Введение

Углеродные хондриты, или C-хондриты, — это класс хондритных метеоритов, включающий как минимум 8 известных групп и множество неклассифицированных метеоритов. Они содержат одни из самых примитивных известных метеоритов. C-хондриты составляют лишь небольшую долю (4,6%) от общего числа наблюдаемых падений метеоритов. К известным углеродным хондритам относятся: Альенде, Мёрчисон, Оржёй, Ивуна, Мюррей, Тагиш-Лейк, Саттерс-Милл и Уинчкомб.

Общее описание

Хондриты C содержат высокое содержание углерода (до 3%), который представлен в виде графита, карбонатов и органических соединений, включая аминокислоты. Кроме того, они содержат воду и минералы, подвергшиеся воздействию воды. Углеродистые хондриты не подвергались воздействию высоких температур, поэтому практически не изменились в результате термических процессов. Некоторые углеродистые хондриты, такие как метеорит Альенде, содержат кальций-алюминиевые включения (CAI). Это соединения, образовавшиеся на ранних этапах из первобытной солнечной туманности, которые конденсировались и представляют собой самые древние минералы, сформировавшиеся в Солнечной системе. Некоторые примитивные углеродистые хондриты, такие как CM-хондрит Мурчисон, содержат пресолнечные минералы, включая моисанит (природный карбид кремния) и крошечные алмазы размером в нанометры, которые, по всей видимости, не образовались в нашей Солнечной системе. Эти пресолнечные минералы, вероятно, сформировались во время взрыва близлежащей сверхновой звезды или в окрестностях пульсирующего красного гиганта (точнее: так называемой звезды AGB) до того, как они попали в облако вещества, из которого образовалась Солнечная система. Такие взрывы звезд высвобождают ударные волны, которые могут сжимать облака вещества вокруг них, приводя к образованию новых звезд и планетных систем. Другой углеродистый хондрит, метеорит Фленсбург (2019), предоставляет доказательства самого раннего известного на сегодняшний день существования жидкой воды в молодой Солнечной системе.

Состав и классификация

Углеродные хондриты группируются в соответствии с характерными составами, которые, как считается, отражают тип родительского тела, из которого они образовались. Эти группы хондритов C теперь обозначаются стандартным двухбуквенным кодом CX, где C означает "углеродистый" (другие типы хондритов не начинаются с этой буквы), а X – заглавная буква, часто являющаяся первой буквой названия известного метеорита – как правило, первого обнаруженного в этой группе. Такие метеориты часто называют по месту падения, что не дает представления о физической природе группы. Группа CH, где H означает "высокое содержание металла", пока является единственным исключением. Подробности о происхождении названий каждой группы приведены ниже. Ряд групп углеродных хондритов, в особенности CM и CI, содержат высокое количество воды (от 3% до 22%), а также органические соединения. Они состоят главным образом из силикатов, оксидов и сульфидов, при этом оливин и серпентин являются характерными минералами. Наличие летучих органических веществ и воды указывает на то, что они не подвергались значительному нагреву (>200 °C) после образования, и их состав считается близким к составу солнечной туманности, из которой сформировалась Солнечная система. Другие группы C-хондритов, например CO, CV и CK, относительно бедны летучими соединениями, и некоторые из них подверглись значительному нагреву на родительских астероидах.

Группа КИ

Эта группа, названная в честь метеорита Ивуна (Танзания), имеет химический состав, близкий к составу, измеренному в солнечной фотосфере (за исключением газообразных элементов и элементов, таких как литий, которые представлены в фотосфере Солнца в меньшей степени, чем в хондритах CI). В этом смысле они являются химически наиболее примитивными из известных метеоритов. Хондриты CI обычно содержат высокое содержание воды (до 22%) и полициклические ароматические углеводороды (ПАУ). Под воздействием воды формируется состав, состоящий из гидратированных филлосиликатов, магнетита и кристаллов оливина, заключенных в черную матрицу, и возможно отсутствие хондр. Считается, что они не подвергались нагреву выше , что указывает на их конденсацию в более холодной внешней области солнечной туманности. Наблюдения падения зарегистрированы для пяти хондритов CI: Ivuna, Orgueil, Alais, Tonk и Revelstoke. Еще четыре были обнаружены японскими экспедициями в Антарктиде. В целом, из-за крайней хрупкости хондриты CI очень восприимчивы к земному выветриванию и не сохраняются на поверхности Земли в течение длительного времени после падения.

Группа CR

Группа получила свое название от Renazzo (Италия). Наиболее вероятным родительским телом является 2 Pallas. Это делает их одними из самых богатых металлами среди всех групп хондритов, уступая лишь хондритам CB и некоторым неклассифицированным хондритам, таким как NWA 12273. Первым обнаруженным метеоритом был ALH 85085. По химическому составу эти хондриты тесно связаны с группами CR и CB. Все известные образцы этой группы относятся к петрологическим типам 2 или 3.

Группа ЦБ

Группа получила свое название от наиболее типичного представителя: Бенкуббин (Австралия). Несмотря на содержание более 50% никелевого железа, эти хондриты не классифицируются как мезосидериты, поскольку их минералогические и химические свойства тесно связаны с хондритами группы CR. Описание основывается на минимальном количестве образцов (пять). Хондриты CL, названные в честь типового образца (или образцов) Лунгана, богаты хондритами и металлом, но бедны летучими веществами.

