Kamienie z nieba jako małe reaktory chemiczne

Aby zrozumieć, jaką rolę pełnią meteoryty w nauce, musimy cofnąć się w czasie prawie 4,6 miliarda lat wstecz, do czasu, gdy powstał nasz Układ Słoneczny. Wszystkie występujące w nim obiekty, od Słońca, przez planety skaliste, gazowe i lodowe, aż po najdalszych kuzynów Plutona i zimne jądra kometarne, powstały z pierwotnej mieszaniny gazu i pyłu, która zagęściła się i ogrzała pod wpływem własnego pola grawitacyjnego.

Większość otaczających nas obiektów astronomicznych powstała w ciągu zaledwie kilku lub kilkunastu milionów lat, co w skali 4,5 miliarda lat jest naprawdę krótkim okresem. Luźne agregaty pyłu i lodu zderzały się ze sobą, podgrzewając się, stapiając i zagęszczając, ostatecznie stając się znanymi nam dziś planetami, satelitami i pomniejszymi obiektami Układu Słonecznego. Te z nich, które „ukradły” z pierwotnego ośrodka protoplanetarnego szczególnie duże porcje gazu, znamy dziś jako planety gazowe, jednak wszystkie bez wyjątku pochodzą z jednego zbiornika zawierającego trudną do precyzyjnego zdefiniowania mieszaninę gazu, pyłu i lodu.

W poszukiwaniu najstarszego kamienia

Mogłoby się więc wydawać, że posiadamy wokół siebie potężny zasobnik próbek mogących nam pomóc w zidentyfikowaniu składu tego „pierwotnego gruzu” – bądź co bądź, chodzimy właśnie po gigantycznej kamiennej kuli zbudowanej właśnie z niego. Rzecz w tym, że wszelkiego typu procesy zachodzące w młodych i dojrzałych układach planetarnych „zacierają” ślady po pierwotnej tożsamości ośrodka, z którego powstały. Leżące na powierzchni Ziemi kamienie, a nawet najgłębiej położone próbki skał, przeszły już przez wiele cykli przemian geologicznych, a większość z nich jest względnie młoda – przynajmniej w skali geologicznej. Cudem jest odnalezienie próbki skalnej powstałej w ciągu pierwszych 500 mln lat istnienia naszej planety i znane są tylko pojedyncze miejsca na powierzchni Ziemi, gdzie występują skały starsze niż 4 mld lat.

Nawet znacznie mniej aktywne od Ziemi planety niewiele pomagają. Powierzchnia Marsa czy nawet Merkurego ma za sobą bogatą historię, poza tym sam proces powstawania planet oznacza całkowite lub niemal całkowite przetopienie „pierwotnego gruzu” – wydaje się, że każdy obiekt Układu Słonecznego większy od ok. 1000 km był kiedyś całkowicie przetopiony, co w przypadku ciał skalistych jak Ziemia oznacza istnienie globalnego oceanu magmy. Niemal wszystkie ślady, zwłaszcza chemiczne, pochodzące z epoki sprzed powstania Układu Słonecznego, zostają całkowicie „wykasowane”, gdy skały stopi się do postaci magmy. Na ratunek przychodzi nam jednak pas asteroid, określamy czasem – w zasadzie słusznie – jako „nieudana planeta”. Pas asteroid to –poważnie przetrzebiona – populacja pierwotnych obiektów skalnych, które do dziś nie osiągnęły rozmiaru planetarnego, najprawdopodobniej ze względu na wpływ grawitacyjny Jowisza.

Zdecydowana większość meteorytów – czyli obiektów skalnych, które pochodzą spoza Ziemi, ale trafiły na jej powierzchnię – pochodzi właśnie z pasa asteroid, choć istnieją i inne źródła materii kosmicznej. Istnieją choćby całe rodziny meteorytów, które stanowią fragmenty powierzchni Księżyca czy Marsa, wybite z ich powierzchni w trakcie powstawania kraterów.

Na scenę wchodzi chondryt węglisty

Szczególnie cenne dla badaczy młodego Układu Słonecznego są jednak te, które od momentu swojego powstania nie zostały w znaczącym stopniu zmodyfikowane, np. w wyniku silnego uderzenia albo podgrzania do wysokich temperatur – tzw. meteoryty „prymitywne”. Na celowniku naukowców znalazły się tzw. chondryty węgliste, czyli względnie rzadka podgrupa chondrytów, stanowiących z kolei jedną z najpowszechniej występujących grup meteorytów. Chondryty to, mówiąc w uproszczeniu, zwykłe meteoryty „kamienne” (w przeciwieństwie do meteorytów metalicznych, a więc składających się ze stopu metali, najczęściej żelaza i niklu), posiadające przy tym tzw. chondry, czyli maleńkie kuleczki będące pozostałością po gorących początkach naszego Układu Słonecznego.

