[논문 리뷰] Interstellar ices: a possible scenario for symmetry breaking of extraterrestrial chiral organic molecules of prebiotic interest

Louis Le Sergeant d’Hendecourt, P. Modica외 3명|arXiv (Cornell University)|2019. 02. 12.

Molecular Spectroscopy and Structure참고 문헌 28인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 성간 얼음에서 형성된 편광성 유기 분자에서 원형 편광 빛(CPL)이 비대칭성을 유도할 수 있으며, 이는 생명체의 동일자성의 기원에 대한 가능성이 있는 천체물리적 메커니즘을 제공한다. SOLEIL 입자충돌기에서 실시한 성간 얼음 조건 시뮬레이션 실험을 통해 저자들은 원형 편광 빛이 아미노산에서 측정 가능한 대칭성 과잉을 생성함을 입증하였으며, 천문화학과 지구상의 동일자성 기원을 연결지었다.

ABSTRACT

In the laboratory, the photo-and thermochemical evolution of ices, made of simple molecules of astrophysical relevance, always leads to the formation of semi-refractory water-soluble organic residues. Targeted searches for specific molecules do reveal the notable presence of two families of important molecular ''bricks of life'': amino acids, key molecules in metabolism, and sugars, including ribose, the backbone of RNA molecules which support the genetic information in all living entities. Most of these molecules are indeed found in primitive carbonaceous meteorites and their implication in prebiotic chemistry at the surface of the early Earth must be seriously considered. These molecules are, almost all, chiral. In meteorites, some amino acids do show significant enantiomeric excesses, practically exclusively of the L-form. In our experiments, we investigate the role of circularly polarized light obtained from the DESIRS beamline of the synchrotron SOLEIL, a light commonly observed in regions of star formation, in order to generate an initial symmetry breaking in chiral amino acids produced and then indeed detected in our samples. We present first a brief global description of the chemical evolution of the Galaxy. Then, using our laboratory simulations, we suggest the importance of cosmic ices in the build-up of complex organic matter, including enantioenrichment at the surface of telluric planets like the Earth, thus establishing a link between astrochemistry and astrobiology.

연구 동기 및 목표

• 성간 얼음에서 형성된 비대칭 유기 분자에서 원형 편광 빛(CPL)이 대칭성 과잉을 유도하는 역할을 조사한다.
• 성간 얼음 화학과 전구체 분자의 동일자성 기원을 연결하는 실험 기반 시나리오를 수립한다.
• 혜성 또는 운석을 통해 초기 지구에 비대칭성 강화된 유기 분자가 도달할 수 있는 천문화학적 경로를 탐색한다.
• 성간 얼음 조사 실험 결과를 탄소 함유 우주 낙성체에서 관측된 대칭성 과잉과 비교하여, 제안된 천체물리적 시나리오의 타당성을 검증한다.
• 복잡한 유기물, 특히 생명 기원에 관련된 비대칭 분자를 포함한 복합 유기물의 저장소로서 우주 얼음의 중요성을 평가한다.

제안 방법

• 일반적인 분자(예: H2O, CH3OH, NH3)로 구성된 성간 얼음의 실험적 시뮬레이션을 천체물리학적으로 유사한 조건에서 수행한다.
• SOLEIL 입자충돌기의 DESIRS 비임펄스에서 생성된 원형 편광 빛(CPL)으로 얼음 시료를 조사한다.
• 복합 유기 분자(아미노산 및 당 등)의 형성을 감지하기 위해 스펙트로스코픽 기법을 사용하여 화학적 진화를 모니터링한다.
• 유기 잔류물의 비대칭 분자 분석 및 편광 크로마토그래피 또는 스펙트로스코피를 이용한 대칭성 과잉 측정.
• 실험 결과를 우주 낙성체 데이터와 비교하여 제안된 천체물리적 시나리오의 관련성을 검증한다.
• 원형 별 형성 영역 및 태양계의 얼음 천체 환경을 모의하기 위해 온도와 방사선 조건을 통제한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 성간 얼음에서 형성된 비대칭 유기 분자에서 성간 영역 내 원형 편광 빛(CPL)이 비대칭성 강화를 일으킬 수 있는가?
• RQ2 모의 성간 조건에서 아미노산의 대칭성 과잉을 생성하는 데 있어 CPL의 효율성과 선택성은 어떠한가?
• RQ3 실험적 얼음 시험에서의 비대칭 분자 수율과 대칭성 과잉은 탄소 함유 우주 낙성체에서 관측된 값과 어떻게 비교되는가?
• RQ4 성간 얼음 화학이 지구 행성에 비대칭성 강화된 전구체 분자를 얼마나 기여할 수 있는가?
• RQ5 우주 얼음이 라이보스, 아미노산 등 생물학적으로 관련된 유기 화합물의 형성에 어떤 역할을 하는가. 특히 비대칭성 깨짐을 어떻게 유도하는가?

주요 결과

• 원형 편광 빛(CPL)으로 조사된 성간 얼음 유사체는 물에 용해되는 유기 잔류물, 특히 아미노산과 라이보스와 같은 당을 포함한 비대칭 분자를 생성한다.
• 실험에서 아미노산의 대칭성 과잉을 성공적으로 검출하였으며, L-대칭성 분자의 우선성은 탄소 함유 우주 낙성체에서 관측된 과잉과 유사하다.
• 관측된 대칭성 과잉은 원형 편광 빛의 사용과 직접적으로 연관되어 있으며, 이는 제어된 천체물리적 환경에서 비대칭 광해리가 분자 대칭성을 깰 수 있음을 보여준다.
• 모의 성간 조건 하에서 복합 유기 분자, 특히 전구체 빌딩 블록인 아미노산과 당의 형성이 확인되어 외계 기원을 뒷받침한다.
• 실험 결과는 지구상의 생물학적 동일자성 기원과 관련된 초기 대칭성 깨짐을 설명할 수 있는 신뢰할 수 있는 물리적 메커니즘—즉, CPL 유도 비대칭 광해리—를 확립한다.
• 이 연구는 성간 얼음이 전구체 관련 비대칭 유기 분자를 제조하는 천체 공장 역할을 할 수 있다는 가설에 대한 실험적 검증을 제공한다.