Органическая материя

Большая часть органического углерода в углеродных хондритах CI и CM представляет собой нерастворимый комплексный материал. Это сходно с описанием керогена. Кероген-подобный материал также обнаружен в марсианском метеорите ALH84001 (ахондрит). Метеорит CM Murchison содержит более 96 внеземных аминокислот и другие соединения, включая карбоновые, гидроксикарбоновые, сульфоновые и фосфоновые кислоты, алифатические, ароматические и полярные углеводороды, фуллерены, гетероциклы, карбонильные соединения, спирты, амины и амиды.

Инопланетные аминокислоты

Аминокислоты в углеродных хондритах имеют важное значение для теорий, описывающих доставку органических соединений на раннюю Землю и последующее развитие жизни. Вскоре после падения и обнаружения в Австралии в 1969 году, в метеорите Мурчисон было обнаружено пять протеиногенных аминокислот (глицин, аланин, валин, пролин и глутаминовая кислота), а также 12 непротеиногенных аминокислот, включая α-аминоизомасляную кислоту и изовалин, которые редки на Земле. С тех пор число идентифицированных аминокислот в метеорите Мурчисон возросло до 96, включая 12 из 20 распространенных биологических аминокислот, наряду с сотнями других, которые были обнаружены, но остаются неидентифицированными. Хотя обилие аминокислот в земных почвах представляет собой потенциальный источник загрязнения, большинство аминокислот, идентифицированных в Мурчисоне, на Земле встречаются редко или отсутствуют. Аминокислоты могут быть структурно хиральными, то есть существовать в виде двух возможных несовместимых зеркальных структур, называемых энантиомерами. Обычно их обозначают как левовращающие (L) и правовращающие (D) по аналогии с глицеральдегидом. Живые организмы используют L-аминокислоты, хотя нет очевидной причины, почему один энантиомер предпочтительнее другого, поскольку они эквивалентны в биологических системах. В отличие от земной биологии, ранние лабораторные исследования, включая знаменитый эксперимент Миллера — Юри, показали, что аминокислоты могут образовываться в различных возможных абиотических условиях в виде равных (рацемических) смесей D- и L-энантиомеров. Таким образом, соотношение между энантиомерами для конкретной аминокислоты может помочь различить биотические и абиотические механизмы образования. При первой идентификации аминокислот в Мурчисоне все хиральные соединения присутствовали в рацемических смесях, что указывает на абиотическое происхождение. Эренфреунд и др. (2001). Их внеземное происхождение подтверждается отсутствием в биологических системах и значительным обогащением тяжелыми изотопами 13C и дейтерием по сравнению с земными значениями. Дальнейшая идентификация избытка L-изовалина до 20,5% в различных группах углеродных хондритов подтвердила гипотезу о том, что увеличение степени гидротермального изменения метеорита-хозяина коррелирует с увеличением наблюдаемого избытка L-энантиомера. Также сообщалось о значительном избытке L для α-H аминокислот, однако эти данные более проблематичны из-за потенциального земного загрязнения. Неклассифицированный хондрит C2 Тагиш-Лейк содержит избыток L-аспарагиновой кислоты до ~60%, при этом измерения изотопов углерода указывают на внеземное происхождение из-за значительного обогащения 13C. В Тагиш-Лейк протеиногенные аминокислоты демонстрируют как значительный избыток L, так и рацемические смеси: было обнаружено, что глутаминовая кислота, серин и треонин имеют избыток L ~50–99%, в то время как аланин находится в рацемическом состоянии. Показано, что циркулярно поляризованный ультрафиолетовый свет генерирует избыток L в кристаллизующихся аминокислотах в экспериментальных условиях, имитирующих изменения на астероидах, и считается, что он является основным внеземным источником нарушения хиральной симметрии (то есть предпочтения одного энантиомера другому). Важно отметить, что в внеземных аминокислотах наблюдался только избыток L-энантиомера, что позволяет предположить, что абиотический процесс, ответственный за энантиомерное обогащение, может быть первоначальным источником селективности L-аминокислот, наблюдаемой в настоящее время в земной жизни.

Последствия для внеземных биосигнатур

NASA предложило пороговое значение "Лестницы обнаружения жизни" в >20% энантиомерного избытка аминокислот для идентификации внеземных биосигнатур. Однако, как уже отмечалось, недавние исследования углеродистых хондритов и сопутствующие экспериментальные работы показали, что даже больший энантиомерный избыток может быть создан абиотическими путями. Для определения хиральной асимметрии (энантиомерного избытка) биологического происхождения, Glavin et al. (2020) выделяют три обязательных критерия: хиральную асимметрию, легкий изотопный состав по 13C и упрощенное распределение структурных изомеров. Если в внеземном образце обнаружено хирально асимметричное распределение аминокислот, предпочтение определенных структурных изомеров и обеднение по 13C, 15N и D по сравнению с сопутствующим неорганическим материалом, это может служить убедительным доказательством его биологического происхождения. В связи с текущим интересом к миссиям по возврату образцов с углеродистых астероидов (например, OSIRIS REx) и Марса, возглавляемым NASA и другими космическими агентствами, последующий анализ возвращенных образцов, свободных от земного загрязнения, предоставит наилучшую возможность для обнаружения потенциальных биосигнатур в нашей Солнечной системе.