Наука | Научпоп

Ученым удалось обнаружить в межзвездном пространстве гигантские серосодержащие кольца — сложные структуры, само существование которых в открытом космосе долгое время ставилось под сомнение. Эти данные заставляют пересмотреть современные представления о химическом составе Вселенной. Открытие меняет и наше понимание того, как зародилась жизнь на Земле, демонстрируя, что строительные блоки для биологических систем могли сформироваться непосредственно в космических глубинах.

Находка в центре Галактики

Группа исследователей из Института внеземной физики Макса Планка совместно с учеными из Центра астробиологии идентифицировала самую крупную серосодержащую молекулу из когда-либо найденных в космосе — 2,5-циклогексадиен-1-тион (C₆H₆S). Открытие было сделано при наблюдении за молекулярным облаком G+0.693–0.027, расположенным в центре Млечного Пути, на расстоянии около 27 000 световых лет от Земли.

До этого момента астрономам удавалось фиксировать в межзвездной среде лишь простые соединения серы. Обнаружение C₆H₆S меняет правила игры: это сложная структура из 13 атомов, организованных в устойчивое шестигранное кольцо.

«Это первое однозначное обнаружение сложной кольцеобразной молекулы, содержащей серу, в межзвездном пространстве. Это важнейший шаг к пониманию химической связи между космосом и строительными блоками жизни», — отмечает ведущий автор исследования Мицунори Араки (Mitsunori Araki).

По словам ученых, открытие устанавливает прямой «химический мост» между молекулярными облаками и материалами, которые мы находим в кометах и метеоритах Солнечной системы.

Роль серы и химия глубокого космоса

Почему астрофизики ищут именно серу? Этот элемент — не просто химическая добавка, а каркас биологической жизни. Сера входит в состав ключевых аминокислот (таких как метионин и цистеин), без которых невозможен синтез белков и работа ферментов.

Тот факт, что такие массивные молекулы, как 2,5-циклогексадиен-1-тион, способны формироваться и выживать в суровых условиях радиации и вакуума, доказывает: космос — это гигантская химическая лаборатория.

Этот тезис подкрепляется и параллельным исследованием ученых из Орхусского университета. Их эксперименты показали, что на поверхности частиц космической пыли, при экстремально низких температурах, аминокислоты могут самостоятельно собираться в пептиды. Таким образом, процесс усложнения материи — от атомов к кольцам и цепочкам — начинается задолго до формирования планет.

От доставки к катализу

Как эти космические «заготовки» стали жизнью? Основная теория предполагает массивную «доставку» ингредиентов на раннюю Землю посредством кометной и метеоритной бомбардировки.

Однако для возникновения жизни одной доставки мало. Попадая на планету, эти молекулы оказывались в уникальной среде. Земные условия способствовали превращению инертных газов атмосферы и простых элементов в химически активные соединения, необходимые для запуска биологических процессов.

Именно этот тандем — космическая доставка сложной «архитектуры» и земной катализ — объясняет, почему жизнь возникла так быстро. Древнейшие следы биологической активности (например, в графитовых породах Гренландии возрастом 3,7 млрд лет) указывают на то, что биосфера начала формироваться практически сразу, как только планета достаточно остыла. Жизни не нужно было тратить миллионы лет на «изобретение» базовых молекул — они были предоставлены космосом в изобилии.

Заключение

Открытие молекулы C₆H₆S закрывает важный пробел в нашем понимании абиогенеза. Теперь мы видим, что сложные химические структуры — это не уникальная особенность Земли, а, возможно, универсальное свойство Вселенной. Космос обеспечивает «детали конструктора», а планетарные условия собирают их в единое целое.

Исследователи из Токийского научного института объявили о прорыве, который может кардинально изменить мир биотехнологий. В статье, опубликованной в Nature Communications, они описали уникальный фермент MAN PPK2, способный в одной простой реакции производить все четыре «строительных блока», необходимых для синтеза РНК. Это открытие обещает значительно удешевить и ускорить производство мРНК-вакцин, противораковых препаратов и других РНК-технологий, сделав их доступнее для всего мира.

