Związki fosforu opracowane przez polsko-francuski zespół mogą pomóc wyjaśnić, jak ten kluczowy pierwiastek dotarł na Ziemię i czy mógł uczestniczyć w powstaniu życia
Skąd na Ziemi wziął się fosfor? Choć to pierwiastek absolutnie kluczowy dla życia – obecny w DNA, błonach komórkowych i odgrywający istotną rolę w metabolizmie – jego pozaziemskie ścieżki wciąż kryją wiele tajemnic. Naukowcy z Instytutu Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk (IChF PAN) postanowili zajrzeć w głąb chemii kosmosu i stworzyć związki, które mogłyby istnieć w międzygwiezdnych obłokach, a może nawet stamtąd trafić na naszą planetę.
Fosforowi kuzyni astromolekuł
Fosfor jest kluczowy dla powstawania życia, ale około dwustu razy mniej rozpowszechniony od azotu. Stąd, chociaż w tak zwanym ośrodku międzygwiazdowym odkryto aż ponad sto związków azotu, dotąd poznaliśmy zaledwie siedem związków fosforu znajdujących się w przestrzeni międzygwiezdnej.
Tymczasem na Ziemi fosfor jest nadreprezentowany i odgrywa kluczowe znaczenie między innymi w fosfolipidach, kwasach nukleinowych czy nukleotydach. Jak doszło do tej nieoczekiwanej koncentracji? Jakie pozaziemskie związki fosforu mogą jeszcze czekać na odkrycie? I w jaki sposób związki te ewoluują, zmieniając się w substancje, które obserwujemy na Ziemi?
Aby to sprawdzić, zespół pod kierownictwem prof. Roberta Kołosa, we współpracy z prof. Jean-Claude’em Guilleminem z École Nationale Supérieure de Chimie de Rennes, zsyntetyzował dwa bardzo reaktywne związki zawierające fosfor: fosfabutadien (HC₃P) i winylofosfaetyn (H₂CCHCP). Są to chemiczne analogi znanych „azotowych” cząsteczek występujących w kosmosie – cyjanoacetylenu (HC₃N) i cyjanku winylu (H₂CCHCN), które od dawna są obserwowane przez radioteleskopy w mgławicach i atmosferach planet. Naukowcy chcieli sprawdzić, w jaki sposób może dojść do powstania zawierających fosfor analogów, i czy związki te mogły stanowić prekursory fosforowych cząsteczek odkrywanych na Ziemi.
Zamrożeni w argonie
Oba związki są niezwykle nietrwałe i szybko reagują, co untrudnia ich badanie. Dlatego naukowcy sięgnęli po unikalną metodę. Najpierw uwięzili w zamrożonym argonie w temperaturze około -263 st. Celsjusza cząsteczkę fosfabutynu (CH3CH2CP), a następnie poddali ją działaniu promieniowania UV. Potraktowana w ten sposób cząsteczka traci wodór i dochodzi w niej do przegrupowania atomów (tzw. izomeryzacji). W efekcie powstały wspomniane fosfabutadien i winylofosfaetyn. Jako, że nadal były uwięzione w zamrożonym argonie, naukowcy mogli swobodnie przyjrzeć się ich właściwościom bez obaw, że szybko wejdą w reakcję z otoczeniem.
W badaniach udało się zidentyfikować inne egzotyczne produkty fotochemii: m.in. HCP (fosfaetyn), HCCP (etynylofosfiniden) i szereg izomerów cząsteczki wyjściowej – fosfabutynu. Wszystkie one mogą być potencjalnymi składnikami międzygwiezdnych drobin lodu, formujących się na ziarnach pyłu w obłokach molekularnych.
„HC₃P, fosforowy analog słynnej astromolekuły HC₃N, jest obiecującym kandydatem do wykrycia przez Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba” – uważa dr Thomas Custer z IChF PAN. Oznacza to, że możemy wkrótce dowiedzieć się, czy związki takie, jak fosfabutadien istnieją w międzygwiezdnej przestrzeni i, co za tym idzie, czy mogły odegrać rolę w procesie powstawania życia.
Badania zostały dofinansowane przez program PHC Polonium.
Artykuł naukowy „Isomerisation of phosphabutyne and a photochemical route to phosphabutadiyne (HC₃P), a phosphorus analogue of cyanoacetylene” opublikowano w czasopiśmie Physical Chemistry Chemical Physics (2025)
DOI: 10.1039/D4CP04182H.
Zdjęcie wyróżniające: fot. Grzegorz Krzyżewski.