Крупнейший спутник Сатурна Титан вызывает давний интерес, поскольку его эволюция может рассказать нам больше о нашей собственной планете и самых ранних химических этапах на пути к жизни. Холодная среда Титана и его плотная атмосфера, насыщенная азотом и метаном, во многом схожи с условиями, которые, как предполагается, существовали на молодой Земле миллиарды лет назад. Изучая Титан, исследователи надеются найти ключи к происхождению жизни.
Благодаря серии химических экспериментов и моделирований в этом направлении сделан большой прорыв, о котором его авторы, международная команда ученых, сообщили в журнале PNAS.
«Это очень захватывающие результаты, которые могут помочь нам понять процессы в масштабах целого небесного тела — луны размером с планету Меркурий», — поделился химик Мартин Рам из Технического университета Чалмерса, руководивший исследованием.
Строительные блоки жизни в экстремальных условиях
Исследователи обнаружили, что циановодород — исключительно полярная молекула — может образовывать кристаллы с абсолютно неполярными метаном и этаном. Это более чем удивительно, потому что такие вещества обычно смешиваться не способны — как вода и масло.
«Открытие этого неожиданного взаимодействия может повлиять на наше понимание геологии Титана и его странных ландшафтов с озерами, морями и песчаными дюнами. Кроме того, циановодород, вероятно, играет важную роль в абиотическом синтезе нескольких строительных блоков жизни, например, аминокислот, используемых для построения белков, и нуклеиновых оснований, необходимых для генетического кода. Таким образом, наша работа также дает представление о химии, предшествовавшей возникновению жизни, и о том, как она может протекать в экстремальных, неблагоприятных условиях», — подчеркнул Рам.
Сотрудничество с НАСА
Предпосылкой исследования стал неразрешенный вопрос о Титане: что происходит с циановодородом после его образования в атмосфере спутника? Осаждается ли он многометровым слоем на поверхности или каким-то образом взаимодействует с окружающей средой? В поисках ответа в Лаборатории реактивного движения NASA в Калифорнии смешали циановодород с метаном и этаном при −180 °C — и не поверили своим глазам: образовался твердый раствор. Озадаченные экспериментаторы обратились к Мартину Раму.
«Это привело к захватывающему теоретическому и экспериментальному сотрудничеству между Чалмерсом и NASA. Мы задались немного безумным вопросом: можно ли объяснить измерения существованием кристаллической структуры, в которой метан или этан смешаны с циановодородом? Это противоречит химическому правилу "подобное растворяется в подобном", которое, по сути, гласит, что сочетать эти полярные и неполярные вещества невозможно», — объяснил он.
Расширение границ химии
В Чалмерсе провели масштабное компьютерное моделирование, чтобы протестировать тысячи различных способов организации молекул в твердом состоянии. Оказалось, алканы проникают в кристаллическую решетку циановодорода и образуют стабильные структуры — со-кристаллы.
«Это может происходить при очень низких температурах, подобных условиям на Титане. Наши расчеты предсказали не только то, что неожиданные смеси стабильны в условиях Титана, но и спектры света, которые хорошо совпадают с измерениями НАСА», — отметил Рам.
Открытие бросает вызов одному из самых известных правил химии, но Мартин Рам не считает, что пришло время переписывать учебники по химии: «Я рассматриваю это как прекрасный пример того, как в химии сдвигаются границы и общепринятое правило не всегда работает».
Проверить выкладки химиков предстоит вертолету Dragonfly, который должен исследовать Титан в 2034 году. А пока Мартин Рам продолжит изучение химии циановодорода в сотрудничестве с НАСА.
«Циановодород встречается во многих уголках Вселенной, например, в крупных пылевых облаках, в атмосферах планет и в кометах. Результаты нашего исследования могут помочь понять, что происходит в других холодных средах космоса. И, возможно, мы сможем выяснить, способны ли другие неполярные молекулы также проникать в кристаллы циановодорода, и если да, то какие последствия это может иметь для химии, предшествовавшей возникновению жизни», — заключил он.