Дорого, сложно, медленно: «бутылочное горлышко» РНК-технологий

Пандемия COVID-19 показала невероятную мощь мРНК-вакцин, но вместе с тем обнажила и их главную слабость — высокую стоимость и сложность производства. В основе любой РНК-технологии лежит синтез молекулы РНК, для которого, как для строительства дома, нужны четыре типа «кирпичиков» — нуклеозидтрифосфаты (НТФ).

До сих пор их получение напоминало сложный многоступенчатый конвейер. Для производства каждого типа НТФ требовались отдельные ферменты и дорогостоящие, нестабильные источники энергии. Этот комплексный процесс был главным «бутылочным горлышком», которое делало производство мРНК-вакцин и лекарств дорогим и медленным, ограничивая их глобальную доступность.

Один фермент для «сборки» РНК: как работает научный прорыв

Решение этой проблемы пришло из мира микроорганизмов. Японские учёные под руководством профессора Томоаки Мацууры из Института наук о жизни и Земле (Earth-Life Science Institute, ELSI) выделили из морской бактерии Mangrovibacterium marinum фермент с поразительными свойствами, который они назвали MAN PPK2.

«Мы сосредоточились на специфическом ферменте полифосфаткиназе 2, MAN, — говорит профессор Мацуура. — Удивительно, но этот фермент смог преобразовывать все распространённые РНК-нуклеотиды с поразительной эффективностью».

Ключевое новшество метода заключается в использовании полифосфата — дешёвого, экологически чистого и широко доступного вещества. MAN PPK2 использует его для превращения всех необходимых предшественников в готовые «строительные блоки» РНК, реализуя концепцию «one-pot» однореакторного синтеза «в одной чашке».

Этот необычный для современных ферментов «универсализм» исследователи связывают с его эволюционным происхождением. «Хотя такая широкая активность необычна для современных ферментов, она может отражать то, как примитивные биологические системы обходились всего несколькими ферментами», — комментирует соавтор исследования, доцент Лиам Лонго.

Учёные на практике доказали работоспособность метода: с помощью MAN PPK2 они сначала синтезировали все четыре НТФ, а затем из них создали функциональную РНК, которая успешно произвела белок.

От лаборатории к миллиардному рынку: что изменит новый фермент?

Последствия этого открытия выходят далеко за пределы лаборатории. В первую очередь, оно окажет огромное влияние на медицину, поскольку удешевит производство мРНК-вакцин против гриппа и будущих пандемических угроз, а также откроет новые возможности для противораковой иммунотерапии.

Масштаб потенциальных изменений подчёркивают рыночные прогнозы. Ожидается, что мировой рынок мРНК-вакцин вырастет с $6.85 миллиардов в 2026 году до более чем $25 миллиардов к 2034 году. Практическую значимость работы подчёркивает и тот факт, что исследовательская группа уже подала в Японии патентную заявку, связанную с этим открытием.

Сами авторы исследования так резюмируют его значимость: «В целом, наше исследование подчёркивает, как принципы, заложенные в древней биологии, могут быть использованы для решения современных проблем — преодоления основных ограничений в РНК-технологиях с помощью простого ферментативного решения».

Ученые из Университета Висконсина-Мэдисон совершили прорыв в астрофизике, определив механизм, объясняющий, как из хаоса космической турбулентности рождаются упорядоченные крупномасштабные магнитные поля. Результаты, полученные с помощью одной из самых сложных в истории компьютерных симуляций и опубликованные в журнале Nature, открывают новые перспективы для понимания множества явлений — от слияния нейтронных звезд до прогнозирования солнечной активности.

Прорыв после семидесяти лет научных поисков

Магнитные поля пронизывают Вселенную: они управляют солнечным ветром, участвуют в формировании галактик и влияют на движение частиц высоких энергий. Однако их природа десятилетиями оставалась для ученых загадкой. Главный парадокс состоял в следующем: наблюдаемые в космосе поля крупномасштабны и упорядочены, тогда как все существующие теории предсказывали, что турбулентность плазмы способна порождать лишь мелкомасштабный хаотичный магнетизм.

