پژوهشگران دانشگاه فناوری چالمرز در سوئد و سازمان فضایی ناسا در آمریکا، کشفی غیرمنتظره انجام دادهاند که یکی از قوانین اساسی شیمی را به چالش میکشد و دانش جدیدی درباره قمر اسرارآمیز زحل، یعنی تیتان، ارائه میدهد. در محیط بسیار سرد این قمر، مواد معمولاً ناسازگار میتوانند با هم ترکیب شوند. این کشف، درک ما را از شیمی پیش از پیدایش حیات گسترش میدهد.
دانشمندان مدتهاست که به بزرگترین قمر نارنجیرنگ زحل علاقهمند بودهاند، زیرا تکامل آن میتواند اطلاعات بیشتری درباره سیاره خودمان و اولین مراحل شیمیایی منتهی به حیات به ما بیاموزد. محیط سرد تیتان و جو غلیظ آن که از نیتروژن و متان تشکیل شده است، شباهتهای زیادی با شرایطی دارد که تصور میشود میلیاردها سال پیش در زمین جوان وجود داشته است. بنابراین، محققان با مطالعه تیتان امیدوارند سرنخهایی درباره منشأ حیات پیدا کنند.
مارتین راهم، دانشیار دانشکده شیمی و مهندسی شیمی در چالمرز، مدتهاست که برای درک بهتر آنچه در تیتان رخ میدهد، تلاش میکند. او اکنون امیدوار است که کشف شگفتانگیز گروه تحقیقاتیاش، مبنی بر اینکه برخی مواد قطبی و غیرقطبی* میتوانند با هم ترکیب شوند، مطالعات آینده تیتان را غنی سازد.
او میگوید: «این یافتهها بسیار هیجانانگیز هستند و میتوانند به ما در درک مقیاسی بسیار بزرگ، قمری به اندازه سیاره عطارد، کمک کنند.»
بینشهای جدید درباره بلوکهای سازنده حیات در محیطهای شدید
مقاله محققان که در مجله علمی PNAS منتشر شده است، نشان میدهد که متان، اتان و سیانید هیدروژن – که به مقادیر زیاد در جو و سطح تیتان وجود دارند – میتوانند به شیوهای تعامل کنند که قبلاً غیرممکن تلقی میشد. اینکه سیانید هیدروژن، مولکولی با قطبیت بسیار بالا، میتواند با مواد کاملاً غیرقطبی مانند متان و اتان کریستال تشکیل دهد، شگفتآور است زیرا چنین موادی معمولاً کاملاً جدا از هم باقی میمانند، درست مانند روغن و آب.
مارتین راهم، که سرپرست این مطالعه بوده، میگوید: «کشف تعامل غیرمنتظره بین این مواد میتواند بر درک ما از زمینشناسی تیتان و مناظر عجیب دریاچهها، دریاها و تپههای شنی آن تأثیر بگذارد. علاوه بر این، سیانید هیدروژن احتمالاً نقش مهمی در ایجاد غیرزیستی چندین بلوک سازنده حیات ایفا میکند، به عنوان مثال اسیدهای آمینه که برای ساخت پروتئینها استفاده میشوند و بازهای نوکلئوتیدی که برای کد ژنتیکی لازم هستند. بنابراین کار ما همچنین بینشهایی را درباره شیمی پیش از پیدایش حیات و چگونگی پیشرفت آن در محیطهای شدید و غیرقابل سکونت ارائه میدهد.»
یک پرسش بیپاسخ منجر به همکاری با ناسا شد
پیشزمینه مطالعه چالمرز، یک پرسش بیپاسخ درباره تیتان است: چه اتفاقی برای سیانید هیدروژن پس از ایجاد در جو تیتان میافتد؟ آیا مقادیر زیادی از آن روی سطح رسوب کرده است یا با محیط اطراف خود تعامل یا واکنش نشان داده است؟ برای یافتن پاسخ، گروهی در آزمایشگاه پیشرانش جت ناسا (JPL) در کالیفرنیا، آزمایشهایی را آغاز کردند که در آن سیانید هیدروژن را با متان و اتان در دماهای پایین تا ۹۰ کلوین (حدود ۱۸۰- درجه سانتیگراد) مخلوط کردند. در این دماها، سیانید هیدروژن جامد و متان و اتان مایع هستند.
