Познатите ни форми лед като снежинките (вляво), са изградени от кристали, за разлика от аморфния лед (вдясно), който е неструктуриран.
Космическата лаборатория Годар е една от малкото, в които изследователи изучават химическия състав на космическия лед, възпроизвеждайки реакции от лед от почти всяко време и пространство в историята на слънчевата система, включително някои, които може би могат да обяснят произходът на живота.
Зад заключени врати, в лаборатория, построена като бомбоубежище, Пери Геракинс прави нещо обикновено и в същото време истински чуждо (извънземно) – лед.
Но това не е ледът от снежинките и кубчетата. За образуването на този лед се изискват такъв студ и ниско налягане, че подходящите условия рядко възникват на земята, ако изобщо възникват някога. Когато Геракинс прави леда, той трябва да поддържа пласта му толкова тънък, че изглежда микроскопичен в сравнение със семе на полен.
Оказва се обаче, че тези ултратънки пластове са идеални, за да се пресъздадат някои от основните химични процеси, които се случват в космоса. Геракинс и неговите колеги от лабораторията за космически лед в космическия център на НАСА Годар в Грийнбелт, Мериленд, могат да възпроизведат реакции в леда, които да съвпадат с условията от почти всяко място и време от историята на слънчевата система, включително такива условия, които биха могли да хвърлят светлина върху въпроса с произхода на живота.
„Това не е химията, която хората си спомнят от гимназията“, – казва Реджи Хъдсън, отговарящ за лабораторията за космически лед. „Това е екстремна химия – при сковаващ студ, огромна радиация и почти нулево налягане. А и тези химични процеси се случват най-често в газове или твърди вещества, защото в междузвездното пространство, погледнато в мащаб, няма течности.“
Учени от лабораторията за космически лед Годар на НАСА изучават химични реакции, които е почти невъзможно да възникнат на земята. Сковаващ студ, вакуум и висока радиация са само някои от характеристиките на средата, близка до тази в космоса, която позволява формирането на неструктурирани форми от твърда вода, познати ни като аморфен лед. Нерядко частици и органични съставки остават в капана на този лед, които могат да носят полезна информация за живота във вселената. НАСА
Лабораторията за космически лед е едно от малкото места в света, където учени изучават свръхстудения химичен състав на космическия лед. Посредством мощния ускорител на частици, лабораторията Годар има специалната способност да уподоби почти всякакъв вид слънчева или космическа радиация, за да задвижи нужните реакции. А това им позволява да изследват химичния състав на леда под повърхността на планети и луни, както и леда в космоса.
Рецепта за хаос (Disorder)
Във вакуумна камера с размерите на кутия за храна, Геракинс пресъздава малка част от космоса във всичките му крайности. Той изсмуква въздух докато налягането вътре стигне ниво милиард пъти по-ниско от нормалното за земята, а след това изстудява камерата до -433 градуса по Фаренхайт (15 Келвина). За да получи лед, единственото, което остава да направи, е да отвори един клапан и да пусне в камерата водни пари.
За да симулират щети, нанесени от частици на слънчевия вятър и космически лъчения, учените в лабораторията за космически лед Годар облъчват лед с ускорител на частици „Ван де Граф“. В тръба, дълга 3 метра (ляво), се създава нарастващо високо напрежение, което достига връхната си точка в източника на лъчението, който се намира в края на тръбата (дясно).
В момента, в който бързите молекули изпарена вода влязат в камерата, те биват замразени на място. Все още аморфни, както в своето газообразно състояние, молекулите веднага приемат хаотична твърда форма, наричана аморфен лед. Аморфният лед е пълна противоположност на познатия ни на земята лед, който оформя перфектни кристали като тези, които образуват снежинки и скреж. Тези кристали са така подредени и предвидими, че този вид лед се счита за минерал с 2.5 степен на твърдост по скалата на Мо – същата като твърдостта на нокът.
Въпреки че аморфният лед е почти непознат на земята, той е толкова широко разпространен в междузвездното пространство, че може би е най-често срещаната форма на вода във вселената. Останка от времето, когато Слънчевата система се е зародила, той се е предвижвал на огромни разстояния, често под формата на частици, не по-големи от прашинки. Аморфен лед е забелязван и по комени и ледени луни.
Според Геракинс, тайната за направа на аморфен лед в лабораторни условия, се състои в свеждането на дебелината на слоя до не повече от половин микрометър – по-тънък от нишка на паяжина.
