Вода — основа всего живого на Земле. Она растворяет вещества, переносит питательные элементы, участвует в химических реакциях, составляющих основу жизни. Неудивительно, что на протяжении десятилетий поиски известной нам формы жизни за пределами Земли астробиологи неразрывно связывали с поисками жидкой воды. 

Однако такой подход имеет ряд ограничений. Миры, где слишком жарко или слишком холодно, сразу исключали из списка «обитаемых», поскольку в таких условиях вода в жидкой форме существовать не может. Оказалось, что подобных объектов во Вселенной достаточно много. Это означало, что из тысяч открытых экзопланет лишь десятки соответствуют критериям «обитаемости».

Что, если вода — не единственный возможный растворитель для сложной химии жизни? Вопросы витали давно, но конкретной, химически обоснованной альтернативы, которую можно было бы найти на других планетах, не было. Пока команда американских астробиологов под руководством Сары Сигер (Sara Seager) из Массачусетского технологического института не столкнулась с поразительным явлением, исследуя вовсе не обитаемость, а методы поиска жизни в самом негостеприимном месте Солнечной системы — кислотных облаках Венеры.

Сигер и ее коллеги готовили эксперименты для будущих зондов, которые отправятся к Венере. Задача ученых — разработать метод испарения серной кислоты (из которой практически состоят венерианские облака), чтобы выделять органические остатки из ее облаков. Ученые знали: чтобы обнаружить возможные следы органических соединений — «кирпичиков» жизни — в пробах облаков, сначала нужно удалить избыток серной кислоты.

Статья по теме: Ученым удалось исследовать химический состав атмосферы экзопланеты

На специальной установке низкого давления, предназначенной для испарения серной кислоты, исследователи смешивали ее с простейшей аминокислотой — глицином, которую обнаружили в атмосфере Венеры в 2020 году. Отметим, открытие остается предметом научной дискуссии и требует подтверждения.

Каждый раз, когда большая часть серной кислоты испарялась, в пробирке оставалась странная жидкость, от которой никак не удавалось избавиться. Дальнейшие эксперименты показали, что серная кислота реагировала с глицином: протоны (ионы H⁺) из кислоты переходили к азотсодержащим молекулам, в результате чего образовывался «солевой» жидкий слой — ионная жидкость.

В отличие от привычной соли (NaCl), у ионных жидкостей ионы — обычно большие асимметричные органические катионы и разнообразные анионы — не образуют плотную кристаллическую решетку, поэтому их точки плавления сильно понижены. Эти соли остаются в жидком состоянии при относительно высоких температурах. Они обладают уникальными свойствами: почти не испаряются, высокой термической стабильностью, способностью растворять самые разные вещества. 

В основном ионные жидкости создают искусственно для промышленности — как «зеленые» растворители, электролиты в батареях или катализаторы. На Земле первый и наиболее известный зарегистрированный природный пример естественной ионной жидкости — результат смешивания ядов двух враждующих видов муравьев. Открытие команды Сигер показало, что такие жидкости могут возникать спонтанно из гораздо более распространенных компонентов.

Полученный результат подтолкнул исследователей к новым экспериментам. Они знали: серная кислота — обычно продукт вулканической активности, характерный для каменистых планет земного типа. Азотсодержащие органические соединения, подобные глицину, астробиологи находят повсюду — на астероидах, кометах, в атмосферах планет-гигантов и даже на спутнике Сатурна Титане. Их обнаруживают и в метеоритах, упавших на Землю. Значит, эти «ингредиенты» широко распространены в космосе. 

Что, если реакция, случайно открытая в пробирке, может происходить и на поверхности других планет? Особенно тех, где вода в жидком виде существовать не может из-за слишком высокой температуры или слишком разреженной атмосферы?

Статья по теме: Получено самое убедительное свидетельство возможного существования жизни за пределами Солнечной системы

Чтобы проверить эту гипотезу команда Сигер поставила серию целенаправленных экспериментов. Ученые смешивали серную кислоту не только с глицином, но и с более чем 30 другими азотсодержащими органическими соединениями. Условия варьировали — от 15 градусов до 180 градусов Цельсия, давление снижали до значений, гораздо более низких, чем давление у поверхности Земли. В некоторых опытах реакцию проводили прямо на кусочках базальта — вулканической породы, обычной для поверхности каменистых планет и лун.

Ионная жидкость образовалась почти в каждом случае. При смешивании на базальте избыток серной кислоты впитывался пористой породой, но на камне неизменно оставалась капля новой жидкости. Ключевым условием оказалось соотношение компонентов: примерно равные количества серной кислоты и органического соединения. Ранее команда Сигер уже установила, что многие органические соединения удивительно стабильны в серной кислоте. 

«В старшей школе вас учили, что кислота хочет отдать протон. И как ни странно, мы знали из нашей прошлой работы, что азот хочет получить водород. Это как если мусор одного человека — сокровище другого», — пояснила Сигер химическую суть процесса.

Статья по теме: Семь фактов о Проксиме Центавра — ближайшей к Солнцу звезде

Главное преимущество ионных жидкостей перед водой в космосе — их невероятная «живучесть». Они могут находиться в жидком состоянии при температурах, где вода давно превратилась бы в пар (до 180 Цельсия, как в экспериментах) и при давлениях, где вода не может существовать в жидком состоянии вообще (в сотни раз ниже земного атмосферного давления). 

Ионные жидкости практически не испаряются (вещество с крайне низким испарением) и образуют долговременные резервуары. И что критически важно, лабораторные тесты показали: в этих жидкостях могут сохранять стабильность сложные биомолекулы, например, некоторые белки. Это значит, что ионные жидкости теоретически могут служить средой для протекания биохимических реакций — основы жизни.

Сигер пояснила, что на планете, более теплой, чем Земля, без воды, но с серной кислотой и органикой, могут появиться капли ионной жидкости. И они способны сохраняться годами или тысячелетиями. Хотя жизнь в таких условиях вряд ли будет похожа на земную, наличие жидкости само по себе повышает шансы на ее зарождение. 

Следующий шаг команды Сигер — выявить все биомолекулы, которые могут выжить и функционировать в ионных жидкостях.

Научная работа опубликована в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.