Планеты без воды все равно могут производить определенные жидкости

Фото из открытых источников

Вода необходима для жизни на Земле. Следовательно, жидкость должна быть необходимым условием для жизни в других мирах. Десятилетиями учёные определяли пригодность других планет для жизни, основываясь на этом предположении.

Но то, что делает некоторые планеты пригодными для жизни, может иметь мало общего с водой. На самом деле, совершенно иной тип жидкости, вероятно, мог бы поддерживать жизнь в мирах, где вода практически не встречается. Эту возможность рассматривают учёные Массачусетского технологического института в исследовании, опубликованном в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

В ходе лабораторных экспериментов исследователи обнаружили, что тип жидкости, известный как ионная жидкость, может легко образовываться из химических ингредиентов, которые, как ожидается, также присутствуют на поверхности некоторых каменистых планет и лун. Ионные жидкости — это соли, существующие в жидкой форме при температуре ниже 100 градусов Цельсия.

Эксперименты группы показали, что смесь серной кислоты и некоторых азотсодержащих органических соединений образует такую жидкость. На каменистых планетах серная кислота может быть побочным продуктом вулканической активности, в то время как азотсодержащие соединения были обнаружены на нескольких астероидах и планетах нашей Солнечной системы, что позволяет предположить их присутствие и в других планетных системах.

Ионные жидкости обладают крайне низким давлением пара и не испаряются; они могут образовываться и сохраняться при более высоких температурах и более низких давлениях, чем те, которые может выдержать жидкая вода. Исследователи отмечают, что ионная жидкость может быть благоприятной средой для некоторых биомолекул, например, некоторых белков, которые могут оставаться стабильными в жидкости.

Учёные предполагают, что даже на планетах, которые слишком тёплые или имеют слишком низкое давление в атмосфере для существования жидкой воды, всё равно могут существовать очаги ионной жидкости. А там, где есть жидкость, может существовать и потенциал для жизни, хотя, вероятно, и не что-то похожее на водные организмы Земли.

«Мы считаем, что вода необходима для жизни, потому что именно она необходима для жизни на Земле. Но если мы рассмотрим более общее определение, то увидим, что нам нужна жидкость, в которой может происходить метаболизм, необходимый для жизни», — говорит руководитель исследования Рачана Агравал из Массачусетского технологического института. «Если же мы включим в этот процесс ионную жидкость, это может значительно расширить зону обитаемости всех каменистых планет».

Работа команды с ионной жидкостью возникла в результате поиска признаков жизни на Венере, где облака серной кислоты окутывают планету ядовитой дымкой. Несмотря на свою токсичность, облака Венеры могут содержать признаки жизни — эту гипотезу учёные планируют проверить в ходе предстоящих миссий в атмосферу планеты.

Рачана Агравал и соавтор исследования Сара Сигер также из Массачусетского технологического института, возглавляющие миссии «Утренняя звезда» к Венере, исследовали способы сбора и испарения серной кислоты. Если миссия будет собирать образцы из облаков Венеры, серную кислоту необходимо будет испарить, чтобы выявить остаточные органические соединения, которые затем можно будет проанализировать на наличие признаков жизни.

Исследователи использовали свою собственную систему низкого давления, разработанную для испарения избытка серной кислоты, чтобы протестировать испарение раствора кислоты и органического соединения, глицина. Они обнаружили, что в каждом случае, хотя большая часть жидкой серной кислоты испарялась, оставался стойкий слой жидкости.

Вскоре они поняли, что серная кислота вступает в химическую реакцию с глицином, что приводит к обмену атомами водорода между кислотой и органическим соединением. В результате образуется жидкая смесь солей, или ионов, известная как ионная жидкость, которая сохраняет жидкое состояние в широком диапазоне температур и давлений.

Это случайное открытие дало толчок возникновению идеи: может ли ионная жидкость образовываться на планетах, которые слишком теплые и имеют слишком разреженную атмосферу для существования воды?

«Отсюда мы и попытались представить, что это может означать», — говорит Агравал. «Серная кислота встречается на Земле в вулканах, а органические соединения — на астероидах и других планетарных телах. Это навело нас на мысль о возможности образования ионных жидкостей и их естественного существования на экзопланетах».

На Земле ионные жидкости синтезируются преимущественно в промышленных целях. В природе они не встречаются, за исключением одного конкретного случая, когда жидкость образуется путём смешивания ядов двух конкурирующих видов муравьёв.

Команда решила исследовать, при каких условиях ионная жидкость может образовываться естественным образом, и в каком диапазоне температур и давлений. В лаборатории они смешивали серную кислоту с различными азотсодержащими органическими соединениями. В предыдущих исследованиях команда Сигера обнаружила, что эти соединения, некоторые из которых можно считать компонентами, связанными с жизнью, удивительно стабильны в серной кислоте.

«В старших классах школы нас учат, что кислота стремится отдать протон», — говорит Сигер. «И, как ни странно, из нашего прошлого опыта работы с серной кислотой (основным компонентом облаков Венеры) и азотсодержащими соединениями мы знали, что азот стремится получить водород. Это как мусор для одного человека, а для другого — сокровище».

В результате реакции могло образоваться небольшое количество ионной жидкости, если бы серная кислота и азотсодержащие органические соединения находились в соотношении один к одному, что не было предметом исследования в предыдущей работе. В своём новом исследовании Сигер и Агравал смешивали серную кислоту с более чем 30 различными азотсодержащими органическими соединениями в диапазоне температур и давлений, а затем наблюдали за образованием ионной жидкости при испарении серной кислоты в различных пробирках. Они также смешивали ингредиенты с базальтовыми породами, которые, как известно, встречаются на поверхности многих каменистых планет.

«Мы были просто поражены тем, как ионная жидкость образуется при столь разных условиях», — говорит Сигер. «Если нанести серную кислоту и органику на камень, избыток серной кислоты просочится в поры, но на камне всё равно останется капля ионной жидкости. Что бы мы ни пробовали, ионная жидкость всё равно образовывалась».

Группа учёных обнаружила, что реакции приводят к образованию ионной жидкости при температуре до 180 градусов Цельсия и при чрезвычайно низком давлении — значительно ниже давления в атмосфере Земли. Результаты исследования предполагают, что ионные жидкости могут естественным образом образовываться на других планетах, где жидкая вода невозможна, при соответствующих условиях.

«Мы представляем себе планету, которая теплее Земли, на которой нет воды, и где в какой-то момент в прошлом или настоящем должна была присутствовать серная кислота, образовавшаяся в результате вулканического выделения газов», — говорит Сигер. «Эта серная кислота должна была протекать через небольшой слой органики. А органические отложения чрезвычайно распространены в Солнечной системе».

По её словам, образовавшиеся скопления жидкости могут сохраняться на поверхности планеты, возможно, годами или тысячелетиями, где они теоретически могли бы служить небольшими оазисами для простых форм жизни, основанной на ионной жидкости. В дальнейшем команда Сигер планирует продолжить исследования, чтобы выяснить, какие биомолекулы и компоненты жизни могут выживать и процветать в ионной жидкости.

«Мы только что открыли ящик Пандоры новых исследований», — говорит Сигер. «Это было настоящее путешествие».