Meteoryt Murchison: gość z innego świata i czasu

Murchison nie jest najpiękniejszym z meteorytów. W jego przekroju nie ma nic z witrażowych pallasytów, w których miodowe kryształy oliwinu otacza lśniące żelazo niklowe. Nie jest też podobny do oktaedrytów, które po przecięciu i wytrawieniu ujawniają misternie tkane z kamacytu i taenitu geometryczne wzory. Murchison jest inny. Wygląda w środku jak kawałek asfaltu. A jednak w oczach wielu naukowców to on jest największą meteorytową gwiazdą. We wrześniu mija 55 lat od jego lądowania na australijskiej ziemi.

Niebo nad Australią

Na wiele miesięcy przed dniem, kiedy meteoryt Murchison rozsypał się z hukiem po polach i pastwiskach niedaleko miejscowości o tej samej nazwie, zespoły naukowców i laboratoria w kilku krajach przygotowywały się już na badanie skał z kosmosu. Był rok 1969 i świat ekscytował się pierwszym załogowym lotem na Księżyc. Misja Apollo 11 wśród swoich celów miała m.in. przywiezienie próbek ze Srebrnego Globu. Ponad 20 kilogramów skał zebranych przez astronautów, po przebyciu kwarantanny trafiło do ośrodków naukowych, gdzie mogły być poddane najróżniejszym testom.

O badaniu księżycowych próbek będzie się później mówić, że „żaden inny materiał geologiczny nie był analizowany tak szczegółowo”. Potwierdzają to same wyniki. W skałach wykryto minerały nieznane na naszej planecie – armalkolit, trankwilityt i piroksferroit. Choć należałoby tę informację uściślić – nieznane, dopóki nie odkryto ich później także na Ziemi.

W takiej atmosferze wzmożonego zainteresowania kosmosem, 28 września 1969 r. coś spada z nieba nad Australią. Zdarzenie ma wielu świadków – niektórzy widzą błysk na niebie, wszyscy słyszą świst i huk, w oknach trzęsą się szyby, zwierzęta się boją, a nad miejscem upadku nieziemskiej materii unosi się wyraźna woń denaturatu.

W pierwszej chwili nikt nie wie, co się stało. Informacja trafia najpierw na najbliższy posterunek policji, ale niedługo później na miejsce przybywa ekipa poszukiwawcza złożona z badaczy i studentów geologii, za ich przykładem do przeczesywania terenu dołączają mieszkańcy okolicy. W ten sposób w krótkim czasie udaje się zebrać około 100 kilogramów fragmentów różnej wielkości. To będzie bardzo istotne dla późniejszych badań – materiału jest pod dostatkiem, a jego skład nie był znacząco zmieniony przez warunki panujące na Ziemi.

Starsze niż Słońce

Murchison jest przedstawicielem tzw. chondrytów węglistych, które stanowią jedynie 4 proc. znajdowanych meteorytów. Daniel Glavin z NASA nazywa je „skamieniałościami Układu Słonecznego”, ponieważ ich skład i budowa nie zmieniły się od 4,5 mld lat, zachowując w sobie zapis środowiska chemicznego i fizycznego z czasów, kiedy powstawała Ziemia i sąsiadujące planety.

Wszystkie odmiany chondrytów (te stanowią 85 proc. znajdowanych meteorytów) zawdzięczają swoją nazwę chondrom, czyli malutkim, mającym zwykle od 0,1 do 4 milimetrów średnicy, kuleczkom zbudowanym z kryształów oliwinu i piroksenu. Chondry uważa się za jedną z najstarszych zachowanych do dziś próbek materii z początków Układu Słonecznego. Jeszcze nieco starsze mogą być inne rodzaje drobinek znajdowanych w chondrytach węglistych – inkluzje wapniowo-glinowe. Nazywa się je też inkluzjami wysokotopliwymi lub ogniotrwałymi, ponieważ minerały, które tworzą te wrostki, charakteryzują się wysokimi temperaturami topnienia. Oznacza to, że kiedy bardzo gorące środowisko, w którym materia skalna jest w stanie ciekłym, się ochładza, minerały wysokotopliwe jako pierwsze przejdą do stanu stałego. Gdyby temperatura miała zaś znowu wzrosnąć, byłyby ostatnimi drobinkami, które ulegną stopieniu.