„Водата е толкова добър изолатор, че ако ледът стане твърде плътен, само дъното на пробата, близо до източника на охлаждане, ще остане достатъчно студено.“, казва Геракинс. „Ледът на върха ще бъде достатъчно топъл, за да се кристализира.“
Супертънкият лед може да бъде променян чрез всякакви интересни химикали от откритото пространство. Едни от тези химикали, с които работи Геракинс, са аминокиселини, които са важен фактор в химичния състав на земята. В продължение на десетилетия учените се опитват да идентифицират смесицата от аминокиселини (някои от които вземащи участие в оформянето на живота), намерена в метеорити, както и в проби, взети от комети.
„И тъй като водата е преобладаващата форма на замразени вещества в междузвездното пространство и във външната част на Слънчевата система,“ казва Геракинс, „всички аминокиселини там в някакъв момент вероятно влизат в контакт с вода.“
За настоящата поредица от експерименти, Геракинс създава три вида лед, като към всеки добавя аморфна форма на аминокиселини (глицин, аланин или фенилаланин), които можем да открием в протеините.
Дайте ми подслон
Истинската работа започва когато Геракинс облъчва леда с радиация.
В по-ранни изследвания, други учени са разглеждали химичния състав на леда, използвайки ултравиолетови лъчи.
Геракинс избира да поеме в нова посока и да разгледа подробно космическата радиация, която може да достигне до лед, скрит под повърхността на планети и луни. За да пресъздаде тази радиация той използва протонен лъч от ускорител на частици, който се намира под земята в стая с бетонни стени, осигуряващи допълнителна сигурност.
С помощта на протонния лъч милиони години естествено разрушение могат да бъдат постигнати само за половин час. А регулирайки дозата радиация, Геракинс може да оказва същото влияние върху леда като, ако той е изложен или заровен на различна дълбочина в почвата на комети или ледени луни и планети.
Той тества трите вида комбинации на вода и аминокиселини и ги сравнява с лед, направен само от аминокиселини. Във времето между отделните облъчвания, той проверява пробите, снемайки “молекулярен отпечатък” по технология, наречена
спектроскопия, за да види дали аминокиселините се разрушават, оформяйки вторични химични продукти.
Както и се очаква, все повече от аминокиселините се разграждат с увеличаването на дозата радиация. Геракинс обаче забелязва, че аминокиселините издържат по-дълго, ако в състава на леда е включена и вода, отколкото ако е изграден само от тях.
Това е странно, защото когато водата се разрушава, един от елементите, които остават е хидроксил (OH), химично вещество известно с това, че атакува другите съставни елементи.
Спектроскопията потвърждава появата на малки количества хидроксил. Но като цяло, казва Геракинс, “водата основно действа като щит срещу радиацията, като най-вероятно по този начин усвоява много енергия, по същия начин както биха го направили пласт от скали или почва.”
Когато той повтаря експеримента при по-висока температура бива изненадан, когато състоянието на киселините дори се подобрява. От тези предварителни измервания той и Хъдсън изчисляват колко дълго е възможно аминокиселините да запазят своята цялост в ледена среда при различни температури.
“Открихме, че някои аминокиселини могат да оцелеят десетки, дори стотици милиони години в лед близо до повърхността на Плутон или Марс и поне на сантиметър под повърхността на места като комети или външната част на Слънчевата система” казва Геракинс. “На място с обилна радиация като Европа (спътникът на Юпитер – бел. ред.) например, ще трябва да са заровени на поне половин метър дълбочина.” (Тези открития бяха обявени в списание Икар през 2012 г. –http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0019103512002187 )
“Добрата новина за изследователски мисии”, казва Хъдсън, “е това, че се оказва, че тези аминокиселини са по-издръжливи при температури типични за места като Плутон, Европа и дори Марс, отколкото някой е предполагал.”
Лабораторията за космически лед е част от Лабораторията по астрохимия при отделът за изследване на слънчевите системи Годар и се финансира отчасти от центърът за Астробиология Годар и институтът по астробиология на НАСА.
Publicatiom: Perry A. Gerakines, et al., “In situ measurements of the radiation stability of amino acids at 15–140 K,” Icarus, Volume 220, Issue 2, August 2012, Pages 647-659; doi:10.1016/j.icarus.2012.06.001
Source: Elizabeth Zubritsky, NASA’s Goddard Space Flight Center; NASA
Images: NASA/Earth Observatory, NASA/ARC/P, Jenniskens and D.F. Blake; NASA
scitechdaily.com