Naukowcy z MIT dowodzą: nie potrzebujemy wody, by istniała chemia organiczna

Spis treści:

1. Nowa klasa planet, w których życie może istnieć bez wody
2. Czym właściwie są ciecze jonowe?
3. Wenusjański eksperyment, który doprowadził do przełomu
4. Jak ciecze jonowe mogą powstawać naturalnie na planetach skalistych
5. Ciecze jonowe – klucz do życia poza Ziemią?

Pojawienie się teleskopów zdolnych do charakteryzowania atmosfer egzoplanet, takich jak Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba czy powstające właśnie europejskie obserwatorium kosmiczne Ariel, pozwala znacznie szerzej spojrzeć na procesy chemiczne związane z powstawaniem życia. Wiele z analizowanych planet uznaje się za niegościnne, ponieważ według powszechnie przyjmowanej definicji, aby mogło zaistnieć życie, niezbędna jest woda w stanie ciekłym.

Nowa klasa planet, w których życie może istnieć bez wody

– Wiemy już, że chemia organiczna jest powszechna w kosmosie, choć jeszcze niedawno uważano ją za coś absolutnie wyjątkowego i charakterystycznego wyłącznie dla naszej planety. Być może nadszedł czas, aby obalić kolejne przekonanie – że jedynym rozpuszczalnikiem dla chemii organicznej jest woda. Analizy naszej grupy wskazują, że potencjalnych rozpuszczalników może być znacznie więcej – mówi dr Janusz Pętkowski z Wydziału Inżynierii Środowiska Politechniki Wrocławskiej.

Dr Pętkowski, wspólnie z m.in. prof. Sarą Seager oraz dr inż. Rachaną Agrawal, jest autorem opublikowanego właśnie na łamach prestiżowego PNAS (Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America)artykułu, w którym badacze proponują nową klasę planet zdolnych do podtrzymywania życia.

Wiele obserwowanych planet skalistych uznaje się za niesprzyjające życiu, ponieważ w wyniku utraty atmosfery woda z ich powierzchni wyparowała. Mogła przetrwać jedynie w nielicznych miejscach, zwykle głęboko pod powierzchnią i najczęściej w formie lodu.

Jednak zdaniem naukowców z MIT, nawet takie planety mogą podtrzymywać życie dzięki cieczom jonowym – ciekłym solom o bardzo niskiej prężności pary, które mogą utrzymywać się na globach o cienkich atmosferach, tam, gdzie woda w stanie ciekłym nie miałaby szans przetrwać.

Czym właściwie są ciecze jonowe?

– W najprostszy możliwy sposób możemy powiedzieć, że ciecz jonowa to ciekła sól. Nie chodzi tu jednak o sole używane na co dzień w kuchni, takie jak sól kuchenna, która topnieje dopiero w temperaturze 801°C. Powyżej tej temperatury sól kuchenna staje się cieczą – wyjaśnia dr Janusz Pętkowski i dodaje, że płynna sól kuchenna nie byłaby dobrym rozpuszczalnikiem dla biochemii, ponieważ w tak wysokiej temperaturze żadna skomplikowana chemia organiczna nie mogłaby zaistnieć.

Dlatego badacze skupili się na cieczach jonowych, które pozostają w stanie ciekłym w temperaturach poniżej około 100°C i wyróżniają się wyjątkowo niskim ciśnieniem pary. Oznacza to, że nawet przy bardzo niskim ciśnieniu i wysokiej temperaturze nie odparowują — w przeciwieństwie do wody.

Jak podkreśla dr Pętkowski, ciecze jonowe są szeroko stosowane w przemyśle, np. przy produkcji baterii, w farmakologii czy w innych dziedzinach jako środowisko do syntezy związków chemicznych.

– Jednak przed nami nikt nie zaproponował, że tego typu ciecze mogą powstawać naturalnie w warunkach planetarnych – zaznacza badacz.

Wenusjański eksperyment, który doprowadził do przełomu

Wszystko zaczęło się od testów prowadzonych przez Rachanę Agrawal nad specjalnym urządzeniem – ewaporatorem, które mogłoby polecieć na Wenus w ramach jednej z misji kosmicznych Morning Star. Takie urządzenie miałoby na miejscu pobierać próbki wenusjańskich chmur i odparowywać z nich kwas siarkowy, aby umożliwić zbadanie pozostałych w próbce związków organicznych.

