Толин - Tholin

Цветное составное изображение 486958 Arrokoth, созданное New Horizons, демонстрирует его красный цвет из-за толинов на поверхности.

Tholins (после греческого θολός ( Tholos ) «туманного» или «мутный»; от древнего греческого слова , означающего «сепия чернил») представляет собой широкое разнообразие органических соединений , образованных солнечным ультрафиолетом или космическими лучи облучением простых углеродсодержащих соединений , таких в виде диоксида углерода ( CO
2
), метан ( CH
4
) или этан ( C
2
ЧАС
6
), часто в сочетании с азотом ( N
2
) или вода ( H
2
О
). Толины представляют собой неупорядоченные полимероподобные материалы, состоящие из повторяющихся цепочек связанных субъединиц и сложных комбинаций функциональных групп, обычно нитрилов и углеводородов, а также их деградированных форм, таких как амины и фенилы . На современной Земле толины не образуются естественным образом , но в большом количестве они встречаются на поверхности ледяных тел во внешних частях Солнечной системы и в виде красноватых аэрозолей в атмосферах планет и лун за пределами Солнечной системы.

В присутствии воды толины могут быть сырьем для пребиотической химии (т. Е. Неживой химии, которая формирует основные химические вещества, из которых состоит жизнь). Их существование имеет значение для происхождения жизни на Земле и, возможно, на других планетах. Будучи частицами в атмосфере, толины рассеивают свет и могут влиять на обитаемость .

Толины могут производиться в лаборатории и обычно изучаются как гетерогенная смесь многих химических веществ с множеством различных структур и свойств. Используя такие методы, как термогравиметрический анализ , астрохимики анализируют состав этих смесей толина и точный характер отдельных химических веществ в них.

Обзор

Полиакрилонитрил , один из предполагаемых полимерных компонентов толинов, в основном в химически разложенной форме в виде полимеров, содержащих нитрил и аминогруппы . Его используют экспериментально для создания смесей толина.

Термин «толин» был придуман астрономом Карлом Саганом и его коллегой Бишуном Кхаре для описания веществ, которые трудно охарактеризовать, которые они получили в его экспериментах типа Миллера-Юри с метансодержащими газовыми смесями, такими как те, которые обнаруживаются в атмосфере Титана. В их статье, предлагающей название «толин», говорится:

В течение последнего десятилетия мы производили в нашей лаборатории различные сложные органические твердые вещества из смесей газов CH
4
, С
2
ЧАС
6
, NH
3
, H
2
O
, HCHO и H
2
S
. Продукт, синтезируемый ультрафиолетовым (УФ) светом или искровым разрядом, представляет собой коричневый, иногда липкий осадок, который из-за его устойчивости к традиционной аналитической химии был назван «труднообрабатываемым полимером». [...] В качестве описательного термина, не требующего использования модели, мы предлагаем «толины» (греч. ϴὸλος, мутный; но также ϴoλòς, свод или купол), хотя нас соблазнила фраза «звездная смола».

Толины не являются одним конкретным соединением, а скорее описывают спектр молекул, включая гетерополимеры , которые дают красноватое органическое поверхностное покрытие на определенных планетных поверхностях. Толины представляют собой неупорядоченные полимероподобные материалы, состоящие из повторяющихся цепочек связанных субъединиц и сложных комбинаций функциональных групп. Саган и Кхаре отмечают: «Свойства толинов будут зависеть от используемого источника энергии и начального содержания прекурсоров, но общее физическое и химическое сходство между различными толинами очевидно».

Некоторые исследователи в этой области предпочитают более узкое определение толинов, например, С. Хёрст писал: «Лично я пытаюсь использовать слово« толины »только при описании образцов, полученных в лаборатории, отчасти потому, что мы еще не знаем, как Материал, который мы производим в лаборатории, аналогичен материалу, найденному на таких местах, как Титан или Тритон (или Плутон!) ". Французские исследователи также используют термин толины только при описании лабораторных образцов как аналогов. Ученые НАСА также предпочитают слово «толин» для продуктов лабораторного моделирования и используют термин «тугоплавкие остатки» для реальных наблюдений за астрономическими телами.

