj tæthed, når den blev bestrålet. Andre forskere har siden opdaget, at ultraviolette fotoner, som ofte gennemstråler kolde molekylære skyer, også kan ændre isens struktur på denne måde.
    Ved at trække på vore eksperimenter på Ames sluttede vi, at denne stråling omdanner det meste af den interstellare is til den amorfe form af høj tæthed. Vi forstår nu, at overpakkede vandmolekyler i denne is og defekterne, der findes i det molekylære stabelmønster, letter molekylær mobilitet inde i strukturen. Det resulterer i, at det er inde i den interstellare is, at de biologisk vigtige grundstoffer carbon, oxygen og nitrogen samledes for første gang og dannede organiske forbindelser. Studier viser, at når amorf is af høj tæthed udsættes for energirige partikler eller fotoner, så nedbrydes urenheder som kulilte og ammoniak til radikaler, der kan bevæge sig inde i isen, indtil de kombinerer med andre reagerende arter.
    Da vi først havde etableret en fornuftig mekanisme for oprindelsen af organiske forbindelser inde i interstellar is, undrede vi os over, hvordan sådanne stoffer kunne være blevet bevaret gennem den tid og de afstande, der var nødvendige for at nå Jorden. De bedste kandidater til dette er kometer - rester af de isplanetesimaler, der samlede sig under en kold molekylær skys tyngdemæssige kollaps ved dannelsen af vort solsystem. Under den proces var temperaturerne nær protosolen høje nok til at omdanne alle på nær de mest varmebestandige grundstoffer og forbindelser til gas. I de køligere områder af soltågen udenfor Jupiters bane kunne den amorfe is og de organiske forbindelser, der blev dannet inde i den, være blevet bevaret, mens støvet samlede sig til kometer og andre planetesimaler.

På vej mod Jorden

Ved at studere kometernes haler når de passerer gennem det indre solsystem, har forskerne udledt, at den meste vandis i kometer stadig må være af den amorfe form. Når kometer nærmer sig solen, begynder de at frigive gasser som kulilte og methan i deres haler. Men denne frigørelse sker ved meget højere temperaturer end man ville forvente, hvis forbindelserne var blevet faste i afsætninger, som var adskilt fra isen. (Hvis disse yderst flygtige forbindelser var frosne i kometer som diskrete komponenter, ville kometerne have frigjort dem ved meget lavere temperaturer - længe før de nåede det indre solsystem.) I stedet må gasserne være blevet fanget inde i isens struktur, men hvordan?
    Under kometdannelsen opvarmes isen og beholder derfor sandsynligvis ikke sin amorfe struktur med høj tæthed. I stedet vil den lille opvarmning omdanne strukturen til den amorfe form med lav tæthed. I vore kryotekniske eksperimenter opdagede vi, at overgangen sker gradvist mellem 35 og 65 K. Hydrogenbindinger brydes og gendannes i løbet af denne proces og tillader bevægelse og kemisk rekombination af molekylære fragmenter inde i isen. Ikke før isen opvarmes nok til at krystallisere udelukkes flygtige molekyler fra vandstrukturen og udstødes i rummet.
    Da vi studerede, hvordan krystallisering afhænger af tiden og temperaturen fandt vi, at det første trin af sand krystallisering begynder ved omkring 135K og tvinger vandmolekylerne til at blive stablede i et kubisk mønster. Organiske molekyler ville ikke overleve i denne kubiske is, men vi opdagede også, at en distinkt amorf komponent efterlades, selv når isen opvarmes. Kun omkring en tredjedel af isen krystalliserer; resten forbliver i en uordnet struktur, som adskiller sig meget lidt fra de amorfe typer af høj og lav tæthed.
    Før vi udførte vore eksperimenter, var forskerne klar over, at amorf is bliver til en tyktflydende væske mellem 125 og 136 K. Indenfor dette område ændres opvarmningshastigheden af isen brat - et fænomen som er velkendt fra studiet af andre amorfe materialer som vinduesglas. Under dette kritiske temperaturområde, kaldet glas overgangen, modstår materialet deformation og opfører sig som et fast stof; over dette område kan det bearbejdes og formes. Væskens viskositet lige over glas overgangstemperaturen er dog mere som kold sirup end almindeligt flydende vand. En bevægelse, som ville tage et sekund i flydende vand, ville kræve 100.000 år i den viskøse variant. Det er alligevel ikke lang tid i en komets liv.

DON FOLEY

 Indtil vor opdagelse mente man, at denne usædvanlige form for flydende vand var sjælden i rummet. De fleste forskere havde antaget, at vand ved denne temperatur hurtigt ville krystallisere til kubisk is, men vi fandt, at mellem 150 og 200 K kan den tyktflydende væske sameksistere uendeligt med den kubiske is. Denne væske er derfor en potentielt vigtig komponent af kometers overflade og på de isrige måner af naboplaneterne, som alle ligger indenfor dette temperaturområde. Hvad kometerne angår kunne blandingen af tyktflydende væske og krystallinsk is fange gasmolekyler under overfladen og hjælpe med at bevare vigtige organiske forbindelser gennem tiden - måske endda til kometen nåede Jordens bane.
    Og det bringer os tilbage til den mere velkendte form for vandis på Jorden. Yderligere opvarmning af blandingen af kubisk is og tyktflydende vand til omkring 200 K (stadig iskolde -73 grader Celsius) vil føre til en fuldstændig omstrukturering af isen til dens jordiske heksagonale form. Under denne omkrystallisering udelukkes alle tilbageværende urenheder - inkluderende organiske forbindelser - fra isen. Fra dette punkt er isen meget, som vi kender den: isen fra snefnug, gletschere og isterninger. Men heldigvis har de organiske stoffer nu et nyt sted at finde ly: i det flydende vand som findes næsten overalt på Jorden.
    Det forekommer, at vand var tilstede på hvert trin i skabelsen og behandlingen af molekylerne, der er nødvendige for liv. Det gennemgik den lange rejse fra dets oprindelse som frost på interstellare støvkorn til dets endelige skæbne som flydende vand på Jorden - og måske i andre beboelige zoner i universet. Disse eksotiske former for is med fysiske egenskaber og kemier som vi først nu er begyndt at forstå, kan med tiden forklare mere om universets historie, end forskerne nogensinde forventede.

Mere at udforske

Solar System Ices. B. Schmitt, C. DeBergh og M. Festou. Kluwer Academic Publishers, 1998.

Organic Molecules in the Interstellar Medium, Comets and Meteorites: A Voyage from Dark Clouds to the Early Earth. P. Ehrenfreund og S. Charnley i Annual Review of Astronomy and Astrophysics, Vol. 38, pages 427-483; 2000.

Is på NASA Ames Research Center: http://exobiology.arc.nasa.gov/ice

* David F. Blake og Peter Jenniskens har arbejdet sammen på NASA Ames Research Center siden 1993. Det år vandt Jenniskens en National Research Council tildeling til at studere usædvanlige former for is med Blake på centrets Space Science Microscopy Laboratory, som Blake grundlagde i 1990. Blake arbejder også som chef for Exobiology Branch på Ames. Hans andre forskningsinteresser inkluderer at søge efter tegn på liv i udenjordiske klipper og at konstruere instrumenter til rumfartøjer der kan analysere mineraler på andre planeter. Jenniskens ledede også NASAs første astrobiologimission til at udforske, hvordan stof fra kometer slog ned på Jorden under den nylige Leonid meteorbyge.

fra Scientific American, august 2001, pp. 36-41.

24. august, 2007.

Indhold
Index