Лабораторные эксперименты демонстрируют, что ионные жидкости могут образовываться в результате распространённых планетарных процессов и потенциально способны поддерживать жизнь даже на планетах без воды.
Вода необходима для жизни на Земле. Поэтому считалось, что жидкость является обязательным условием для существования жизни на других планетах. Однако то, что делает некоторые планеты пригодными для жизни, может иметь мало общего с водой.
В исследовании, опубликованном на этой неделе в «Proceedings of the National Academy of Sciences», учёные Массачусетского технологического института (MIT) поднимают вопрос о возможности существования жизни в мирах, где вода практически не существует.
Исследователи обнаружили, что тип жидкости, известный как ионная жидкость, может легко образовываться из химических ингредиентов, которые также должны присутствовать на поверхности некоторых каменистых планет и спутников.
Ионные жидкости — это соли, которые существуют в жидкой форме при температуре ниже примерно 100 градусов Цельсия. Эксперименты команды показали, что смесь серной кислоты и некоторых азотсодержащих органических соединений образует такую жидкость.
На каменистых планетах серная кислота может быть побочным продуктом вулканической активности, а азотсодержащие соединения были обнаружены на нескольких астероидах и планетах в нашей Солнечной системе, что позволяет предположить их присутствие в других планетных системах.
Ионные жидкости имеют чрезвычайно низкое давление пара и не испаряются; они могут образовываться и сохраняться при более высоких температурах и более низком давлении, чем может выдержать жидкая вода. Исследователи отмечают, что ионная жидкость может быть благоприятной средой для некоторых биомолекул, таких как определённые белки, которые могут оставаться стабильными в жидкости.
Учёные предполагают, что даже на планетах, которые слишком тёплые или имеют атмосферы с низким давлением, не способствующими существованию жидкой воды, всё равно могут быть карманы с ионной жидкостью. И где есть жидкость, там может быть потенциал для жизни, хотя, вероятно, это будет не то, что напоминает земных существ, основанных на воде.
«Мы считаем, что для жизни необходима вода, потому что она нужна для жизни на Земле. Но если мы посмотрим на более общее определение, мы увидим, что нам нужна жидкость, в которой может происходить обмен веществ», — говорит Рачана Агравал, которая возглавляла исследование в качестве постдока в Департаменте наук о Земле, атмосфере и планетах MIT.
Исследование проводилось совместно с учёными из MIT, включая Сару Сигер, профессора планетарных наук в Департаменте наук о Земле, атмосфере и планетах, а также Ярослава Якубивского, Уэстона Бьюкенена, Ану Глидден и Цзинчэна Хуанга. Соавторами также являются Максвелл Сигер из Вустерского политехнического института, Уильям Бейнс из Кардиффского университета и Януш Петковски из Вроцлавского университета науки и технологий в Польше.
Жидкий скачок
Работа команды с ионными жидкостями выросла из усилий по поиску признаков жизни на Венере, где облака серной кислоты окутывают планету ядовитой дымкой. Несмотря на её токсичность, облака Венеры могут содержать признаки жизни — идея, которую учёные планируют проверить с помощью предстоящих миссий в атмосферу планеты.
Агравал и Сигер, возглавляющая миссию «Утренняя звезда» на Венеру, исследовали способы сбора и выпаривания серной кислоты. Если миссия соберёт образцы из облаков Венеры, серную кислоту придётся выпарить, чтобы выявить любые остаточные органические соединения, которые затем можно будет проанализировать на наличие признаков жизни.
Исследователи использовали свою специальную систему низкого давления, предназначенную для выпаривания избытка серной кислоты, чтобы проверить выпаривание раствора кислоты и органического соединения, глицина. Они обнаружили, что в каждом случае, хотя большая часть жидкой серной кислоты испарялась, всегда оставался стойкий слой жидкости.
Вскоре они поняли, что серная кислота химически реагирует с глицином, в результате чего происходит обмен атомами водорода от кислоты к органическому соединению. В результате образовалась жидкая смесь солей, или ионов, известная как ионная жидкость, которая сохраняется в жидком состоянии в широком диапазоне температур и давлений.
Этот случайный вывод положил начало идее: может ли ионная жидкость образовываться на планетах, которые слишком тёплые и имеют атмосферы слишком тонкие для существования воды?
«Оттуда мы сделали скачок воображения о том, что это может означать», — говорит Агравал. «Серная кислота обнаружена на Земле в результате вулканической деятельности, а органические соединения были обнаружены на астероидах и других небесных телах. Поэтому мы задались вопросом, могут ли ионные жидкости потенциально образовываться и существовать естественным образом на экзопланетах».
Каменистые оазисы
На Земле ионные жидкости в основном синтезируются в промышленных целях. Они не встречаются в природе, за исключением одного конкретного случая, когда жидкость образуется в результате смешивания ядов, вырабатываемых двумя конкурирующими видами муравьёв.
Команда задалась целью выяснить, при каких условиях ионная жидкость может образоваться естественным путём, и в каком диапазоне температур и давлений. В лаборатории они смешивали серную кислоту с различными азотсодержащими органическими соединениями.
«В старшей школе вы узнаете, что кислота хочет отдать протон», — говорит Сигер. «И как ни странно, мы знали из нашей прошлой работы с серной кислотой (основным компонентом облаков Венеры) и азотсодержащими соединениями, что азот хочет получить водород. Это как чей-то мусор — это чьё-то сокровище».
Реакция могла привести к образованию ионной жидкости, если серная кислота и азотсодержащие органические вещества были в соотношении один к одному — соотношении, которое не было в центре внимания предыдущей работы. Для своего нового исследования Сигер и Агравал смешали серную кислоту с более чем 30 различными азотсодержащими органическими соединениями в диапазоне температур и давлений, а затем наблюдали, образуется ли ионная жидкость, когда они выпаривали серную кислоту в различных пробирках.
Они также смешивали ингредиенты с базальтовыми породами, которые, как известно, существуют на поверхности многих каменистых планет.
«Мы были просто поражены тем, что ионная жидкость образуется при стольких различных условиях», — говорит Сигер. «Если вы поместите серную кислоту и органику на камень, избыток серной кислоты просачивается в поры камня, но на камне всё равно остаётся капля ионной жидкости. Что бы мы ни пробовали, ионная жидкость всё равно образовывалась».
Команда обнаружила, что реакции приводили к образованию ионной жидкости при температурах до 180 градусов Цельсия и при чрезвычайно низком давлении — намного ниже, чем в атмосфере Земли. Их результаты показывают, что ионная жидкость может естественным образом образовываться на других планетах, где жидкая вода не может существовать, при правильных условиях.
«Мы представляем себе планету, которая теплее Земли, на которой нет воды, и в какой-то момент в её прошлом или в настоящее время у неё должна была быть серная кислота, образовавшаяся в результате вулканических выбросов», — говорит Сигер. «Эта серная кислота должна была течь по небольшому карману органики. А органические отложения чрезвычайно распространены в Солнечной системе».
Затем, по её словам, образовавшиеся карманы жидкости могли оставаться на поверхности планеты потенциально годами или тысячелетиями, где теоретически они могли бы служить небольшими оазисами для простых форм жизни, основанной на ионной жидкости. В дальнейшем команда Сигера планирует провести дополнительные исследования, чтобы увидеть, какие биомолекулы и ингредиенты для жизни могут выжить и процветать в ионной жидкости.
«Мы только что открыли ящик Пандоры с новыми исследованиями», — говорит Сигер. «Это был настоящий путь».
Это исследование частично финансировалось Фондом Слоуна и Фондом Volkswagen.