Toxický kyanovodík a jeho role v počátcích života

Saturnův měsíc Titan je mrazivý svět s hustou atmosférou. Jeho hustá mračna obsahují značné množství kyanovodíku (HCN). Výzkum ukazuje, že v chladném prostředí povrch krystalů HCN napomáhá tvorbě organických molekul, které jsou přítomny i na Titanu. Co to znamená pro naše chápání původu života?

Přesný okamžik, kdy na Zemi začal život, nám může být navždy skryt. Vědecký výzkum však může prozkoumat události, které k tomuto okamžiku vedly. Výzkumníci dosáhli velkého pokroku v hledání stavebních kamenů života a v pochopení toho, jak se formovaly. Nový výzkum publikovaný v ACS Central Science toto poznání rozšiřuje.

Jeho název je „Elektrická pole mohou napomáhat prebiotické reaktivitě na povrchu krystalů kyanovodíku“. Vedoucím autorem je Marco Cappelletti z katedry chemie a chemického inženýrství na Chalmers University of Technology ve Švédsku. Odpovídajícím autorem je Martin Rahm ze stejného ústavu.

Výzkum ukazuje, že kyanovodík může hrát důležitou roli v chemii života. Vědci vědí, že když se HCN smíchá s vodou, může tvořit polymery, aminokyseliny a nukleobáze. Může se zdát ironické, že HCN by mohl být zapojen do vzniku života, protože je to silná a vysoce toxická sloučenina. Chemie však může být zvláštní svět a ačkoliv HCN může být pro tvory, jako jsme my, toxický, má i jiné chemické vlastnosti, které mohou životu napomáhat.

„Možná se nikdy přesně nedozvíme, jak život vznikl, ale pochopení toho, jak se některé z jeho složek formují, je na dosah ruky. Kyanovodík je pravděpodobně jedním ze zdrojů této chemické složitosti a my ukazujeme, že dokáže překvapivě rychle reagovat i na chladných místech,“ uvedl v tiskové zprávě spoluautor studie Martin Rahm.

Některé výzkumy ukazují, že zemský povrch byl během pozdního těžkého bombardování zasažen asteroidy, což vedlo k přítomnosti HCN na povrchu planety. Je hojný i jinde ve Sluneční soustavě a mimo ni.

„Kyanovodík je přítomen v mnoha astrochemických prostředích, včetně mezihvězdných oblaků a komet,“ píší autoři. „Na Saturnově měsíci Titanu je v atmosféře přítomno velké množství ledu HCN, který po povrchové depozici může ovlivnit jak chemický, tak geologický vývoj. Navzdory významu HCN pro chemii vzniku života však fyzikálně-chemické vlastnosti jeho pevného stavu zůstávají neúplně popsány.“

Tato podivná molekula je známá svými neobvyklými vlastnostmi. „Například krystaly HCN vykazují řadu vzácných vlastností, včetně pyroelektřiny a schopnosti za určitých podmínek zářit a poskakovat,“ píší autoři.

Aby se vědci pokusili porozumět HCN a jeho vztahu ke vzniku života, provedli počítačové simulace zmrazeného HCN. Simulovali stabilní krystal HCN jako válec o délce 450 nm. Jeho tvar porovnali se známými pozorováními „pavučin“ krystalů HCN. Tyto pavučiny se větví z centrálního bodu a mnohostranné konce, které vypadají jako broušené drahokamy, se spojují. Konce neboli hroty mají velmi silná elektrická pole.

Vpravo je přiložen mikroskopický snímek krystalů HCN s 10× (celý snímek) a 50× (vložený obrázek vpravo nahoře) zvětšením. HCN krystalizuje do jehliček s vysokým poměrem stran (dvě jsou zvýrazněny červeně), které tvoří pavučinovou konektivitu.

„Domníváme se, že kombinace špiček s opačnou polaritou pomáhá vysvětlit pavučinovou strukturu pevného HCN a že lom může přechodně odhalit energetické povrchy, které jsou schopné katalýzy při nízké teplotě,“ píší autoři. Skákavé chování HCN, o kterém se mluvilo dříve, může vést k prudkému popraskání krystalové struktury a může odhalit tyto konce a jejich silná elektrická pole.

„Zvláště nás zajímá vyhodnocení alternativní cesty pro izomerizaci HCN ↔ HNC (isokyanidu) pomocí povrchové katalýzy,“ vysvětlují vědci. „Které procesy umožňují izomerizaci HCN ↔ HNC, zůstává v astrochemii otevřenou otázkou.“

Jednou z katalytických reakcí HCN je tvorba isokyanidu (HNC) na krystalech HCN. HNC je klíčovým stavebním blokem při syntéze komplexních molekul a organických stavebních bloků. HNC je jako reaktivnější most mezi jednoduchými anorganickými molekulami a složitými biologickými polymery.

„Domníváme se, že kombinace hrotů s opačnou polaritou pomáhá vysvětlit pavučinovou strukturu pevného HCN a že lom může přechodně odhalit energetické povrchy, schopné katalýzy při nízké teplotě,“ vysvětlují vědci. „Jedním z takových procesů je pravděpodobně téměř bezbariérová tvorba isokyanidu (HNC) na krystalech HCN po adici nebo abstrakci protonu, například radiací nebo acidobazickou chemií. Takové povrchové mechanismy s asistencí pole mohou za příslušných podmínek přispívat k izomerizaci HCN na HNC a předpokládá se, že vysvětlují část nerovnovážného množství HNC v chladném prostředí, jako je atmosféra Titanu, a potenciálně i v kometárních komách.“

Výzkumníci zjistili, že krystaly mohou podporovat chemické reakce, které v chladném prostředí obvykle neprobíhají. Vzhledem k tomu, že se HCN nachází v oblacích chladného plynu, chladných kometách a na Saturnově mrazivém měsíci Titanu, je tento objev významný pro astrochemii. A protože HNC je ještě reaktivnější než HCN, je jeho vznik důležitý. HNC se v simulacích objevil v řádu hodin až dnů a jeho přítomnost také naznačuje, že by se zde mohly tvořit i složitější prebiotické prekurzory. Simulace jsou mocné nástroje, ale dalším krokem je experimentování.

„Ověření našich předpovědí by prospělo laboratorním studiím povrchové chemie HCN za kryogenních podmínek,“ píší autoři. „Jedním obzvláště relevantním experimentem by bylo otestovat, zda fyzikální podněty, jako je drcení krystalů HCN v přítomnosti činidel, jako je voda, mohou odhalit povrchy s vysokou energií a tím urychlit prebioticky relevantní chemické transformace.“ Další jsou také podrobnější astrochemická pozorování.

„Pozorovatelské úsilí zaměřené na poměry HNC/HCN v různých prostředích a teplotách by mohlo dále vymezit relevanci a prevalenci těchto mechanismů za astrofyzikálních podmínek,“ uzavírají autoři.

Zdroj: https://www.universetoday.com/articles/toxic-hydrogen-cyanide-and-its-role-in-the-origins-of-life

autor: František Martinek