Oväntad upptäckt på Saturnus måne utmanar synen på kemin innan livets uppkomst

https://mb.cision.com/Public/5569/4248565/b9967905b71a49cf_800x800ar.jpg

Forskare på Chalmers och den amerikanska rymdstyrelsen Nasa har gjort en oväntad upptäckt som utmanar en av kemins grundregler och ger ny kunskap om Saturnus gåtfulla måne Titan. I månens extremt kalla miljöer kan ämnen som normalt är oförenliga med varandra ändå blandas, något som kan bredda förståelsen för kemin innan livets uppkomst.

Forskare har länge intresserat sig för Saturnus största och orangefärgade måne, eftersom dess utveckling kan lära oss mer om vår egen planet och de tidigaste kemiska stegen mot liv. Titans kalla miljö, och dess tjocka kväve- och metanfyllda atmosfär, har många likheter med de förhållanden som den unga jorden antas ha haft för flera miljarder år sedan. Genom att studera Titan hoppas forskare därför hitta ledtrådar om hur liv en gång uppstod.

Martin Rahm, docent på institutionen för kemi och kemiteknik, Chalmers, har under lång tid arbetat för att förstå mer om vad som pågår på Titan. Han hoppas nu att forskargruppens överraskande upptäckt av hur polära och opolära ämnen* mot alla odds förenas, kan bli en viktig pusselbit i de fortsatta och framtida studierna av Titan.

– Det här är mycket spännande resultat som kan hjälpa oss att förstå något på en väldigt stor nivå, en måne lika stor som planeten Merkurius, säger han.

Nya insikter om livets byggstenar i extrema miljöer

Forskarnas studie, som har publicerats i den vetenskapliga tidskriften PNAS, visar att metan, etan och vätecyanid – som finns i stora mängder i atmosfären och på ytan på Titan – kan samspela på ett sätt som tidigare inte har ansetts möjligt. Att starkt polära molekyler av vätecyanid kan bilda kristaller med de helt opolära ämnena metan och etan är överraskande eftersom sådana ämnen normalt håller sig strikt åtskilda, ungefär som olja och vatten.

– Upptäckten av den oväntade interaktionen mellan dessa ämnen kan påverka hur vi förstår månens geologi och märkliga landskap av sjöar, hav och sanddyner. Dessutom är vätecyanid förmodligen en viktig del i det ursprungliga skapandet av flera av livets byggstenar: exempelvis aminosyror, som är grundläggande för uppbyggnaden av proteiner, och kvävebaser som behövs för arvsmassans genetiska kod. Så vårt arbete bidrar även till nya insikter om kemin innan livet uppstod, och hur den kan fortgå i extrema, ogästvänliga miljöer, säger Martin Rahm, som har lett studien.

Obesvarad fråga ledde till Nasa-samarbete

Bakgrunden till Chalmersstudien bottnar i en hittills obesvarad fråga om Titan. Det är känt att vätecyanid skapas i Titans atmosfär, men vad händer med den sedan? Ligger det vätecyanid metervis deponerat på ytan eller har det interagerat eller reagerat med sin omgivning på något sätt? För att närma sig svaret började en grupp på Nasas Jet Propulsion Laboratory JPL i Kalifornien göra experiment där de, under så låga temperaturer som 90 Kelvin (cirka -180 grader Celsius), blandade vätecyanid med metan och etan. Vid dessa temperaturer är vätecyanid en kristall, och metan och etan vätskor.

När de studerade blandningarna med laserspektroskopi, en metod för att granska material och molekyler på atomnivå, upptäckte de att molekylerna var intakta, men att något ändå hade hänt. För att förstå vad, vände de sig till Martin Rahms forskargrupp på Chalmers, som har forskat mycket om just vätecyanid.

– Det här ledde till ett spännande teoretiskt och experimentellt samarbete mellan Chalmers och Nasa. Frågan som vi ställde oss var lite galen: Kan mätningarna på Nasa förklaras med hjälp av en kristallstruktur där metan eller etan är blandat med vätecyanid? Det går tvärs emot en grundregel inom kemi, ”lika löser lika”, som innebär att de här polära och opolära ämnena inte bör går att kombinera, säger Martin Rahm.

Förflyttar kemins gränser

Med hjälp av en stor mängd beräkningar och datorsimuleringar testade Chalmersforskarna tusentals olika sätt att ordna ämnena, för att söka svar. I analysen upptäckte de att kolvätena hade trängt in i strukturen på vätecyaniden och bildat nya stabila kristallstrukturer – så kallade samkristaller.

