Науковці дослідили хімічні процеси, які відбуваються на супутнику Сатурна Титані. Там є такі речовини, як метан, етан і ціанистий водень, і тепер стає зрозуміло, що вони можуть утворювати сполуки, які на Землі є результатом діяльності живих організмів.
Умови на Титані
Дослідники з Технологічного університету Чалмерса у Швеції та американської космічної агенції NASA зробили несподіване відкриття, яке ставить під сумнів одне з основних правил хімії та надає нові знання про загадковий супутник Сатурна Титан.
У надзвичайно холодному середовищі можна змішувати речовини, які зазвичай несумісні. Це відкриття розширює наше розуміння хімії до появи життя.
Науковці вже давно цікавляться найбільшим помаранчевим супутником Сатурна, оскільки його еволюція може розповісти більше про нашу планету та найперші хімічні етапи на шляху до виникнення життя. Холодне середовище Титана та його щільна атмосфера, наповнена азотом і метаном, мають багато схожого з умовами, які, як вважається, існували на молодій Землі мільярди років тому. Тому, вивчаючи Титан, дослідники сподіваються знайти підказки про походження життя.
Мартін Рам, доцент кафедри хімії та хімічної інженерії в Чалмерсі, вже давно працює над тим, щоб краще зрозуміти, що відбувається на Титані. Зараз він сподівається, що дивовижне відкриття дослідницької групи про те, що певні полярні та неполярні речовини можуть поєднуватися, стане основою для майбутніх досліджень Титана.
Ціанистий водень та його несподівана хімія на Титані
У статті дослідників, опублікованій в журналі PNAS, показано, що метан, етан і ціанистий водень, які у значних кількостях присутні в атмосфері та на поверхні Титана, можуть взаємодіяти між собою таким чином, який раніше вважався неможливим.
Те, що ціанистий водень, молекула з винятковою полярністю, може утворювати кристали з повністю неполярними речовинами, такими як метан і етан, є дивним, оскільки такі речовини зазвичай залишаються суворо розділеними, подібно до олії та води.
«Відкриття несподіваної взаємодії між цими речовинами може вплинути на наше розуміння геології Титана та його дивних ландшафтів з озерами, морями та піщаними дюнами», — каже Мартін Рам.
«Крім того, ціанистий водень, ймовірно, відіграє важливу роль в абіотичному створенні кількох будівельних блоків життя, наприклад, амінокислот, які використовуються для побудови білків, і нуклеотидів, необхідних для генетичного коду. Отже, наша робота також сприяє розумінню хімії до появи життя і того, як воно може розвиватися в екстремальних середовищах».
Співпраця дослідників із NASA
Передумовою дослідження Чалмерса є питання про Титан, на яке досі немає відповіді: що відбувається з ціанистим воднем після його утворення в атмосфері Титана? Чи відкладається він на поверхні у метрових шарах, якимось чином взаємодіє або реагує з навколишнім середовищем?
Щоб знайти відповіді, група науковців із Лабораторії реактивного руху NASA (JPL) в Каліфорнії почала проводити експерименти, в яких вони змішували ціанистий водень із метаном і етаном за температури 90 кельвінів (близько -180°C). За таких температур ціанистий водень є кристалом, а метан і етан — рідинами.
Коли вони вивчили такі суміші за допомогою лазерної спектроскопії, методу дослідження матеріалів і молекул на атомному рівні, вони виявили, що молекули були цілі, але щось все-таки сталося. Щоб зрозуміти, що саме, вони зв’язалися з дослідницькою групою Мартіна Рама в Чалмерсі, яка проводила широкі дослідження ціанистого водню.
«Це призвело до захопливої теоретичної та експериментальної співпраці між Чалмерсом і NASA. Питання, яке ми собі поставили, було дещо божевільним: чи можна пояснити вимірювання кристалічною структурою, в якій метан або етан змішані з ціанідом водню? Це суперечить правилу хімії «подібне розчиняє подібне», яке в основному означає, що поєднання цих полярних і неполярних речовин не має бути можливим», — каже Рам.
Розширення меж хімії
Дослідники з університету Чалмерса використовували великомасштабні комп’ютерні симуляції, щоб перевірити тисячі різних способів організації молекул у твердому стані в пошуках відповідей.
У своєму аналізі вони виявили, що вуглеводні проникли у кристалічну решітку ціанистого водню й утворили стабільні нові структури, відомі як кокристали. При цьому це може відбуватися за дуже низьких температур, таких як на Титані.
Це відкриття ставить під сумнів одне з найвідоміших правил хімії, але Мартін Рам не вважає, що настав час переписувати підручники, оскільки виняток лише підтверджує правило.
У 2034 році космічний зонд NASA Dragonfly має досягти Титана з метою дослідження його поверхні. Доти Мартін Рам і його колеги планують продовжувати досліджувати хімію ціанистого водню, частково у співпраці з NASA.
«Ціанистий водень зустрічається в багатьох місцях Всесвіту, наприклад, у великих пилових хмарах, в атмосферах планет і в кометах. Результати нашого дослідження можуть допомогти зрозуміти, що відбувається в інших холодних середовищах у космосі. І ми зможемо з’ясувати, чи можуть інші неполярні молекули також потрапляти в кристали ціанистого водню, і якщо так, то що це може означати для хімії, що передує появі життя», — каже він.
За матеріалами phys.org
