11 دقیقه
قمر بزرگ زحل، تیتان، بار دیگر دانشمندان را متحیر کرده است. پژوهش‌های تازه نشان می‌دهد که در شرایط بسیار سرد سطح تیتان هیدروژن سیانید (HCN) میتواند همراه با هیدروکربن‌های غیرقطبی مانند متان و اتان در ساختارهای جامد پایدار قفل شود — چرخشی در شیمی که قاعدهٔ دیرپای «همان شبیه خود را حل میکند» را به چالش می‌کشد و بین مولکولهای قطبی و غیرقطبی جدایی‌ای را که انتظار می‌رود، کم‌رنگ میسازد.
پژوهشگران دانشگاه چالمرز سوئد در همکاری نزدیک با آزمایش‌هایی که در آزمایشگاه پیشرانش جت ناسا (JPL) انجام شد، اندازه‌گیری‌های آزمایشگاهی را با محاسبات بزرگ‌مقیاس ترکیب کردند تا این کو-کریستالهای غیرمنتظره را کشف کنند. این کشف نه تنها فهم ما از شیمی سطح تیتان را بازتعریف میکند، بلکه سرنخ‌های جدیدی دربارهٔ نحوه شکل‌گیری مولکولهای پیش‌زیستی در دماهای بسیار پایین فراهم می‌آورد که برای مطالعات شیمی پیش‌زیستی و اخترزیست‌شناسی اهمیت دارد.
تیتان از سال‌ها پیش توجه دانشمندان را به خود جلب کرده است؛ قمی یخی و پیچیده که در آن دریاچه‌ها و دریاها، تپه‌های شنی و جوّی غلیظ از نیتروژن و متان همراه با شیمی کربن‌محور پیچیده وجود دارد. محیطهای سرد و آلی تیتان تا حدودی با مراحل اولیهٔ تکامل زمین شباهت دارند و به همین دلیل فرصت‌هایی برای بررسی فرضیه‌ها دربارهٔ منشأ حیات فراهم می‌سازند. مشاهدات و مدل‌سازی‌های قبلی دربارهٔ ترکیب سطح و جو تیتان اطلاعات بنیادینی داده‌اند، اما این یافتهٔ جدید چشم‌انداز ما را نسبت به فرایندهای شیمیایی و توزیع مواد آلی در سطح آن گسترش می‌دهد. Credit: NASA-JPL-Space Science Institute
چرا این کشف اهمیت دارد: ترکیبِ آنچه نباید ترکیب شود
در کتاب‌های درسی شیمی، قاعدهٔ «مثل، مثل را حل میکند» یک حقیقت ساده را خلاصه میکند: مولکولهای قطبی با توزیع بار نامتعادل تمایل دارند یکدیگر را جذب کنند، در حالی که مولکولهای غیرقطبی دوست دارند با هم‌نوعان خود رفتار کنند. در شرایط معمولی، هیدروژن سیانید که مولکولی قویاً قطبی است، و هیدروکربن‌هایی مانند متان و اتان که غیرقطبی‌اند، باید از هم تفکیک بمانند — مانند جدا بودن روغن و آب حتی در دماهای بسیار پایین.
با این حال، آزمایشهای JPL بر روی مخلوط‌هایی که تا دماهای حدود 90 کلوین (تقریباً منفی 180 درجهٔ سانتی‌گراد) سرد شدند، امضاهای طیفی را آشکار کردند که با این تصویر ساده مطابقت نداشت. به‌جای آنکه هیدروژن سیانید به‌تنهایی منجمد شود یا متان و اتان پایداراً به شکل مایع یا فاز جدا بمانند، اندازه‌گیری‌ها نشان‌دهندهٔ فاز جامد جدیدی بود — بلور مخلوطی که در آن هیدروکربنها خود را در شبکهٔ بلوری هیدروژن سیانید جا داده‌اند و یک ساختار کو-کریستالی را شکل داده‌اند.
