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.
WIDEO…
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”.
