Från University of Arizona
Det första experimentella beviset som visar hur atmosfäriskt kväve kan införlivas i organiska makromolekyler rapporteras av ett team från University of Arizona. Fyndet indikerar vilka organiska molekyler som kan hittas på Titan, Saturnusmåne som forskarna tror är en modell för jordens kemi.
Jorden och Titan är de enda kända planetstorlekar som har tjocka, övervägande kvävgasatmosfärer, säger Hiroshi Imanaka, som genomförde forskningen medan han var medlem i UA: s kemi- och biokemiska avdelning.
Hur komplexa organiska molekyler kväveras i miljöer som den tidiga jorden eller Titans atmosfär är ett stort mysterium, sa Imanaka.
"Titan är så intressant eftersom dess kvävedominerade atmosfär och organisk kemi kan ge oss en ledtråd till livets ursprung på vår jord," sade Imanaka, nu assistentforskare i UA: s Lunar and Planetary Laboratory. "Kväve är en viktig del av livet."
Men inte bara något kväve kommer att göra. Kvävegas måste omvandlas till en mer kemiskt aktiv form av kväve som kan driva reaktionerna som utgör grunden för biologiska system.
Imanaka och Mark Smith omvandlade en kväve-metangasblandning som liknar Titans atmosfär till en samling av kväveinnehållande organiska molekyler genom att bestråla gasen med UV-strålar med hög energi. Laboratorieuppsättningen var utformad för att härma hur solstrålning påverkar Titans atmosfär.
De flesta kväve flyttade direkt till fasta föreningar, snarare än gasformiga, säger Smith, UA-professor och chef för kemi och biokemi. Tidigare modeller förutspådde att kvävet skulle flytta från gasformiga föreningar till fasta sådana i en längre stegvis process.
Titan ser orange ut på färg eftersom en smog av organiska molekyler omsluter planeten. Partiklarna i smogen kommer så småningom att sätta sig ner till ytan och kan utsättas för förhållanden som kan skapa liv, säger Imanaka, som också är en huvudutredare vid SETI Institute i Mountain View, Calif.
Forskare vet dock inte om Titans smogpartiklar innehåller kväve. Om en del av partiklarna är samma kväveinnehållande organiska molekyler som UA-teamet skapade i laboratoriet, är förhållanden som bidrar till livet mer troligt, sade Smith.
Laboratorieobservationer som dessa indikerar vad de kommande rymdsuppdragen ska leta efter och vilka instrument som bör utvecklas för att hjälpa till i sökningen, sade Smith.
Imanaka och Smiths tidning, ”Bildning av kvävehaltiga organiska aerosoler i den övre atmosfären i Titan,” är planerad att publiceras i Early Online-utgåvan av Proceedings of the National Academy of Sciences veckan den 28 juni. NASA gav finansiering för forskningen.
UA-forskarna ville simulera förhållanden i Titans tunna övre atmosfär eftersom resultat från Cassini-uppdraget indikerade att "extrem UV" -strålning träffade atmosfären skapade komplexa organiska molekyler.
Därför använde Imanaka och Smith den avancerade ljuskällan vid Lawrence Berkeley National Laboratory synchroton i Berkeley, Kalifornien för att skjuta UV-ljus med hög energi i en rostfritt stålcylinder innehållande kväve-och-metangas som hålls vid mycket lågt tryck.
Forskarna använde en masspektrometer för att analysera kemikalierna som resulterade från strålningen.
Enkelt men det låter är det komplicerat att installera experimentutrustningen. Själva UV-ljuset måste passera genom en serie vakuumkammare på väg in i gaskammaren.
Många forskare vill använda den avancerade ljuskällan, så konkurrensen om tid på instrumentet är hård. Imanaka och Smith tilldelades en eller två tidsluckor per år, var och en var i åtta timmar om dagen i bara fem till tio dagar.
För varje tidslucka var Imanaka och Smith tvungna att packa all experimentutrustning i en skåpbil, köra till Berkeley, sätta upp den känsliga utrustningen och lansera till en intensiv serie experiment. De arbetade ibland mer än 48 timmar rakt för att få ut maximalt av sin tid på Advanced Light Source. Att genomföra alla nödvändiga experiment tog år.
Det var nervräckande, sade Imanaka: "Om vi bara saknar en skruv, det stör vår stråltid."
I början analyserade han bara gaserna från cylindern. Men han upptäckte inga kväveinnehållande organiska föreningar.
Imanaka och Smith trodde att det var något fel i den experimentella uppsättningen, så de finjusterade systemet. Men fortfarande inget kväve.
"Det var ett ganska mysterium," sade Imanaka, tidningens första författare. "Vart gick kvävet?"
Slutligen samlade de två forskarna bitarna av brunt skräp som samlades på cylinderväggen och analyserade det med vad Imanaka kallade "den mest sofistikerade masspektrometertekniken."
Imanaka sa: "Sedan hittade jag äntligen kvävet!"
Imanaka och Smith misstänker att sådana föreningar bildas i Titans övre atmosfär och så småningom faller till Titans yta. Väl på ytan bidrar de till en miljö som bidrar till livets utveckling.
