Толіни

Толіни (від дав.-гр. θολός — мутний, неясний) — органічні речовини, лінії поглинання яких виявлені у спектрах багатьох крижаних тіл зовнішньої Сонячної системи. Вважається, що вони є сумішшю різних органічних кополімерів, утворених в атмосфері з простих органічних сполук, таких як метан і етан, під дією ультрафіолетового випромінювання Сонця. Вважається, що толіни є хімічними попередниками життя^[2]. Толіни не утворюються природним способом на Землі на її сучасному етапі розвитку. Зазвичай мають червонувато-коричневий чи коричневувато-оранжевий^[3] відтінок. Маса молекул толінів в атмосфері Титана досягає 8000 а. о. м.^[4], для порівняння маса молекул ДНК від близько 995 000 а. о. м. (у 124 рази більше)^[5] до 10⁹ а. о. м.^[6], а пептидів до ~10 000 а. о. м.^[7], однак, на відміну від них, толіни є простішими, оскільки не формуються за наявності кисню^[4], тобто не містять цього елемента, маючи загальну формулу C_xH_yN_z^[8].

Запропонована формула субструктури толінів Титана^[1].

Термін «толін» введений астрономом Карлом Саганом, для опису речовини, отриманої ним в експериментах Міллера — Юрі з газовими сумішами, які наявні в атмосфері Титана^[9]. Цей термін не є точно узгодженим, але в цілому часто вживається для опису червонуватих органічних компонентів на планетарній поверхні.

Походження та розташування

Мутний серпанок оранжевуватого кольору в атмосфері Титана, що містить толіни^[10]. Фотографія в натуральних кольорах зонда «Кассіні».

«Титанові толіни» та «тритонові толіни» є органічною речовиною з високим вмістом азоту, що утворилася в результаті опромінення газової суміші азоту і метану, оскільки переважна частина атмосферного складу в обидвох випадках припадає саме на азот, з невеликою домішкою метану і дуже малою часткою слідів інших газів. Цей атмосферний тип толінів відрізняється від «крижаних толінів», які утворюються при опроміненні клатратів води і органічних сполук, таких як метан або етан. Плутино Іксіон має значною мірою такий склад^[11].

Поверхні комет^[12], кентаврів і деяких крижаних супутників зовнішньої Сонячної системи, таких як Тритон^[13][14] чи Умбріель^[15], містять поклади різновидів як атмосферного типу толінів («титанових» і «тритонових»), так і крижаних толінів. Деякі транснептунові об'єкти, такі як Седна^[16][17][18], деякі об'єкти з поясу Койпера, такі як Орк^[19] або Макемаке^[20], і деякі плутино, як 38628 Гуйя^[21], містять толіни. У кільцях Сатурна є сліди домішок толінів у водяному льоді^[22][23].

Мутність та оранжево-червоний колір поверхні кентаврів ймовірно викликані наявністю толінів.

Коричневуватий відтінок деяких ділянок атмосфери Юпітера може бути викликаний наявністю толінів^[24]. Фотографія в натуральних кольорах у видимому світлі телескопа «Габбл».

В результаті експерименту, виконаного Карлом Саганом, який (доволі тривіально) симулював нижні шари атмосфери Юпітера, в ній передбачається наявність толінів^[24]. Раніше висловлювалися припущення про наявність толінів як у атмосфері Юпітера, так і Сатурна^[25]. На галілеєвих супутниках Ганімеді та Каллісто передбачається наявність деякої кількості толінів на поверхні за результатами місії космічного апарата «Галілео»^[26].

Деякі дослідники припускають, що на розвиток життя на Землі на ранній стадії, можливо, вплинули комети з високим вмістом толінів, які занесли сировинний матеріал, необхідний для розвитку життя (див. також Експеримент Міллера — Юрі). Слід відмітити, що в експерименті застосовувалася напруга до 60 кВ^[27], в той час як напруга блискавок в атмосфері Землі може досягати 1 ГВ^[28], а енергія блискавок на Юпітері може перевищувати енергію найпотужніших земних у 10 разів^[29]. На сучасному етапі розвитку, починаючи з кисневої революції близько 2,4 млрд років тому, толіни не існують через окиснювальні властивості вільного кисню, що є компонентом земної атмосфери.

Утворення та властивості

Схема утворення толінів в атмосфері Титана на висоті ~1000 км^[4].

Теоретична модель пояснює формування толінів дисоціацією та іонізацією молекулярного азоту і метану енергетичними частинками і сонячним випромінюванням, формуванням етилену, етану, ацетилену, ціанистого водню та інших маленьких простих молекул і маленьких позитивно заряджених іонів, подальшим формуванням бензолу та інших органічних молекул, їх полімеризацією та формуванням аерозолю важчих молекул, які згущуються і виносяться на планетарну поверхню^[30].

Толіни, що сформувалися при низькому тиску, часто містять атоми азоту у внутрішній частині молекули, в той час як для толінів, які сформувалися при високому тиску, ймовірнішим є розташування атомів азоту на кінцях молекули^[31]. Групою французьких вчених було отримано близько 200 різновидів толінів у спеціальних реакторах, що симулюють атмосферу Титана. Поки що не до кінця зрозуміло, по якому шляху речовини будуються. Результат аналізу коефіцієнта ізотопів вуглецю виявився несподіваним. Толіни, отримані в лабораторних умовах, не були збагачені легкими ізотопами, незважаючи на складність самих молекул. Хоча відомо, що легші ізотопи хімічних елементів легше вступають в реакції та швидше будують молекули^[10].

Толіни можуть бути ефективним екраном від ультрафіолетового випромінювання, захищаючи поверхню планети, а також, ймовірно, можуть навіть формувати амінокислоти на поверхні планети^[32]. В одному з експериментів проба тілинів опромінювалася м'яким рентгенівським випромінюванням, після чого у пробі було виявлено аденін, який є складовим елементом ДНК^[3]. Для інфрачервоного випромінювання толіни практично прозорі^[10].

У (доволі тривіально) просимульованому середовищі толінів Юпітера, отриманих в експерименті Карлом Саганом, був виявлений 4-кільцевий хризен, a переважаючими для цієї суміші є поліциклічні ароматичні вуглеводні з 4 і більше бензольними кільцями, рідше з меншою кількістю кілець^[24]. Поліциклічні ароматичні вуглеводні в свою чергу є набагато простішими сполуками, ніж толіни^[33].

Багато ґрунтових бактерій можуть використовувати толіни як єдине джерело вуглецю. Ймовірно, толіни були первинною мікробною їжею для гетеротрофних мікроорганізмів перед появою автотрофів^[34]. Існують теоретичні розрахунки, виходячи з яких мікроби які, можливо існують на Титані, харчуються толінами, що падають на них з неба^[35][36].

Виявлення

Толіни були виявлені в протопланетному диску, що оточує зорю HR 4796^[en] A віком 8 млн років, розташовану на відстані 220 світлових років від Землі. Для виявлення використовувалась камера ближньої інфрачервоної області та спектроскоп космічного телескопа Габбл^[37]. Через півроку, інша група вчених показала, що доволі близька спектральна картина, як від толінів, може бути отримана від дрібних пористих частинок зі звичайних різновидів космічного пилу (аморфні силікати, аморфне залізо і водяний лід), вказуючи тим самим на те, що наявність складних органічних сполук у диску HR 4796A не є обов'язковою^[38].

Див. також

• Кероген
• Гіпотеза світу поліароматичних вуглеводнів
• Акрилонітрилбутадієнстирол, кополімер, також складається з вуглецю, водню та азоту (C_xH_yN_z)
• Альтернативна біохімія