Международная группа ученых из Технологического университета Чалмерса в Швеции и NASA сделала удивительное открытие, бросающее вызов одному из фундаментальных принципов химии. Это достижение одновременно предлагает новое понимание в отношении загадочного спутника Сатурна – Титана. В экстремально холодных условиях Титана вещества, которые в обычной ситуации не могут смешиваться, демонстрируют способность к объединению. Это неожиданное наблюдение существенно расширяет наши представления о том, как могла развиваться химия до появления жизни на Земле.
Титан, крупнейший спутник Сатурна, давно приковывает внимание исследователей. Его эволюция потенциально способна пролить свет на ранние химические процессы, которые когда-то сформировали нашу планету. Считается, что ледяная поверхность Титана и его плотная атмосфера, богатая азотом и метаном, напоминают условия, существовавшие на молодой Земле миллиарды лет назад. Изучая Титан, ученые надеются обнаружить новые подсказки о самом происхождении жизни. Этот уникальный мир окружен плотной атмосферой, состоящей в основном из азота и метана. Солнечный свет и другие излучения из космоса заставляют эти молекулы реагировать друг с другом, из-за чего спутник окутан химически сложной оранжевой дымкой из органических соединений. Одним из основных веществ, образующихся таким образом, является циановодород. На его экстремально холодной поверхности находятся озера и реки жидкого метана и этана, делая его единственным известным местом в нашей Солнечной системе, кроме Земли, где жидкости образуют озера. На Титане наблюдаются погода и времена года: дует ветер, образуются облака и идут метановые дожди. Измерения также показывают, что под холодной поверхностью, на глубине многих километров, вероятно, находится большое море жидкой воды, которое в принципе может содержать жизнь.
Мартин Рам, доцент кафедры химии и химической инженерии Технологического университета Чалмерса, на протяжении многих лет посвятил себя изучению химии Титана. Теперь он и его коллеги полагают, что их последнее открытие – способность некоторых полярных и неполярных веществ объединяться при экстремально низких температурах – может стать ориентиром для будущих исследований поверхности и атмосферы спутника. Для широкой аудитории стоит уточнить, что полярные вещества состоят из молекул с асимметричным распределением заряда (имеют положительную и отрицательную стороны), тогда как неполярные вещества обладают симметричным распределением заряда. Эти типы молекул редко смешиваются, так как полярные молекулы преимущественно притягиваются друг к другу за счет электростатических взаимодействий, подобно тому, как масло и вода остаются раздельными.
«Это очень захватывающие результаты, которые могут помочь нам понять что-то в очень большом масштабе, на спутнике размером с планету Меркурий»,– отмечает Мартин Рам.
Исследование, опубликованное в престижном журнале PNAS, демонстрирует, что метан, этан и циановодород – соединения, в изобилии присутствующие на поверхности и в атмосфере Титана – могут взаимодействовать способами, которые ранее считались невозможными. Особенно примечательно, что циановодород, являющийся сильно полярной молекулой, способен образовывать кристаллы вместе с неполярными веществами, такими как метан и этан. Это противоречит общеизвестному правилу «подобное растворяется в подобном» и означает, что эти типы молекул обычно остаются разделенными.
«Открытие неожиданного взаимодействия между этими веществами может повлиять на наше понимание геологии Титана и его причудливых ландшафтов, состоящих из озер, морей и песчаных дюн. Кроме того, циановодород, вероятно, играет важную роль в абиотическом создании нескольких строительных блоков жизни, например, аминокислот, используемых для построения белков, и нуклеиновых оснований, необходимых для генетического кода. Таким образом, наша работа также вносит вклад в понимание химии, предшествующей возникновению жизни, и того, как она может протекать в экстремальных, негостеприимных условиях»,– объясняет Мартин Рам, возглавлявший исследование.
Исследование в Чалмерсе началось с простого, но неразрешенного вопроса о Титане: что происходит с циановодородом после его образования в атмосфере спутника? Накапливается ли он толстыми слоями на поверхности или каким-то образом реагирует с окружающей средой? Для выяснения этого ученые из Лаборатории реактивного движения (JPL) NASA в Калифорнии провели эксперименты, смешивая циановодород с метаном и этаном при экстремально низких температурах – около 90 Кельвинов (примерно –180 градусов Цельсия). При таких температурах циановодород становится кристаллом, в то время как метан и этан остаются жидкостями.
Когда команда проанализировала полученные смеси с помощью лазерной спектроскопии, позволяющей исследовать материалы и молекулы на атомном уровне, они обнаружили, что, хотя молекулы оставались неповрежденными, произошло нечто необычное. Чтобы это понять, они обратились к группе Рама в Чалмерсе, известной своим глубоким опытом в химии циановодорода.
«Это привело к захватывающему теоретическому и экспериментальному сотрудничеству между Чалмерсом и NASA. Вопрос, который мы задали себе, был немного безумным: можно ли объяснить измерения кристаллической структурой, в которой метан или этан смешиваются с циановодородом? Это противоречит химическому правилу «подобное растворяется в подобном», которое, по сути, означает, что комбинирование этих полярных и неполярных веществ не должно быть возможным»,– вспоминает Мартин Рам.
Исследователи Чалмерса использовали крупномасштабные компьютерные симуляции для тестирования тысяч различных способов организации молекул в твердом состоянии в поисках ответов. В своем анализе они обнаружили, что углеводороды проникли в кристаллическую решетку циановодорода и образовали стабильные новые структуры, известные как сокристаллы.
«Это может происходить при очень низких температурах, таких как на Титане. Наши расчеты предсказали не только стабильность неожиданных смесей в условиях Титана, но и спектры света, которые хорошо совпадают с измерениями NASA»,– говорит ученый.
Это открытие бросает вызов одному из самых известных правил химии, однако Мартин Рам не считает, что пришло время переписывать учебники. «Я рассматриваю это как прекрасный пример того, как границы в химии расширяются, и общепринятое правило не всегда применимо»,– подчеркивает он.
В 2034 году космический зонд NASA Dragonfly, запуск которого запланирован на 2028 год, должен достичь Титана с целью исследования его поверхности, а также изучения пребиотической химии – химии, предшествующей жизни, и поиска ее признаков. До этого момента Мартин Рам и его коллеги планируют продолжить изучение химии циановодорода, в том числе в сотрудничестве с NASA.
«Циановодород встречается во многих местах во Вселенной, например, в больших пылевых облаках, в атмосферах планет и в кометах. Результаты нашего исследования могут помочь нам понять, что происходит в других холодных средах в космосе. И мы, возможно, сможем выяснить, могут ли другие неполярные молекулы также проникать в кристаллы циановодорода и, если да, что это может означать для химии, предшествующей возникновению жизни»,– заключает Мартин Рам.
Научная статья «Hydrogen cyanide and hydrocarbons mix on Titan» была опубликована в журнале PNAS. Ее авторами стали Фернандо Искьердо Руис, Морган Л. Кейбл, Роберт Ходисс, Туан Х. Ву, Хильда Сандстрем, Альваро Лобато Фернандес и Мартин Рам. Исследователи представляют Технологический университет Чалмерса (Швеция), Лабораторию реактивного движения (JPL) NASA при Калифорнийском технологическом институте (Caltech, США) и Мадридский университет Комплутенсе (Испания). Исследования в Чалмерсе были профинансированы Шведским исследовательским советом.
