Van de universiteit van Arizona
Het eerste experimentele bewijs dat aantoont hoe atmosferische stikstof in organische macromoleculen kan worden opgenomen, wordt gerapporteerd door een team van de Universiteit van Arizona. De bevinding geeft aan welke organische moleculen kunnen worden gevonden op Titan, de maan van Saturnus, waarvan wetenschappers denken dat het een model is voor de chemie van de aarde vóór de aarde.
De aarde en Titan zijn de enige bekende lichamen van planetaire grootte met een dikke, overwegend stikstofatmosfeer, zei Hiroshi Imanaka, die het onderzoek uitvoerde als lid van de afdeling chemie en biochemie van UA.
Hoe complexe organische moleculen stikstofvrij worden in omgevingen zoals de vroege aarde of de atmosfeer van Titan is een groot mysterie, zei Imanaka.
"Titan is zo interessant omdat de door stikstof gedomineerde atmosfeer en organische chemie ons een idee kunnen geven van de oorsprong van het leven op onze aarde", zegt Imanaka, nu assistent-onderzoeker in het Lunar and Planetary Laboratory van de UA. 'Stikstof is een essentieel onderdeel van het leven.'
Maar niet zomaar stikstof zal het doen. Stikstofgas moet worden omgezet in een meer chemisch actieve vorm van stikstof die de reacties kan aandrijven die de basis vormen van biologische systemen.
Imanaka en Mark Smith hebben een stikstof-methaangasmengsel dat lijkt op de atmosfeer van Titan omgezet in een verzameling stikstofhoudende organische moleculen door het gas te bestralen met hoogenergetische UV-stralen. De laboratoriumopstelling is ontworpen om na te bootsen hoe zonnestraling de atmosfeer van Titan beïnvloedt.
Het grootste deel van de stikstof ging rechtstreeks naar vaste verbindingen in plaats van naar gasvormige verbindingen, zei Smith, een UA-professor en hoofd van de chemie en biochemie. Eerdere modellen voorspelden dat de stikstof in een langer stapsgewijs proces van gasvormige naar vaste verbindingen zou gaan.
Titan ziet er oranje uit omdat een smog van organische moleculen de planeet omhult. De deeltjes in de smog zullen uiteindelijk naar de oppervlakte zakken en kunnen worden blootgesteld aan omstandigheden die leven kunnen veroorzaken, zei Imanaka, die ook hoofdonderzoeker is bij het SETI Institute in Mountain View, Californië.
Wetenschappers weten echter niet of de smogdeeltjes van Titan stikstof bevatten. Als sommige deeltjes dezelfde stikstof bevattende organische moleculen zijn die het UA-team in het laboratorium heeft gemaakt, zijn de omstandigheden die tot leven leiden waarschijnlijker, zei Smith.
Laboratoriumobservaties zoals deze geven aan waar de volgende ruimtemissies naar moeten zoeken en welke instrumenten moeten worden ontwikkeld om te helpen bij het zoeken, zei Smith.
Imanaka en Smiths paper, "Formation of stikstofated organic aerosols in the Titan upper atmosphere", staat gepland voor publicatie in de Early Online editie van de Proceedings van de National Academy of Sciences in de week van 28 juni. NASA heeft geld voor het onderzoek verstrekt.
De UA-onderzoekers wilden de omstandigheden in de dunne bovenste atmosfeer van Titan simuleren, omdat de resultaten van de Cassini-missie duidden op 'extreme UV'-straling die de atmosfeer bereikte, creëerde complexe organische moleculen.
Daarom gebruikten Imanaka en Smith de geavanceerde lichtbron in het synchroton van het Lawrence Berkeley National Laboratory in Berkeley, Californië, om hoogenergetisch UV-licht in een roestvrijstalen cilinder te schieten die stikstof en methaangas bevat dat onder zeer lage druk wordt gehouden.
De onderzoekers gebruikten een massaspectrometer om de chemicaliën te analyseren die uit de straling voortkwamen.
Hoe eenvoudig het ook klinkt, het opzetten van de experimentele apparatuur is ingewikkeld. Het UV-licht zelf moet op weg naar de gaskamer door een reeks vacuümkamers gaan.
Veel onderzoekers willen de Advanced Light Source gebruiken, dus er is veel concurrentie om tijd op het instrument. Imanaka en Smith kregen een of twee tijdvakken per jaar toegewezen, die elk slechts vijf tot tien dagen acht uur per dag duurden.
Voor elk tijdslot moesten Imanaka en Smith alle experimentele apparatuur in een busje stoppen, naar Berkeley rijden, de delicate apparatuur opzetten en een intense reeks experimenten starten. Ze werkten soms meer dan 48 uur achter elkaar om het maximale uit hun tijd te halen op de geavanceerde lichtbron. De voltooiing van alle noodzakelijke experimenten heeft jaren geduurd.
Het was zenuwslopend, zei Imanaka: "Als we maar één schroef missen, verknoeit het onze straaltijd."
In het begin analyseerde hij alleen de gassen uit de cilinder. Maar hij heeft geen stikstofbevattende organische verbindingen gedetecteerd.
Imanaka en Smith dachten dat er iets mis was in de experimentele opzet, dus hebben ze het systeem aangepast. Maar nog steeds geen stikstof.
'Het was nogal een mysterie', zei Imanaka, de eerste auteur van de krant. 'Waar is de stikstof gebleven?'
Ten slotte verzamelden de twee onderzoekers de stukjes bruine smurrie die zich op de cilinderwand verzamelden en analyseerden deze met wat Imanaka 'de meest geavanceerde massaspectrometertechniek' noemde.
Imanaka zei: 'Toen heb ik eindelijk de stikstof gevonden!'
Imanaka en Smith vermoeden dat dergelijke verbindingen worden gevormd in de bovenste atmosfeer van Titan en uiteindelijk naar het oppervlak van Titan vallen. Eenmaal aan de oppervlakte dragen ze bij aan een omgeving die bevorderlijk is voor de evolutie van het leven.