هنگامی که آنها این مخلوطها را با استفاده از طیفسنجی لیزری، روشی برای بررسی مواد و مولکولها در سطح اتمی، مطالعه کردند، دریافتند که مولکولها دستنخورده باقی ماندهاند، اما اتفاقی رخ داده است. برای درک اینکه چه اتفاقی افتاده است، آنها با گروه تحقیقاتی مارتین راهم در چالمرز که تحقیقات گستردهای روی سیانید هیدروژن انجام داده بود، تماس گرفتند.
مارتین راهم میگوید: «این منجر به یک همکاری نظری و تجربی هیجانانگیز بین چالمرز و ناسا شد. پرسشی که از خود پرسیدیم کمی دیوانهوار بود: آیا میتوان اندازهگیریها را با ساختار کریستالی که در آن متان یا اتان با سیانید هیدروژن مخلوط شده است، توضیح داد؟ این با قانونی در شیمی، ‘مانند، مانند را حل میکند’ در تضاد است، که اساساً به این معنی است که ترکیب این مواد قطبی و غیرقطبی نباید امکانپذیر باشد.»
گسترش مرزهای شیمی
محققان چالمرز از شبیهسازیهای کامپیوتری در مقیاس بزرگ برای آزمایش هزاران روش مختلف سازماندهی مولکولها در حالت جامد، در جستجوی پاسخ استفاده کردند. در تحلیل خود، آنها دریافتند که هیدروکربنها به شبکه کریستالی سیانید هیدروژن نفوذ کرده و ساختارهای جدید و پایداری به نام کو-کریستال تشکیل دادهاند.
او میگوید: «این میتواند در دماهای بسیار پایین، مانند دماهای تیتان، رخ دهد. محاسبات ما نه تنها پیشبینی کرد که مخلوطهای غیرمنتظره تحت شرایط تیتان پایدار هستند، بلکه طیفهایی از نور را نیز پیشبینی کرد که به خوبی با اندازهگیریهای ناسا مطابقت دارد.»
این کشف یکی از شناختهشدهترین قوانین شیمی را به چالش میکشد، اما مارتین راهم فکر نمیکند زمان بازنویسی کتابهای شیمی فرا رسیده باشد.
او میگوید: «من آن را به عنوان مثالی خوب از زمانی میبینم که مرزها در شیمی جابجا میشوند و یک قانون پذیرفتهشده جهانی همیشه قابل اجرا نیست.»
در سال ۲۰۳۴، کاوشگر فضایی دراگونفلای ناسا انتظار میرود به تیتان برسد، با هدف بررسی آنچه در سطح آن وجود دارد. تا آن زمان، مارتین راهم و همکارانش قصد دارند به کاوش شیمی سیانید هیدروژن، تا حدی با همکاری ناسا، ادامه دهند.
او میگوید: «سیانید هیدروژن در بسیاری از نقاط جهان یافت میشود، به عنوان مثال در ابرهای غبار بزرگ، در جو سیارات و در دنبالهدارها. یافتههای مطالعه ما ممکن است به ما کمک کند تا بفهمیم چه اتفاقی در سایر محیطهای سرد در فضا میافتد. و ممکن است بتوانیم دریابیم که آیا مولکولهای غیرقطبی دیگر نیز میتوانند وارد کریستالهای سیانید هیدروژن شوند و اگر چنین است، این چه معنایی برای شیمی پیش از پیدایش حیات میتواند داشته باشد.»
گزارش پژوهشی:مخلوط شدن سیانید هیدروژن و هیدروکربنها در تیتان