Na podstawie informacji na temat właściwości fizycznych i chemicznych poszczególnych minerałów i pierwiastków, można z budowy inkluzji wysokotopliwych znajdowanych w meteorytach wywnioskować, co się działo w czasie, kiedy powstawał Układ Słoneczny i świadkiem jakich procesów w kosmosie była dana grudka. W chondrach da się dodatkowo analizować, co stało się z ich charakterystyczną kulistą formą. Jak tłumaczy Andrzej Manecki w książce „Meteoryty. Oblicza gości z kosmosu”, w obłoku protoplanetarnym chondry zderzały się ze sobą, plastyczne ulegały deformacji, natomiast skrystalizowane – uszkodzeniom lub rozbiciu. Te, które ujawniają w przekroju charakterystyczne obwódki podobne do atolu, doświadczyły prawdopodobnie szoku termicznego. Analizując skład meteorytów, naukowcy mogą więc snuć hipotezy na temat temperatury, ciśnienia i ruchów materii, jakie miały miejsce w tej części kosmosu miliardy lat temu.

Chondry i inkluzje wysokotopliwe występują w różnych meteorytach. To, co jest niezwykłe w przypadku Murchisona, to materiał presolarny, czyli drobinki pyłu powstałe pod koniec życia gwiazd, które istniały w kosmosie, zanim narodziło się Słońce. To dzięki ziarnom presolarnym media swego czasu rozpisywały się o najstarszej materii, jaką możemy badać w laboratoriach. Większość z tych znajdowanych w Murchisonie – są to zazwyczaj nanodiamenty i grudki węglika krzemu – ma około 5 mld lat, pojedyncze z nich datuje się na 7 mld lat. Philipp R. Heck z Chicago Field Museum tłumaczy, że 90 proc. ziaren presolarnych w meteorycie pochodzi z gwiazdy węglowej, co można wywnioskować z ich składu izotopowego. Pod koniec życia takiej gwiazdy węgiel, obecny w dużych ilościach w jej atmosferze, jest wywiewany i staje się częścią gwiezdnego pyłu. Węgiel w komórkach naszego ciała może mieć dokładnie to samo źródło, ale materiał presolarny w Murchisonie został zachowany w swojej niezmienionej – lub niemal niezmienionej – formie.

Ciasto skalne

Wszystkie te niesamowicie stare drobinki musiało coś ze sobą połączyć. Jak pisze Manecki, są one w chondrytach węglistych obecne „w masie niskotemperaturowych, uwodnionych krzemianów oraz substancji organicznej”. Każdy z tych przymiotników ujawnił się w Murchisonie w ciekawy sposób.

Głównym składnikiem ciasta skalnego w tym meteorycie są krzemiany warstwowe, powstałe jako produkt przemiany piroksenu i oliwinu przy udziale wody. Phil Bland, geofizyk zajmujący się rekonstruowaniem początków ewolucji Układu Słonecznego na podstawie materiału z meteorytów, próbuje wyjaśnić, co oznaczają różne pozornie sprzeczne przesłanki na temat wody w Murchisonie. Uważa on, że na skały z meteorytu działała woda o temperaturze 20-150 stopni Celsjusza. Obecność wody w ciele macierzystym Murchisona jest niezaprzeczalna, próbki z niego pochodzące do dziś zawierają jej około 12 proc. Trudno to jednak pogodzić z innymi faktami. Fragmenty meteorytu nie mają charakterystycznych żyłek powstających w skałach, kiedy przepływa przez nie woda i w szczelinach osadzają się niesione przez nią minerały. Wydawałoby się też, że płynąca woda w większym stopniu zmieniłaby pierwotne inkluzje skalne. Bland twierdzi, że przesłanki wskazujące na obecność wody i dowody na to, że nie płynęła, można pogodzić tylko w jeden sposób – ciało macierzyste Murchisona musiało być zbudowane... z błota.

Trudno to sobie wyobrazić w znaczeniu dosłownym – kula błota latająca w przestrzeni nie bardzo pasuje do krajobrazu kosmicznego, jaki znamy. Ale jeśli modele komputerowe dostaną za zadanie połączyć chondry, inkluzje wysokotopliwe, pył gwiezdny, lód i pewną ilość izotopów promieniotwórczych (których należałoby się tam również spodziewać) w warunkach wczesnego Układu Słonecznego, wtedy rzeczywiście powstanie asteroida, w której wnętrzu panuje dodatnia, umiarkowana temperatura, materiał skalny i woda tworzą błotnistą mieszankę, a całość otacza skorupa lodowa.

Do wyjaśnienia zostaje w takim razie jeszcze „substancja organiczna”. Żeby uniknąć nieporozumień, od razu wyjaśnijmy, że nie stanowi ona w meteorytach dowodu na istnienie życia, ale może być istotna dla badania jego źródeł na Ziemi.

Kto zasiał życie?