برای تفسیر این طیف‌های معماوار، مارتین رام و تیمش در چالمرز هزاران شبیه‌سازی اتمی انجام دادند تا بررسی کنند که چگونه هیدروژن سیانید، متان و اتان ممکن است در فاز جامد کنار هم قرار بگیرند. نتیجه: کو-کریستالهای پایداری که با اثرانگشت‌های طیفی مشاهده‌شده همخوانی دارند — آرایشی مولکولی که مرز بین قطبی و غیرقطبی را در شرایط مشابه تیتان کم‌رنگ میکند و نشان می‌دهد شیمی در دماهای کریوژنیک میتواند راه‌های نامنتظره‌ای را دنبال کند.
چگونه آزمایش و محاسبات به هم رسیدند
این کشف نتیجهٔ همکاری نزدیک میان گروه‌های آزمایشگاهی در NASA/JPL و گروه‌های نظری در چالمرز بود. در آزمایشگاه JPL، طیفسنجی لیزری در دماهای پایین روی مخلوط‌های کریوژنیک انجام شد تا نحوهٔ ارتعاش پیوندها و تعاملات مولکولی در فازهای مختلف مورد بررسی قرار گیرد؛ در همان زمان، گروه‌های نظری در چالمرز ساختارهای جامد بالقوه و طیف‌های ارتعاشی‌شان را مدل کردند. طیفسنجی لیزری خوانشی در سطح مولکولی ارائه می‌دهد و وقتی طیف‌های JPL ویژگی‌های غیرمنتظره‌ای نشان داد، تیم چالمرز پرسید: آیا این ویژگی‌ها میتواند با وارد شدن متان یا اتان به بلورهای هیدروژن سیانید توضیح داده شود؟
محاسبات با توان محاسباتی بالا این امکان را فراهم کرد تا هزاران چینش بلوری کاندید آزمون شود. نتایج محاسبات ثابت کردند که کو-کریستالهایی در دماهای مشابه تیتان پایدارند و طیف‌های شبیه‌سازی‌شدهٔ آن‌ها با اندازه‌گیری‌های JPL تطابق دارد. به زبان ساده، شواهد آزمایشگاهی و نظری هر دو به همان پاسخ شگفت‌آور همگرا شدند: هیدروکربنها میتوانند داخل بلورهای هیدروژن سیانید به دام افتاده، و کو-کریستالهای جامدی را تشکیل دهند که در شرایط یخی و سرد تیتان پایدارند.
پیامدها برای زمین‌شناسی و شیمی پیش‌زیستی تیتان
این یافته دو پیامد مهم دارد. نخست، نحوهٔ تعبیر ما از زمین‌شناسی سطح تیتان و تکامل چشم‌اندازهای آن را تغییر می‌دهد. هیدروژن سیانید در جو تیتان فراوان است؛ این مولکول از طریق فوتوشیمی در لایه‌های مه‌پوش تولید میشود و سپس روی سطح ته‌نشین می‌گردد. اگر سیانید با متان و اتان کوکریستال بسازد، توزیع، ظاهر و خواص مکانیکی رسوبات سطحی — ترکیب تپه‌های شنی، سواحل و حوضچه‌های یخی — ممکن است متفاوت از آن چیزی باشد که مدل‌ها تاکنون پیشبینی کرده‌اند.
دوم، و شاید تحریک‌آمیزتر، هیدروژن سیانید خوراکی چندکاره برای شیمی پیش‌زیستی است. در آزمایشگاه‌های زمینی، HCN در مسیرهایی شرکت میکند که به اسیدهای آمینه و بازهای نوکلوئیک منتهی می‌شوند — پیش‌سازهای شیمیایی پروتئین‌ها و مولکولهای ژنتیکی. کو-کریستال شدن با هیدروکربنها میتواند نحوهٔ نگهداری، تمرکز یا تبدیل HCN را روی تیتان تغییر دهد و شاید میکرومحیط‌هایی ایجاد کند که شیمی آلی پیچیده حتی در دماهای بسیار پایین قابل انجام باشد؛ محیط‌هایی که در آن‌ها واکنش‌هایی رخ دهند که در فاز گازی رقیق امکان‌پذیر نیست.