«Проблема генерации магнитных полей изучалась на протяжении 70 лет, и разочаровывающий результат был почти всегда один: смоделированные поля получались мелкомасштабными и крайне неупорядоченными, что противоречит наблюдениям, — объясняет Пол Терри, профессор физики в UW–Madison и старший автор исследования. — Эта работа потенциально решает давнюю проблему».

Исследовательская группа под руководством Биндеша Трипати, научного сотрудника Колумбийского университета, предложила новый подход, основанный на двух ключевых идеях. Ученые предположили, что недостающий элемент — это постоянный градиент скорости, который возникает, когда разные слои газа или плазмы движутся с разной скоростью. Подобное происходит, например, в недрах Солнца или при слиянии нейтронных звезд.

Критическая роль устойчивых градиентов скорости

«Учитывая, что турбулентность известна как разрушительный агент, оставался вопрос: как она может создавать что-то конструктивное и крупномасштабное?» — говорит Трипати. Ответ заключается в поддержании устойчивого градиента скорости.

С помощью беспрецедентной по своему масштабу симуляции использующей около половины мощностей суперкомпьютера Anvil в Университете Пердью, команда смоделировала поведение плазмы в сетке из 137 миллиардов точек. За почти 100 миллионов процессор-часов было сгенерировано 0.25 петабайта данных. Результат оказался однозначным: при наличии в модели устойчивого градиента скорости изначально хаотичные магнитные вихри со временем самоорганизовывались в единое упорядоченное поле. В симуляциях, где градиент скорости затухал, этого не происходило — оставался лишь хаос.

«Так что это и есть главный ключ: наличие устойчивого, крупномасштабного градиента скорости», — подчеркивает Трипати.

От лаборатории до космоса

Хотя напрямую проверить теорию в далеком космосе пока невозможно, она уже нашла подтверждение в земных условиях. Выяснилось, что новая модель точно описывает результаты лабораторного эксперимента 2012 года, проведенного в Wisconsin Plasma Physics Laboratory. Данные того эксперимента противоречили всем теориям, существовавшим на тот момент, но теперь идеально вписываются в новую модель.

Потенциал практического применения открытия огромен. «Эта работа может объяснить динамику магнитных полей, возникающих, например, при слиянии нейтронных звезд и формировании черных дыр, что имеет прямое отношение к мультимессенджерной астрономии», — отмечает Трипати. Кроме того, это поможет лучше понимать магнитные поля звезд и точнее прогнозировать выбросы солнечной плазмы в сторону Земли, влияющие на нашу «космическую погоду».

Квантовая механика - это фундаментальная теория, описывающая поведение материи и энергии на атомном и субатомном уровнях. Её предсказания подтверждены с высокой точностью в многочисленных экспериментах, однако некоторые следствия теории вызывают трудности при интерпретации в терминах Классической физики. Эти трудности, часто называемые парадоксами, связаны с понятиями суперпозиции, запутанности и измерения. Ниже приведены ключевые экспериментально установленные факты, а также современные объяснения этих эффектов в рамках принятых интерпретаций и механизмов, таких как декогеренция и нарушение неравенств Белла.

Корпускулярно-волновой дуализм

Эксперименты демонстрируют, что квантовые объекты, такие как электроны или фотоны, проявляют свойства как волн, так и частиц в зависимости от условий наблюдения. В классическом эксперименте с двумя щелями одиночные частицы, проходя через две щели, создают на экране интерференционную картину, типичную для волн. Если установить детектор у одной из щелей, чтобы определить траекторию частицы, интерференция исчезает, и распределение на экране становится похожим на классическое для отдельных частиц.

Это явление наблюдается для широкого спектра объектов: от фотонов и электронов до атомов и некоторых молекул. Одним из объяснений этого эффекта служит принцип дополнительности, предложенный Нильсом Бором в 1927 году: волновые и корпускулярные свойства - это взаимодополняющие аспекты одного и того же явления. В эксперименте волновые свойства проявляются, когда система может интерферировать сама с собой, а корпускулярные - когда измеряется траектория.