Wiele artykułów na temat początków życia zaczyna się podobnie jak ten na stronie Britanniki: „Pytanie o początki życia jest prawdopodobnie jednym z najważniejszych i jednocześnie najsłabiej rozumianych zagadnień biologicznych”. Do dziś nie jesteśmy pewni, w jaki sposób z materii nieożywionej powstały pierwsze organizmy na naszej planecie.

Jeszcze na początku lat 50. XX w. nie było jasne, czy złożone związki organiczne, takie jak aminokwasy budujące białka czy zasady azotowe występujące w DNA i RNA, mogą powstawać poza organizmami. W 1952 r. naukowcy na Uniwersytecie Chicagowskim, próbując odtworzyć chemiczne warunki wczesnej Ziemi, po raz pierwszy otrzymali aminokwasy w sposób syntetyczny z prostszych substancji – wody, metanu, amoniaku i wodoru. W tym czasie nie było też wiadomo, czy substancje organiczne mogą powstać poza naszą planetą. Co prawda niektóre z nich były wykrywane w meteorytach, jednak trudno było ustalić, czy istniały tam przed upadkiem, czy trafiły na nie jako ziemskie zanieczyszczenia.

Dużo w tej kwestii zmienia się w 1969 r. – to w Murchisonie po raz pierwszy stwierdzono jednoznacznie obecność substancji organicznych o pozaziemskim pochodzeniu. Z każdym rokiem lista odkrytych w tym meteorycie związków się wydłuża, dziś liczone są one już w dziesiątkach – jeśli nie w setkach – tysięcy. Znajdziemy tam m.in. aminokwasy (około 100 – organizmy ziemskie korzystają z 20), wszystkie zasady azotowe znane z kwasów DNA i RNA, cukry (w tym znaną z RNA rybozę) czy kwasy tłuszczowe, z których mogłoby powstać coś na kształt pierwszych błon komórkowych. Murchison otworzył w ten sposób nowy rozdział w myśleniu o tym, jak powstało życie. Może nie musiało ono wcale zaczynać się od tworzenia substancji organicznych w warunkach wczesnej Ziemi? Może pierwsze cegiełki budujące życie dosłownie spadły z nieba?

Powrót do kosmosu

Informacje o składzie chemicznym samego meteorytu są do dziś niewysychającym źródłem kolejnych analiz i artykułów naukowych. Ale pojawiła się też pokusa, żeby sprawdzić „w terenie”, jak bardzo powszechne w kosmosie są substancje, które Murchison przyniósł na Ziemię.

Nie do końca wiadomo, częścią jakiego większego ciała meteoryt był pierwotnie, choć z każdą dekadą udaje się wyczytać coraz więcej informacji o asteroidzie, której był kiedyś kawałkiem – bo taka jest niemal na pewno jego geneza. Naukowcy są więc żywo zainteresowani badaniem wszystkich ciał skalistych Układu Słonecznego: im lepiej je znamy, tym łatwiej nam zrozumieć również i meteoryty.

Warwick Holmes, inżynier pracujący dla Europejskiej Agencji Kosmicznej, przekonuje, że misja Rosetta (2004-2016) była inspirowana m.in australijskim meteorytem. Polegała na wysłaniu sondy kosmicznej wraz z lądownikiem w pobliże komety 67P/Czuriumow-Gierasimienko i przeprowadzeniu na miejscu różnych analiz – wśród urządzeń było ponad 20 instrumentów badawczych. Jeden z nich miał na celu m.in. „ocenę znaczenia materii organicznej z komet jako potencjalnego prekursora bardziej złożonej materii organicznej”.

Być może jeszcze wyraźniej widać wpływ Murchisona na misje wysłane w stronę asteroid. W 2020 r. japońska misja Hayabusa2 dostarczyła na Ziemię próbki z asteroidy Ryugu, a trzy lata później amerykańska misja OSIRIS-REx sprowadziła materiał z asteroidy Bennu. W obu przypadkach naukowcy zaangażowani w projekty za cel postawili sobie zbadanie, w jaki sposób materia organiczna powstaje w środowisku pozaziemskim i czy asteroidy miały wpływ na pojawienie się na Ziemi chemicznych prekursorów życia. W artykułach naukowych relacjonujących badania materiału z Ryugu i z Bennu autorzy regularnie zestawiają uzyskane wyniki z danymi dotyczącymi Murchisona.

