Ледяная поверхность Титана нарушает фундаментальное правило химии, зато проливает свет на зарождение жизни на Земле

Ученые обнаружили, что на Титане вещества, которые должны оставаться раздельными, на самом деле могут соединяться в условиях замерзания. Выяснилось, что цианистый водород может образовывать стабильные кристаллы с метаном и этаном, нарушая базовое правило химии. Это открытие открывает новые возможности для понимания того, как основные молекулы жизни могли возникнуть в суровых добиологических условиях.

Холодный мир Титана, окутанный плотной атмосферой, богатой азотом и метаном, поразительно похож на условия, которые, как считается, существовали на нашей планете миллиарды лет назад. Изучая химический состав и климат Титана, исследователи надеются получить ключи к пониманию процессов, которые подготовили почву для зарождения жизни.

Исследование, опубликованное в журнале PNAS, показывает, что метан, этан и цианистый водород — соединения, в изобилии встречающиеся на поверхности Титана и в его атмосфере, — могут взаимодействовать способами, которые когда-то считали невозможными. Тот факт, что цианистый водород, высокополярная молекула, может образовывать твёрдые кристаллы с неполярными веществами, такими как метан и этан, примечателен, поскольку эти вещества обычно существуют раздельно, как нефть и вода.

Открытие неожиданного взаимодействия между этими веществами может повлиять на понимание геологии Титана и его странных ландшафтов с озерами, морями и песчаными дюнами. Кроме того, цианистый водород, вероятно, играет важную роль в абиотическом создании нескольких строительных блоков жизни, например, аминокислот, используемых для построения белков, и азотистых оснований, необходимых для генетического кода. Таким образом, новое исследование также вносит вклад в понимание химии до возникновения жизни и того, как она могла развиваться в экстремальных условиях.

Предыстория исследования – это оставшийся без ответа вопрос о Титане: что происходит с цианистым водородом после того, как он образовался в атмосфере Титана? Осаждаются ли его метры на поверхности или он каким-то образом взаимодействует либо реагирует с окружающей средой?

Чтобы найти ответ, группа ученых начала проводить эксперименты, в которых смешивали цианистый водород с метаном и этаном при температурах всего лишь 90 градусов по Кельвину (около –180 градусов Цельсия). При этих температурах цианистый водород представляет собой кристалл, а метан и этан — жидкости. Изучая такие смеси с помощью лазерной спектроскопии – метода исследования материалов и молекул на атомном уровне – исследователи обнаружили, что молекулы остались целыми, но что-то всё же произошло. Чтобы понять, что именно, они провели обширные исследования цианида водорода.

Можно ли объяснить эти измерения кристаллической структурой, в которой метан или этан смешан с цианистым водородом? Это противоречит химическому правилу «подобное растворяется в подобном», которое, по сути, означает, что смешивать эти полярные и неполярные вещества невозможно.

В поисках ответов исследователи использовали компьютерное моделирование, чтобы протестировать тысячи различных способов организации молекул в твёрдом состоянии. В ходе анализа они обнаружили, что углеводороды проникли в кристаллическую решётку цианида водорода и образовали новые стабильные структуры, известные как сокристаллы. Это может происходить при очень низких температурах, например, на Титане. Расчеты предсказали не только стабильность неожиданных смесей в условиях Титана, но и их спектры света, хорошо совпадающие с измерениями.

Открытие бросает вызов одному из самых известных правил химии, но время переписывать учебники по химии не пришло. Это лишь хороший пример того, как границы в химии стираются, а общепринятые правила не всегда применимы.

Ожидается, что в 2034 году космический зонд Dragonfly достигнет Титана с целью исследования его поверхности. До этого времени авторы исследования планируют продолжить изучение химии цианистого водород. Цианистый водород встречается во многих местах Вселенной, например, в крупных пылевых облаках, в атмосферах планет и в кометах. Результаты исследования могут помочь понять, что происходит в других холодных средах космоса. И, возможно, получится выяснить, могут ли другие неполярные молекулы также проникать в кристаллы цианистого водорода, и если да, то что это может означать для химии, предшествовавшей возникновению жизни.