«این یافته‌ها بسیار هیجان‌انگیزند و میتوانند به ما در فهمیدن چیزهایی در مقیاس بزرگ کمک کنند، قمرِ بزرگی به اندازهٔ سیارهٔ عطارد»، می‌گوید مارتین رام، دانشیار دانشگاه چالمرز. «تعامل غیرمنتظرهٔ بین این مواد میتواند بر درک ما از زمین‌شناسی تیتان و چشم‌اندازهای عجیب آن از دریاچه‌ها، دریاها و تپه‌های شنی اثر بگذارد.» این دیدگاه به پل‌های تازه‌ای بین دادههای طیفسنجی، مدل‌سازی زمین‌شناسی و سوالات بنیادین اخترزیست‌شناسی می‌زند.
اهمیت برای ماموریت دراگن‌فلای و مأموریتهای آینده
ماموریت روتورکرایفت ناسا، دراگن‌فلای، که قرار است اواخر دههٔ 2020 پرتاب شود و در دههٔ 2030 به تیتان برسد، مناطق سطحی متنوعی را کاوش کرده و از نواحی غنی از مواد آلی نمونهبرداری خواهد کرد. دانستن اینکه هیدروژن سیانید میتواند با متان و اتان کو-کریستال تشکیل دهد، به برنامه‌ریزان مأموریت کمک میکند تا پیشبینیهای دقیق‌تری دربارهٔ ترکیب سطح ارائه دهند و استراتژی‌های نمونهبرداری را بهینه کنند. اگر این جامدات مخلوط گسترده باشند، دستگاه‌های دراگن‌فلای ممکن است نیاز داشته باشند تا انتظاراتشان را در مورد نحوهٔ نمایان شدن مواد آلی در رسوبات منجمد و پوستههای سطح تغییر دهند.
علاوه بر نمونهبرداری مستقیم، این کشف برای سنجش از دور نیز اهمیت دارد. ویژگی‌های طیفی مرتبط با کو-کریستالهای HCN روی امضاهای فروسرخ و رامان اثر می‌گذارد که مدارگردها یا ابزارهای پرواز-عبوری جمع‌آوری میکنند؛ این موضوع در تفسیر دادههای آینده کمک‌رسان خواهد بود و میتواند جست‌وجو برای نواحی دارای احتمال بالاتر وقوع شیمی پیش‌زیستی را بهبود دهد. به‌ویژه برای تحلیل طیف‌های فروسرخ می‌توان مدل‌های جدیدی توسعه داد که نشانههای کو-کریستالها را در نظر می‌گیرند تا نقشه‌برداری ترکیبی سطح دقیق‌تر شود.
تصویر هنری از دراگن‌فلای در حال اوج‌گیری بر فراز تپه‌های شنی قمر تیتان. ناسا مجوز ادامهٔ توسعهٔ این مأموریت را تا تاریخ پرتاب پیشنهادی ژوئیهٔ 2028 صادر کرده است. Credit: NASA/Johns Hopkins APL/Steve Gribben
اهمیت گسترده‌تر: شیمی سرد در سرتاسر منظومهٔ شمسی
هیدروژن سیانید فقط منحصر به تیتان نیست؛ اخترشناسان آن را در ابرهای میانستارهای، دنبالهدارها و در جوّ برخی سیارات و قمرها نیز آشکار میکنند. اگر HCN بتواند در دماهای کریوژنیک با مولکولهای غیرقطبی کو-کریستال بسازد، این مکانیزم ممکن است مربوط به طیفی وسیع از محیطهای سرد در فضا باشد. کو-کریستالیزاسیون میتواند بر چگونگی ذخیره شدن مواد آلی در یخهای دنبالهدارها، پیر شدن آئروسلها در جوهای دوردست، یا بقای ترکیبات آلی پیچیده روی سطح قمرهای یخی تاثیر بگذارد.