Формирование

Образование толинов в атмосфере Титана

Толины могут быть основным компонентом межзвездной среды . На Титане их химия начинается на больших высотах и ​​участвует в образовании твердых органических частиц. Их ключевые элементы - углерод, азот и водород. Лабораторный анализ инфракрасной спектроскопии экспериментально синтезированных толинов подтвердил более раннюю идентификацию присутствующих химических групп, включая первичные амины , нитрилы и алкильные части, такие как CH
2
/ CH
3
образуя сложные неупорядоченные макромолекулярные твердые тела. В лабораторных испытаниях были выявлены сложные твердые частицы, образовавшиеся в результате воздействия азота.
2
: CH
4
газовые смеси для электрического разряда в условиях холодной плазмы, напоминающие знаменитый эксперимент Миллера – Юри, проведенный в 1952 году.

Как показано справа, считается, что в природе толины образуются в результате цепочки химических реакций, известных как пиролиз и радиолиз . Это начинается с диссоциации и ионизации молекулярного азота ( N
2
) и метана ( CH
4
) энергичными частицами и солнечным излучением. За этим следует образование этилена , этана , ацетилена , цианистого водорода и других небольших простых молекул и небольших положительных ионов. Дальнейшие реакции образуют бензол и другие органические молекулы, а их полимеризация приводит к образованию аэрозоля из более тяжелых молекул, которые затем конденсируются и осаждаются на поверхности планеты внизу. Толины, образующиеся при низком давлении, как правило, содержат атомы азота внутри своих молекул, в то время как толины, образующиеся при высоком давлении, с большей вероятностью имеют атомы азота, расположенные в концевых положениях.

Эти производные атмосферно-вещества отличаются от льда толины II , которые образуются при облучении вместо ( радиолиза ) из клатратов в воде и органических соединений , таких как метан ( CH
4
) или этан ( C
2
ЧАС
6
). Радиационно-индуцированный синтез на льду не зависит от температуры.

Биологическое значение

Некоторые исследователи предположили, что Земля могла быть засеяна органическими соединениями на раннем этапе своего развития богатыми толином кометами, которые давали сырье, необходимое для развития жизни ( обсуждение этого вопроса см. В эксперименте Миллера-Юри ). Толины не существуют в природе на современной Земле из-за окислительных свойств свободного кислородного компонента ее атмосферы со времен Великого события оксигенации около 2,4 миллиарда лет назад.

Лабораторные эксперименты показывают, что толины возле больших бассейнов с жидкой водой, которые могут сохраняться в течение тысяч лет, могут способствовать формированию пребиотической химии и иметь последствия для происхождения жизни на Земле и, возможно, на других планетах. Кроме того, как частицы в атмосфере экзопланеты , толины влияют на рассеяние света и действуют как экран для защиты поверхностей планет от ультрафиолетового излучения, влияя на обитаемость . Лабораторное моделирование показало, что производные остатки, связанные как с аминокислотами, так и с мочевиной , имеют важные астробиологические последствия.

На Земле самые разные почвенные бактерии могут использовать толины, произведенные в лаборатории, в качестве единственного источника углерода. Толины могли быть первой микробной пищей для гетеротрофных микроорганизмов до того, как возникла автотрофия .

Вхождение

Вид на поверхность Титана со спускаемого аппарата " Гюйгенс" . Предполагается, что толины являются источником красноватого цвета как поверхности, так и атмосферной дымки.

Саган и Кхаре отмечают присутствие толинов во многих местах: «как составная часть примитивных океанов Земли и, следовательно, имеющая отношение к происхождению жизни ; как компонент красных аэрозолей в атмосферах внешних планет и Титана; присутствует в кометах , углеродистые хондриты, астероиды и допланетные солнечные туманности, а также в качестве основного компонента межзвездной среды ». Поверхности комет, кентавров и многих ледяных лун и объектов пояса Койпера во внешней Солнечной системе богаты отложениями толинов.

