Неожиданное открытие на спутнике Сатурна бросает вызов представлениям о химии до возникновения жизни

Исследователи из Технологического университета Чалмерса (Швеция) и NASA обнаружили неожиданное явление, которое бросает вызов одному из основных правил химии и расширяет знания о загадочном спутнике Сатурна — Титане.

В экстремально холодных условиях Титана обычно несовместимые вещества могут смешиваться. Это открытие расширяет понимание химии, предшествовавшей возникновению жизни.

Новое понимание «строительных блоков жизни» в экстремальных условиях

Исследование, опубликованное в PNAS, показывает, что метан, этан и цианистый водород (HCN), в изобилии присутствующие в атмосфере и на поверхности Титана, могут взаимодействовать способом, ранее считавшимся невозможным.

То, что исключительно полярная молекула HCN может образовывать кристаллы с полностью неполярными веществами, такими как метан и этан, удивительно. Подобные вещества обычно строго разделяются, как масло и вода.

«Открытие неожиданного взаимодействия между этими веществами может повлиять на наше понимание геологии Титана и его странных ландшафтов из озёр, морей и песчаных дюн», — говорит Мартин Рам, руководитель исследования.

Кроме того, HCN, вероятно, играет важную роль в абиотическом создании нескольких «строительных блоков жизни», например, аминокислот для белков и нуклеиновых оснований для генетического кода. Работа даёт представление о химии до возникновения жизни в экстремальных, негостеприимных средах.

Неразрешённый вопрос привёл к сотрудничеству с NASA

Исследование началось с вопроса: что происходит с HCN после его образования в атмосфере Титана? Осаждается ли он метровыми слоями на поверхности или как-то взаимодействует с окружающей средой?

Группа из Лаборатории реактивного движения (JPL) NASA начала эксперименты, смешивая HCN с метаном и этаном при температурах около 90 К (~ -180 °C). При таких температурах HCN — кристалл, а метан и этан — жидкости.

Спектроскопические измерения показали, что молекулы остались целыми, но что-то изменилось. Чтобы понять что, JPL обратилась к группе Мартина Рама в Чалмерсе.

«Мы задались немного безумным вопросом: можно ли объяснить измерения кристаллической структурой, в которой метан или этан смешаны с HCN? Это противоречит правилу химии «подобное растворяется в подобном», — говорит Рам.

Расширение границ химии

Исследователи из Чалмерса с помощью масштабного компьютерного моделирования проанализировали тысячи способов организации молекул в твёрдом состоянии.

Анализ показал, что углеводороды проникают в кристаллическую решётку HCN и образуют стабильные новые структуры — со-кристаллы.

«Это может происходить при очень низких температурах, как на Титане. Наши расчёты предсказали не только стабильность этих неожиданных смесей в условиях Титана, но и спектры света, хорошо совпадающие с измерениями NASA», — отмечает Рам.

Открытие бросает вызов одному из известнейших правил химии, но, по словам Рама, это не повод переписывать учебники, а пример того, как в химии сдвигаются границы.

В 2034 году зонд NASA Dragonfly должен достичь Титана для изучения его поверхности. До этого Мартин Рам и его коллеги планируют продолжать исследование химии HCN, в том числе в сотрудничестве с NASA.

«HCN встречается во многих местах Вселенной: в крупных пылевых облаках, атмосферах планет, кометах. Наши результаты могут помочь понять, что происходит в других холодных средах в космосе», — говорит Рам.

Запуск Dragonfly запланирован на 2028 год. Его цель — изучение пребиотической химии и поиск признаков жизни.