Warto zwrócić uwagę na przymiotnik „węglisty”. Węgiel jest pierwiastkiem, który, jeśli spojrzeć na niego z perspektywy badacza skał, niespecjalnie dobrze znosi wysokie temperatury. Jeśli silnie podgrzeje się próbkę skały zawierającą rozpuszczone w niej atomy węgla, będą one miały tendencję do uciekania z niej. W warunkach ziemskich oznacza to na przykład w praktyce, że z magmy wulkanicznej uciekają bąbelki dwutlenku węgla. W warunkach wysokich ciśnień węgiel przemienia się z kolei w diament, stanowi więc bardzo dobry „barometr”, pozwalający na ocenienie, czy dana skała nie została w przeszłości silnie ściśnięta. Gdy więc dany meteoryt zawiera znaczącą ilość węgla, jest to sygnał, że może stanowić próbkę prymitywnego materiału, nieprzetworzonego chemicznie i fizycznie.

Chondryty węgliste, co istotne, spełniają to oczekiwanie z nadwyżką: okazuje się bowiem, że zawartość w nich niemal wszystkich pierwiastków odpowiada w dużym stopniu proporcji, w jakiej występują w „uśrednionym chemicznie” Układzie Słonecznym. Gdyby więc wyobrazić sobie, że wkładamy wszystkie jego składniki – od Słońca po najdalsze komety – do potężnego blendera i dokładnie je mieszamy, a następnie odciągamy z niego próbkę, to uzyskana mieszanina byłaby łudząco podobna do składu chemicznego chondrytów węglistych. Jedynym brakującym składnikiem są pierwiastki wysoce lotne – jak choćby wodór czy gazy szlachetne – których próżno szukać w ciele stałym, jakim jest mimo wszystko kawałek kosmicznej skały. Oprócz tego, chondryty węgliste wydają się jednak być znakomitym kandydatem na próbkę pierwotnej materii planetarnej.

Pierwotna chemia

I tu czeka na nas największe chyba zaskoczenie – obecność w chondrytach węglistych związków organicznych. Jest to dziś równie dużym zaskoczeniem, co w 1969 roku, kiedy doszło do jednego z najsłynniejszych upadków meteorytów w historii. 28 września 1969 roku w pobliżu australijskiego miasteczka Murchison spadł potężny meteoryt, wywołując trzy duże odrębne błyski, a następnie dające się odczuć przez mieszkańców tego miasta drżenie ziemi. Łącznie na Ziemię spadło ok. 100 kg materii, przy czym największy pojedynczy fragment waży ok. 7 kg. Jeden z kawałków przebił dach szopy jednego z lokalnych farmerów i został znaleziony w sianie (w historii meteorytyki istnieje tylko kilka przypadków śmierci w wyniku upadku meteorytu; żaden dobrze udokumentowany nie dotyczy ludzi – znany jest natomiast przypadek śmierci psa w Egipcie i krowy w Wenezueli, a także delikatnego puknięcia w głowę ugandyjskiego chłopca przez ważący ok. 3 gramy chondryt).

Było to w epoce wyjątkowo intensywnego zainteresowania podbojem przestrzeni kosmicznej (zaledwie dwa miesiące wcześniej nastąpiło wszak pierwsze lądowanie ludzi na Księżycu), więc spadek na Ziemię „gościa z Kosmosu” wywołał potężne zainteresowanie opinii publicznej. Sam meteoryt wyszedł naprzeciw oczekiwaniom, ponieważ zostały w nim wykryte nieporównywalne z jakimikolwiek wcześniejszymi przypadkami, i nielicznymi do dzisiaj, ilości rozmaitych związków organicznych. W chondrycie Murchison wykryte zostały m.in. węglowodory (aromatyczne i alifatyczne), kwasy karboksylowe (aż do 9 atomów węgla), alkohole, aldehydy, ketony, aminy, mocznik, puryny i pirymidyny (których bliskie pochodne są składnikami DNA) oraz potężna liczba najrozmaitszych aminokwasów (a więc składników białek). Co szczególnie ciekawe, wiele spośród tych aminokwasów nie występuje naturalnie w organizmach żywych, jest to więc w pewnym sensie „pełna talia”, podczas gdy życie na Ziemi gra tylko kilkoma kartami (choć w rzeczywistości „pełna talia” aminokwasów występujących we Wszechświecie jest jeszcze liczniejsza).

Odkrycie to pobudziło astronomów do tym żywszego badania naszego bliższego i dalszego otoczenia kosmicznego pod kątem obecności w nim złożonych związków chemicznych. Dopiero w kolejnych dekadach zostało solidnie potwierdzone, że występują one nie tylko w pierwotnych, „prymitywnych” meteorytach, ale również w lodzie kometarnym i gazie galaktycznym. Do dziś trwają intensywne prace nad jednolitą teorią „ewolucji chemicznej Wszechświata”. Katalog związków chemicznych poutykanych pomiędzy ziarnami mineralnymi chondrytów wciąż stanowią ważny punkt na mapie tej teorii.

Łukasz Lamża