«من این را مثالی خوب از زمانی می‌بینم که مرزها در شیمی جابهجا می‌شوند و یک قاعدهٔ پذیرفته‌شدهٔ جهانی همیشه صادق نیست»، رام اضافه میکند. نتیجه نه یک تناقض قطعی که گسترشی است: شیمی در شرایط افراطی میتواند مسیرهایی را دنبال کند که در زمین و در دمای اتاق انتظار نداریم. این مشاهدات اهمیت مطالعهٔ شیمی در دامنهٔ وسیعی از دماها و فشارها را برای ساخت مدل‌های کلی‌تر و دقیق‌تر نشان می‌دهد.
دیدگاه کارشناسی
دکتر لنا مورالس، یک دانشمند سیارهای فرضی ولی واقع‌گرایانه که در مؤسسهٔ اخترزیست‌شناسی اروپا کار میکند، دیدگاهی عملی ارائه می‌دهد: «کو-کریستالهایی مانند این نقش تله‌های سرد را ایفا میکنند. آن‌ها میتوانند مولکولهای واکنش‌پذیر را به‌صورت جامد حفظ کنند، سرعت تجزیه را کاهش دهند و حتی گرادیان‌های تمرکز محلی ایجاد کنند که برای واکنشهای شیمیایی بعدی مساعد است. برای اخترزیست‌شناسی، این نکته حیاتی است — واکنش‌هایی که در گاز رقیق غیرممکن هستند، ممکن است داخل یا روی سطح یک شبکهٔ بلوری رخ دهند.»
این دیدگاه کارشناسی یک نکتهٔ عملی را برجسته میکند: مسیرهای پیش‌زیستی به زمینهٔ فیزیکی حساس‌اند. همان مولکول‌ها وقتی در جامدها قفل شوند، روی سطوح معدنی جذب شوند یا در دریاچه‌ها حل شوند، رفتاری متفاوت دارند. در تیتان، تعامل میان جو، مایعات سطحی و رسوبات یخی موزاییکی از محیطهای شیمیایی را ایجاد میکند که مستعد شیمی‌های غیرمنتظره و فرایندهای غنی‌سازی محلی است.
گام بعدی: نقشه‌برداری، آزمایش‌ها و نظریه
رام و همکارانش قصد دارند تحقیقات دربارهٔ شیمی هیدروژن سیانید را در همکاری با تیم‌های ناسا ادامه دهند. سؤالات باز شامل این موارد است: آیا مولکولهای غیرقطبی دیگر — فراتر از متان و اتان — میتوانند وارد بلورهای HCN شوند؟ ثبات این کو-کریستالها تحت تغییرات دوره‌ای دما چگونه است؟ آیا تابش (توان‌های پرانرژی کیهانی یا ذرات ناشی از نور خورشید) میتواند واکنشهای بیشتری را داخل ماتریکس بلوری به پیش ببرد؟ پاسخ به این پرسشها برای مدل‌سازی تکامل شیمیایی تیتان و پیشبینی مناطق هدف برای مأموریت‌ها حیاتی است.
کار آزمایشگاهی گسترش خواهد یافت تا مخلوط‌هایی با سایر ترکیبات آلی آزمایش شوند و نوسانات دمای روزانه و فصلی تیتان شبیه‌سازی گردد. از سوی دیگر، در سطح نظری، محاسبات دقیق‌تری مسیرهای واکنشی را که ممکن است در داخل کو-کریستالها ممکن شود بررسی خواهند کرد. این تلاش‌های مشترک مدل‌های ترکیب سطح و تکامل موجودی آلی تیتان را اصلاح خواهند کرد و به تفسیر دادههای طیفی و میدانی آینده کمک خواهند نمود.
در نهایت، این کشف یادآور این است که شیمی سیارهای اغلب از شهود زمین‌محور ما تبعیت نمی‌کند. تیتان همچنان یک آزمایشگاه طبیعی برای شیمی آلی کریوژنیک است — جایی که مولکولهای ساده تحت شرایطی بسیار متفاوت از زمین ما به شکل‌های پیچیده‌تری سازمان می‌یابند و ممکن است به درک ما از مراحل اولیهٔ شیمی حیات کمک کنند.
منبع: scitechdaily
ارسال نظر