Co więcej, meteoryt odgrywa też w tych misjach pewną zakulisową rolę. Próbki przywiezione z asteroid są niewielkie. Udało się zdobyć około 250 g materiału z Bennu i tylko 5,4 g z Ryugu. Zostały one rozdzielone między wielu badaczy, a duża część ma także zostać zachowana dla potomności, do analizowania bardziej zaawansowanymi technikami niż te, którymi dysponujemy teraz. To sprawia, że naukowcy czasem będą musieli pracować na próbkach, których wielkość można porównać do płatka śniegu. Żeby w krytycznym momencie uniknąć błędu, na wiele miesięcy wcześniej ćwiczą, testują techniki badawcze, kalibrują urządzenia, sprawdzają, czy dana metoda jest bezpieczna dla związków, które chcą wykryć. A to wszystko nie mogłoby się odbyć bez jakiegoś rzeczywistego materiału do badania. Wykorzystuje się więc w tym celu wciąż dostępne fragmenty meteorytu z Australii.

Urodzeni na kamieniu

Jak można podsumować to, co próbki spoza naszej planety mówią o życiu na Ziemi? Czy materiał organiczny jest w kosmosie wszechobecny? Pytam o to wspomnianego już astrobiologa Daniela Glavina, który w NASA zajmuje się analizowaniem materiału skalnego z kosmosu. Glavin odsyła mnie do artykułu z 2022 r., gdzie razem ze współpracownikami opisał odkrycie w Murchisonie ostatnich zasad azotowych znanych z RNA i DNA, których nie udawało się wcześniej w nim dostrzec. Tym razem zastosowano dużo łagodniejszą metodę ekstrakcji. Zamiast kwasu solnego czy mrówkowego badacze użyli chłodnej kąpieli wodnej i ultradźwięków. Ten sam sposób zastosowano już do sprawdzenia dwóch innych chondrytów węglistych.

– Wiele z zasad azotowych znalezionych w Murchisonie udaje się odkryć także w innych chondrytach węglistych, jeżeli zastosujemy metodę ultradźwiękową – tłumaczy Glavin. – Prawdopodobnie takie związki organiczne są wszechobecne w meteorytach bogatych w węgiel, szczególnie tych, które nie doświadczyły w swoich ciałach macierzystych wysokich temperatur – dodaje astrobiolog.

W samym wspomnianym artykule autorzy nieco śmielej stwierdzają: „Poniższa praca pokazuje, że wiele zasad azotowych z meteorytów mogło służyć za budulec DNA i RNA na wczesnej Ziemi”.

Czy badacze życie na Ziemi także uważają, że jego początków należy upatrywać w skałach z kosmosu? Na Uniwersytecie Chicagowskim – tym samym, gdzie otrzymano pierwsze aminokwasy z laboratorium – również dziś trwają próby zrozumienia, jak powstało życie na naszej planecie. Pracami zespołu kieruje Jack Szostak, biolog i genetyk, który Nagrodę Nobla otrzymał za odkrycie, jak chromosomy są chronione przez telomery i telomerazę. Zapytałam go, czy Murchison wpłynął na badania dotyczące początków życia.

– Procesy chemiczne, których wynikiem jest ta złożona mieszanina związków organicznych w meteorytach, same w sobie są ciekawe – podkreśla badacz. – Ale nie sądzę, żeby te substancje odegrały ważną rolę w procesie pojawienia się życia na naszej planecie. Po pierwsze, na powierzchni wczesnej Ziemi i w jej atmosferze możliwe było powstanie większej ilości substancji organicznych, niż mogłyby dostarczyć meteoryty. Po drugie, meteoryty zawierają bardzo dużą liczbę różnych związków organicznych, z których wszystkie występują w niskich stężeniach. Do powstania życia potrzebne jest odwrotne zjawisko: wysokie stężenie niewielkiej liczby odpowiednich związków. Odpowiedzią na ten problem mogłyby być propozycje Johna Sutherlanda, który pokazuje, że w warunkach wczesnej Ziemi możliwe było powstanie substancji organicznych w procesach wychodzących od cyjanowodoru i siarkowodoru – dodaje prof. Szostak

Ale dla zrozumienia genezy życia badania meteorytów nadal są bardzo ważne. Wspomniany Sutherland podkreślał w jednym z wywiadów: „Jeśli chcesz zrozumieć, jak mogło powstać życie na Ziemi, musisz najpierw mieć wiedzę o tym, jak powstawały planety, musisz znać historię komet i asteroid, a także ich kolizji, musisz rozumieć chemię organiczną, nieorganiczną i fizyczną, musisz też znać biologię”. Na potwierdzenie tych słów w swoich pracach odwołuje się do bogatej literatury poświęconej Murchisonowi.

***

Przyglądam się kawałkowi meteorytu – jasnym kropkom na asfaltowym tle. Murchison przyniósł na naszą planetę materiał o 2,5 mld lat starszy od najstarszego znanego do tej pory, zainspirował do wysłania w kosmos kilku misji badawczych i dostarczył wielu argumentów w dyskusjach na temat początków życia. Piękny wygląd nie był mu do niczego potrzebny.