Po serii testów dr Agrawal zauważyła, że niezależnie od czasu odparowywania próbki, zawsze pozostaje w niej niewielka ilość cieczy – a konkretnie cieczy jonowej.

– Było to niezwykle interesujące i skłoniło nas do dalszych analiz. Przeprowadziliśmy szereg eksperymentów laboratoryjnych, które wykazały, że ciecze jonowe mogą potencjalnie powstawać z materiałów planetarnych – mówi dr Janusz Pętkowski.

Badacze użyli różnych prostych organicznych związków azotu, takich jak aminokwas glicyna jako źródło kationów, oraz kwasu siarkowego jako źródła anionów (HSO₄⁻). Glicyna może występować w warunkach planetarnych, a kwas siarkowy – pochodzenia wulkanicznego – jest znany z obecności w atmosferze Wenus i może istnieć w stanie ciekłym także na egzoplanetach.

– Jako źródło kationów organicznych zastosowaliśmy szereg cząsteczek zawierających azot, m.in. aminy, aminokwasy i inne proste, stabilne związki chemiczne, które łatwo powstają w procesach chemii prebiotycznej i są powszechne w meteorytach oraz na powierzchniach bogatych w węgiel ciał Układu Słonecznego – wylicza badacz.

Jak ciecze jonowe mogą powstawać naturalnie na planetach skalistych

Podczas odparowywania nadmiaru kwasu siarkowego z mieszaniny związków organicznych pod niskim ciśnieniemnaukowcy zaobserwowali spontaniczne powstawanie jednorodnej cieczy – właśnie cieczy jonowej. Proces ten polegał na protonowaniu zasady organicznej przez kwas siarkowy i utworzeniu stabilnej ciekłej soli o bardzo niskiej prężności pary.

Aby zasymulować warunki panujące na planetach skalistych, zespół z MIT przeprowadził reakcję w różnych środowiskach, m.in. na powierzchni bazaltu – typowej skały wulkanicznej występującej na tego typu globach.

Po naniesieniu kropli kwasu siarkowego na bazalt, a następnie dodaniu związku organicznego, ciecz jonowa wypełniła pory skały, tworząc mikroskopijne „kałuże”. Pokazuje to, że taki proces mógłby zachodzić in situ, bezpośrednio na powierzchni planety.

– Uznajemy wodę za niezbędną dla życia, ponieważ tego wymaga ziemskie życie. Ale jeśli spojrzymy na szerszą definicję, okaże się, że potrzebujemy cieczy, w której może zachodzić metabolizm. Jeśli do tej definicji włączymy także ciecze jonowe, strefa nadająca się do życia może się dramatycznie poszerzyć dla wielu nowych skalistych światów – przekonuje Rachana Agrawal.

Ciecze jonowe – klucz do życia poza Ziemią?

– Dlaczego nasze odkrycie jest tak istotne? Ponieważ ciecze jonowe praktycznie nigdy nie wyparują. Są tak nielotne, że nie odparują nawet przy bardzo niskim ciśnieniu. Wystarczą mikrokropelki cieczy jonowych w porach skał – nie jest potrzebna ogromna, planetarna ilość cieczy, jak dotąd sądziliśmy.

Oznacza to, że mogą pełnić rolę rozpuszczalnika dla chemii organicznej w warunkach, w których woda nie przetrwa. Co więcej, wiele cieczy jonowych jest bezpiecznych dla ziemskiej biochemii – na przykład niektóre białka zachowują rozpuszczalność i aktywność katalityczną w czystych roztworach cieczy jonowych.

– To odkrycie ogromnie poszerza możliwości pojawienia się życia w kosmosie – podsumowuje dr Janusz Pętkowski.

Źródło: PNAS

Nasza autorka

Ewelina Zambrzycka-Kościelnicka

Dziennikarka i redaktorka zajmująca się tematyką popularnonaukową. Pisze przede wszystkim o eksploracji kosmosu, astronomii i historii. Związana z Centrum Badań Kosmicznych PAN oraz magazynami portali Gazeta.pl i Wp.pl. Ambasadorka Śląskiego Festiwalu Nauki. Współautorka książek „Człowiek istota kosmiczna”, „Kosmiczne wyzwania” i „Odważ się robić wielkie rzeczy”.