Вчені виявили, що на Титані речовини, які повинні залишатися окремими, насправді можуть поєднуватися в умовах замерзання. Дослідники NASA та Університету Чалмерса виявили, що ціанистий водень може утворювати стабільні кристали з метаном та етаном, спростовуючи основне правило хімії. Це відкриття пропонує нові підказки про те, як важливі для життя молекули могли виникнути в суворих пребіотичних середовищах.
Порушення правил хімії на Титані
Протягом десятиліть вчені були захоплені найбільшим супутником Сатурна, Титаном, вважаючи, що його історія може розкрити, як зародилося життя на Землі. Цей холодний світ, оповитий щільною атмосферою, багатою на азот і метан, має разючу схожість з умовами, які, як вважається, існували на нашій планеті мільярди років тому. Досліджуючи хімічний склад і клімат Титана, дослідники сподіваються знайти підказки про процеси, які проклали шлях для формування життя.
Мартін Рам, доцент кафедри хімії та хімічної інженерії Технологічного університету Чалмерса, роками досліджував складний хімічний склад Титана. Нещодавнє відкриття його команди про те, що певні полярні та неполярні речовини можуть фактично поєднуватися в умовах замерзання Титана, може дати цінний напрямок для майбутніх досліджень Місяця.
«Це дуже захопливі знахідки, які можуть допомогти нам зрозуміти щось у дуже великому масштабі, супутник розміром з планету Меркурій», — каже він.
Нові уявлення про будівельні блоки життя
Дослідження команди, опубліковане в журналі PNAS, показує, що метан, етан і ціанистий водень — сполуки, що у великій кількості зустрічаються на поверхні Титана та в його атмосфері — можуть взаємодіяти способами, які вчені колись вважали неможливими. Той факт, що ціанистий водень, високополярна молекула, може утворювати тверді кристали з неполярними речовинами, такими як метан і етан, є вражаючим, оскільки ці матеріали зазвичай залишаються окремо, як нафта і вода.
«Відкриття неочікуваної взаємодії між цими речовинами може вплинути на наше розуміння геології Титана та його дивних ландшафтів з озер, морів та піщаних дюн. Крім того, ціанистий водень, ймовірно, відіграє важливу роль в абіотичному створенні кількох будівельних блоків життя, наприклад, амінокислот , які використовуються для побудови білків, та нуклеотидних основ, необхідних для генетичного коду. Тож наша робота також дає уявлення про хімію до виникнення життя та про те, як воно могло протікати в екстремальних, негостинних середовищах», — каже Мартін Рам, який керував дослідженням.
Співпраця NASA спонукає до відкриттів
Передумова дослідження Чалмерса — це питання про Титан, яке залишається без відповіді: що відбувається з ціанистим воднем після його утворення в атмосфері Титана? Чи є його метри, що осідають на поверхні, чи він якимось чином взаємодіяв, чи реагував з навколишнім середовищем?
Щоб знайти відповідь, група вчених з Лабораторії реактивного руху NASA (JPL) у Каліфорнії почала проводити експерименти, в яких вони змішували ціанистий водень з метаном та етаном за температур аж до 90 Кельвінів (близько -180 градусів Цельсія). За цих температур ціанистий водень є кристалом, а метан та етан — рідинами.
Коли вони вивчали такі суміші за допомогою лазерної спектроскопії, методу дослідження матеріалів і молекул на атомному рівні, то виявили, що молекули були цілими, але щось все ж сталося. Щоб зрозуміти, що саме, вони зв’язалися з дослідницькою групою Мартіна Рама в Чалмерсі, яка проводила масштабні дослідження ціанистого водню.
«Це призвело до захопливої теоретичної та експериментальної співпраці між Чалмерсом та NASA. Питання, яке ми собі поставили, було дещо божевільним: чи можна пояснити вимірювання кристалічною структурою, в якій метан або етан змішаний з ціанідом водню? Це суперечить правилу хімії «подібне розчиняється в подібному», що по суті означає, що не повинно бути можливо поєднувати ці полярні та неполярні речовини», — каже Мартін Рам.
Розширення меж хімії
Дослідники з Чалмерса використовували масштабне комп’ютерне моделювання, щоб перевірити тисячі різних способів організації молекул у твердому стані в пошуках відповідей. У своєму аналізі вони виявили, що вуглеводні проникли в кристалічну решітку ціаніду водню та утворили стабільні нові структури, відомі як спів кристали.
«Це може відбуватися за дуже низьких температур, як-от на Титані. Наші розрахунки передбачили не лише стабільність несподіваних сумішей в умовах Титана, але й спектри світла, які добре збігаються з вимірюваннями NASA», – каже він.
Це відкриття ставить під сумнів одне з найвідоміших правил хімії, але Мартін Рам не вважає, що час переписувати підручники з хімії.
«Я бачу в цьому гарний приклад того, як у хімії розширюються межі, і загальноприйняте правило не завжди застосовується», — каже він.
Очікується, що у 2034 році космічний зонд NASA Dragonfly досягне Титана з метою дослідження його поверхні. До того часу Мартін Рам та його колеги планують продовжувати дослідження хімії ціанистого водню, частково у співпраці з NASA.
«Ціанід водню зустрічається в багатьох місцях Всесвіту, наприклад, у великих пилових хмарах, в планетарних атмосферах і в кометах. Результати нашого дослідження можуть допомогти нам зрозуміти, що відбувається в інших холодних середовищах у космосі. І ми можемо з’ясувати, чи можуть інші неполярні молекули також потрапляти в кристали ціаніду водню, і якщо так, то що це може означати для хімії, що передує виникненню життя», – каже він.
Більше про Титана та Бабку
Найбільший супутник Сатурна, Титан, є одним із найнезвичайніших світів Сонячної системи, і він може мати спільні риси з ранньою еволюцією Землі. Титан оточений щільною атмосферою, що складається переважно з азоту та метану, склад якої може нагадувати атмосферу на Землі мільярди років тому, до появи життя. Сонячне світло та інше випромінювання з космосу змушують ці молекули реагувати одна з одною, тому супутник оповитий хімічно складним, помаранчевим серпанком органічних (тобто багатих на вуглець) сполук. Однією з основних речовин, що утворюються таким чином, є ціанистий водень.
Надзвичайно холодна поверхня Титана є домівкою для озер та річок з рідкого метану та етану. Це єдине інше відоме місце в нашій Сонячній системі, окрім Землі, де рідини утворюють озера на поверхні. На Титані є погода та пори року. Там є вітер, утворюються хмари та йдуть дощі, хоча у формі метану, а не води. Вимірювання також показують, що, ймовірно, за багато кілометрів під холодною поверхнею знаходиться велике море рідкої води, яке, в принципі, може містити життя.
Джерело: portaltele.com.ua