Ученые исследовали химические процессы, происходящие на спутнике Сатурна Титане. Там есть такие вещества, как метан, этан и цианистый водород, и теперь становится понятно, что они могут образовывать соединения, которые на Земле являются результатом деятельности живых организмов.
Условия на Титане
Исследователи из Технологического университета Чалмерса в Швеции и американского космического агентства NASA совершили неожиданное открытие, которое ставит под сомнение одно из основных правил химии и дает новые знания о загадочном спутнике Сатурна Титан.
В очень холодной среде можно смешивать вещества, которые обычно несовместимы. Это открытие расширяет наше понимание химии до появления жизни.
Ученые уже давно интересуются крупнейшим оранжевым спутником Сатурна, поскольку его эволюция может рассказать больше о нашей планете и первых химических этапах на пути к возникновению жизни. Холодная среда Титана и его плотная атмосфера, наполненная азотом и метаном, имеют много схожего с условиями, которые, как считается, существовали на молодой Земле миллиарды лет назад. Поэтому, изучая Титан, исследователи надеются найти подсказки о происхождении жизни.
Мартин Рам, доцент кафедры химии и химической инженерии в Чалмерсе, уже давно работает над тем, чтобы лучше понять, что происходит на Титане. Сейчас он надеется, что удивительное открытие исследовательской группы о том, что некоторые полярные и неполярные вещества могут сочетаться, станет основой для будущих исследований Титана.
Цианистый водород и его неожиданная химия на Титане
В статье исследователей, опубликованной в журнале PNAS, показано, что метан, этан и цианистый водород, которые в значительных количествах присутствуют в атмосфере и на поверхности Титана, могут взаимодействовать между собой таким образом, который ранее считался невозможным.
То, что цианистый водород, молекула с исключительной полярностью, может образовывать кристаллы с полностью неполярными веществами, такими как метан и этан, является удивительным, поскольку такие вещества обычно остаются строго разделенными, подобно маслу и воде.
«Открытие неожиданного взаимодействия между этими веществами может повлиять на наше понимание геологии Титана и его удивительных ландшафтов с озерами, морями и песчаными дюнами», — говорит Мартин Рам.
Кроме того, цианистый водород, вероятно, играет важную роль в абиотическом создании нескольких строительных блоков жизни, например, аминокислот, используемых для построения белков, и нуклеотидов, необходимых для генетического кода. Итак, наша работа также способствует пониманию химии до появления жизни и того, как она может развиваться в экстремальных средах».
Сотрудничество исследователей с NASA
Предпосылкой исследования Чалмерса является вопрос о Титане, на который до сих пор нет ответа: что происходит с цианистым водородом после его образования в атмосфере Титана? Откладывается ли он на поверхности в метровых слоях, каким-то образом взаимодействует или реагирует с окружающей средой?
Чтобы найти ответ, группа ученых из Лаборатории реактивного движения NASA (JPL) в Калифорнии начала проводить эксперименты, в которых они смешивали цианистый водород с метаном и этаном при температуре 90 кельвинов (около 180°C). При таких температурах цианистый водород является кристаллом, а метан и этан — жидкостями.
Когда они изучили такие смеси с помощью лазерной спектроскопии, метода исследования материалов и молекул на атомном уровне, они обнаружили, что молекулы были целы, но что-то все же произошло. Чтобы понять, что именно, они связались с исследовательской группой Мартина Рама в Чалмерсе, которая проводила широкие исследования цианистого водорода.
«Это привело к увлекательному теоретическому и экспериментальному сотрудничеству между Чалмерсом и NASA. Вопрос, который мы себе задали, был несколько сумасшедшим: можно ли объяснить измерения кристаллической структурой, в которой метан или этан смешаны с цианидом водорода? Это противоречит правилу химии «подобное растворяет подобное», которое в основном означает, что сочетание этих полярных и неполярных веществ не должно быть возможным», — говорит Рам.
Расширение границ химии
Исследователи из университета Чалмерса использовали крупномасштабные компьютерные симуляции, чтобы проверить тысячи различных способов организации молекул в твердом состоянии в поисках ответов.
В своем анализе они обнаружили, что углеводороды проникли в кристаллическую решетку цианистого водорода и образовали стабильные новые структуры, известные как кокристаллы. При этом это может происходить при очень низких температурах, таких как на Титане.
Это открытие ставит под сомнение одно из самых известных правил химии, но Мартин Рам не считает, что пришло время переписывать учебники, поскольку исключение только подтверждает правило.
В 2034 году космический зонд NASA Dragonfly должен добиться Титана с целью исследования его поверхности. К тому времени Мартин Рам и его коллеги планируют продолжать исследовать химию цианистого водорода, отчасти в сотрудничестве с NASA.
«Цианистый водород встречается во многих местах Вселенной, например, в больших пылевых облаках, в атмосферах планет и в кометах. Результаты нашего исследования могут помочь понять, что происходит в других холодных средах в космосе. И мы сможем выяснить, могут ли другие неполярные молекулы также попадать в кристаллы цианистого водорода, и если да, то что это может означать для химии, предшествующей появлению жизни», — говорит он.
По материалам phys.org