Луны

Титан

Толины титана - это богатые азотом органические вещества, получаемые при облучении газовых смесей азота и метана, находящихся в атмосфере и на поверхности Титана. Атмосфера Титана состоит примерно на 97% из азота, 2,7 ± 0,1% из метана и оставшихся следовых количеств других газов. В случае с Титаном, дымка и оранжево-красный цвет его атмосферы, как полагают, вызваны присутствием толинов.

Европа

Линейные трещины на поверхности Европы, вероятно, окрашенные толинами.

Считается, что цветные области на спутнике Юпитера Европе - это толины. Морфология ударных кратеров и хребтов Европы указывает на то, что флюидизированный материал поднимается вверх из трещин, где происходят пиролиз и радиолиз . Для образования цветных толинов на Европе необходим источник материалов (углерод, азот и вода), а также источник энергии для запуска реакций. Предполагается, что примеси в водной ледяной коре Европы возникают как изнутри в виде криовулканических явлений, которые всплывают на поверхность тела, так и накапливаются из космоса в виде межпланетной пыли.

Рея

Заднее полушарие луны Сатурна Реи покрыто толинами.
Крупным планом - спутник Sputnik Planitia на Плутоне с космического корабля New Horizons , на котором видны ледники из азота и красноватые толины.

Считается, что обширные темные области в заднем полушарии Луны Сатурна Реи являются отложениями толинов.

Тритон

Спутник Нептуна Тритон имеет красноватый цвет, характерный для толинов. Атмосфера Тритона состоит в основном из азота со следами метана и окиси углерода.

Карликовые планеты

Плутон

Толины встречаются на карликовой планете Плутон и отвечают за красный цвет, а также за синий оттенок атмосферы Плутона . Красновато-коричневая шапка северного полюса Харона , самого большого из пяти спутников Плутона , как полагают, состоит из толинов, производимых из метана, азота и связанных с ними газов, выделяемых из атмосферы Плутона и переносимых на расстояние около 19000 км (12000 км). mi) расстояние до орбитальной луны.

Церера

Tholins были обнаружены на карликовой планеты Цереры со стороны рассвета миссии . Большая часть поверхности планеты чрезвычайно богата углеродом, около 20% углерода по массе находится у ее поверхности. Содержание углерода более чем в пять раз выше, чем в углеродистых хондритовых метеоритах, проанализированных на Земле.

Makemake

Makemake показывает метан , большое количество этана и толинов, а также может присутствовать меньшее количество этилена , ацетилена и алканов с большой массой , скорее всего, созданных фотолизом метана солнечным излучением.

Объекты пояса Койпера и кентавры

Красноватый цвет, типичный для толинов, характерен для многих транснептуновых объектов , включая плутино во внешней Солнечной системе, например, 28978 Иксион . Спектральные коэффициенты отражения кентавров также предполагают присутствие на их поверхности толинов. Новые Горизонты исследование в классическом Койпер объекте 486958 Arrokoth показало красноватый цвет на его поверхность, наводит на мысль о tholins.

Кометы и астероиды

Tholins были обнаружены на месте с помощью Розеттской миссии кометы 67P / Чурюмов-Герасименко . Толины обычно не характерны для астероидов главного пояса, но были обнаружены на астероиде 24 Фемида .

Толины за пределами Солнечной системы

Толины также могли быть обнаружены в звездной системе молодой звезды HR 4796A с помощью камеры ближнего инфракрасного диапазона и многообъектного спектрометра (NICMOS) на борту космического телескопа Хаббла. Система HR 4796 находится примерно в 220 световых годах от Земли.

Модели показывают, что даже вдали от УФ-излучения звезды дозы космических лучей могут быть полностью достаточными для полного преобразования углеродсодержащих ледяных частиц в сложную органику за время, меньшее, чем время жизни типичного межзвездного облака .

Смотрите также

использованная литература