– Det här kan ske vid väldigt låga temperaturer, som de som råder på Titan. Våra beräkningar förutspådde inte bara att de oväntade blandningarna är stabila under Titans förhållanden, utan även flera ljusspektra som visade sig sammanfalla väl med Nasas mätningar, säger han.

Upptäckten utmanar en av kemins mest välkända regler, men Martin Rahm tror inte att det är dags att skriva om kemiböckerna.

– Jag ser det som ett fint exempel på när gränserna flyttas inom kemin och att en universellt vedertagen regel inte alltid gäller, säger han.

År 2034 väntas Nasas rymdsond Dragonfly anlända till Titan, med målet att undersöka vad som finns på dess yta. Innan dess planerar Martin Rahm och hans kollegor att fortsätta utforska vätecyanidskemi, delvis i kontakt med Nasa.

– Vätecyanid finns på många ställen i universum, till exempel i stora stoftmoln, i planeters atmosfärer och i kometer. Kanske kan upptäckterna i vår studie hjälpa oss förstå vad som händer i andra kalla omgivningar i rymden. Och kanske kan vi få svar på om fler opolära molekyler kan komma in i vätecyanidens kristaller, och vad detta i så fall kan ha för betydelse för kemin som föregick livets uppkomst, säger han.

Mer om forskningen

Den vetenskapliga artikeln Hydrogen cyanide and hydrocarbons mix on Titan är publicerad i tidskriften PNAS. Den är skriven av Fernando Izquierdo Ruiz, Morgan L. Cable, Robert Hodyss Tuan H. Vu, Hilda Sandström, Alvaro Lobato Fernandez, och Martin Rahm. Forskarna är verksamma vid Chalmers tekniska högskola, Nasas Jet Propulsion Laboratory (JPL) vid California Institute of Technology (Caltech) och Universidad Complutense de Madrid.

Forskningen på Chalmers har finansierats av Vetenskapsrådet.

Mer om titan och rymdsonden Dragonfly

Saturnus största måne Titan är en av solsystemets mest unika himlakroppar, men antas samtidigt ha mycket gemensamt med vår planets tidiga utveckling. Titan omges av en tjock atmosfär bestående till största delen av kväve och metan, och sammansättningen antas likna atmosfären på jorden för miljarder år sedan, innan livet uppstod. Solljus och annan strålning från rymden gör så att dessa molekyler reagerar med varandra, vilket är skälet till att månen döljs i en kemiskt komplicerad, orangefärgad dimma av organiska (det vill säga kolrika) föreningar. Ett av de främsta ämnena som skapas på detta sätt är vätecyanid.

Vid Titans extremt kalla yta finns sjöar och floder av flytande metan och etan – det enda andra kända stället i vårt solsystem, förutom jorden, där vätskor breder ut sig i sjöar på ytan. Titan har väder och årstider: det blåser, bildas moln och regnar, om än i form av metan i stället för vatten. Mätningar visar dessutom att det med stor sannolikhet finns ett stort hav av flytande vatten många kilometer under den kalla ytan, som i princip skulle kunna hysa liv.

År 2028 planerar den amerikanska rymdstyrelsen Nasa att skicka upp rymdsonden Dragonfly, som väntas ankomma till Titan 2034. Målet är dels att studera prebiotisk kemi – kemin som föregår liv, samt att leta efter tecken på liv.

* Om polära och opolära material
Polära material består av molekyler med ojämn laddningsfördelning (en positiv och en negativ sida), medan opolära material har en jämn laddningsfördelning. Polära och opolära ämnen blandar sig ogärna, då polära molekyler hellre interagerar med varandra via elektrostatiska krafter.

Bildtext, översta bilden:
Forskare har länge intresserat sig för Saturnus största måne, Titan, och dess iskalla miljö som hyser sjöar, hav, sanddyner och en tjock atmosfär fylld av kväve och metan. Titan antas ha en hel del gemensamt med vår planets tidiga utveckling, och kan därför ge forskarna ledtrådar om hur liv en gång uppstod.
Illustration: NASA-JPL-Space Science Institute.

För mer information, kontakta:
Martin Rahm, docent på institutionen för kemi och kemiteknik, Chalmers tekniska högskola, martin.rahm@chalmers.se, 031 772 30 50

Martin Rahm pratar svenska och engelska.
På Chalmers har vi poddstudior och filmutrustning på plats och kan bistå vid förfrågningar om tv-, radio- eller podd-intervjuer.