Этот принцип подтверждён экспериментами, где степень проявления волновых свойств обратно пропорциональна точности определения траектории, в соответствии с принципом неопределённости Гейзенберга.

Но если волновые и корпускулярные свойства - это взаимодополняющие аспекты одного и того же явления, то что из себя представляет само это явление? Современная физика отвечает: волновые и корпускулярные свойства - это разные проявления еще более фундаментального объекта - квантовых полей.

Суперпозиция и коллапс волновой функции

Волновая функция, описываемая уравнением Шрёдингера, позволяет системе находиться в суперпозиции нескольких состояний. Например, спин электрона в суперпозиции может быть одновременно в состояниях "вверх" и "вниз". При измерении система переходит в одно из собственных состояний оператора измерения с определенной вероятностью.

Экспериментально суперпозиция подтверждена в системах от отдельных частиц до некоторых макроскопических объектов. Современное объяснение перехода от суперпозиции к классическому поведению даёт механизм декогеренции, разработанный в 1970-1980-х годах. Декогеренция - это процесс, при котором квантовые характеристики квантовой системы, такие как суперпозиция и запутанность, уничтожаются или теряются из-за взаимодействия с окружающей средой. Декогеренция приводит к быстрой потере фазовой когерентности между состояниями суперпозиции, делая интерференционные эффекты пренебрежимо малыми.

Время осуществления декогеренции для макроскопических систем крайне мало, что объясняет, почему суперпозиция не наблюдается в повседневном мире. Эксперименты подтверждают декогеренцию: добавление газа или лазерного излучения подавляет интерференцию, в точном согласии с расчётами.

Квантовая запутанность и нарушение неравенств Белла

Запутанность возникает, когда волновые функции нескольких частиц становятся неразделимыми после взаимодействия. Измерение свойства одной частицы коррелирует с результатом измерения другой, даже на больших расстояниях. Экспериментальные факты включают нарушение неравенств Белла, предсказанное Джоном Беллом в 1964 году. Эти неравенства устанавливают предел корреляций для локальных теорий со скрытыми переменными.

Эксперименты (А. Аспе и других) показывают нарушение неравенств с учётом всех возможных лазеек (локальности, эффективности детекции, свободы выбора). Современное объяснение: запутанность - это корреляция амплитуд вероятностей, не требующая сверхсветовой передачи сигнала.

Нелокальность проявляется в корреляциях, но не в причинно-следственных связях. Декогеренция ограничивает запутанность для макроскопических систем, но в изолированных условиях она сохраняется и фиксируется на расстояниях до тысяч километров.

Проблема измерения и современные подходы к ней

Проблема измерения связана с тем, что уравнение Шрёдингера описывает унитарную эволюцию волновой функции, но измерение приводит к необратимому проективному исходу. Экспериментально это проявляется в переходе от интерференции к классическому распределению.

Современное объяснение через декогеренцию: взаимодействие с окружающей средой (многомерной системой) приводит к ортогонализации состояний, делая систему классической с точки зрения локальных измерений. Расчёты показывают, что для типичных систем время декогеренции короче времени динамической эволюции, что объясняет появление классического мира.

Эксперименты с контролируемой средой подтверждают, что декогеренция подавляет интерференцию пропорционально степени взаимодействия с окружением. Есть и другие подходы к объяснению проблемы измерений, но эти модели имеют экспериментальные ограничения и не являются общепринятыми.

***

Квантовая механика точно предсказывает исходы экспериментов, но её парадоксы - это трудности интерпретации в классических терминах. Двойственная природа объясняется комплементарностью, суперпозиция и коллапс - декогеренцией, запутанность - корреляциями амплитуд вероятностей без сверхсветовой передачи данных.

Нарушение неравенств Белла подтверждает нелокальность корреляций. Декогеренция объясняет переход к классическому поведению. Эти факты воспроизводимы и лежат в основе современных технологий, таких как квантовые компьютеры и криптография.

Однако несмотря на то, что теория остаётся математически последовательной, её интерпретации - это по-прежнему предмет дискуссий.