Von der Universität von Arizona
Der erste experimentelle Beweis, der zeigt, wie Luftstickstoff in organische Makromoleküle eingebaut werden kann, wird von einem Team der Universität von Arizona gemeldet. Der Befund zeigt, welche organischen Moleküle auf Titan, dem Saturnmond, gefunden werden könnten, von dem Wissenschaftler glauben, dass er ein Modell für die Chemie der Erde vor dem Leben ist.
Erde und Titan sind die einzigen bekannten Körper in Planetengröße mit einer dicken, überwiegend stickstoffhaltigen Atmosphäre, sagte Hiroshi Imanaka, der die Forschung als Mitglied der Abteilung für Chemie und Biochemie der UA durchführte.
Wie komplexe organische Moleküle in Umgebungen wie der frühen Erde oder der Titanatmosphäre stickstoffhaltig werden, ist ein großes Rätsel, sagte Imanaka.
"Titan ist so interessant, weil seine stickstoffdominierte Atmosphäre und die organische Chemie uns einen Hinweis auf den Ursprung des Lebens auf unserer Erde geben könnten", sagte Imanaka, jetzt wissenschaftlicher Mitarbeiter im Lunar and Planetary Laboratory der UA. "Stickstoff ist ein wesentliches Element des Lebens."
Es reicht jedoch nicht irgendein Stickstoff aus. Stickstoffgas muss in eine chemisch aktivere Form von Stickstoff umgewandelt werden, die die Reaktionen antreiben kann, die die Grundlage biologischer Systeme bilden.
Imanaka und Mark Smith wandelten ein Stickstoff-Methan-Gasgemisch ähnlich der Titanatmosphäre in eine Sammlung stickstoffhaltiger organischer Moleküle um, indem sie das Gas mit energiereichen UV-Strahlen bestrahlten. Der Laboraufbau sollte nachahmen, wie sich Sonnenstrahlung auf die Titanatmosphäre auswirkt.
Der größte Teil des Stickstoffs wanderte direkt in feste und nicht in gasförmige Verbindungen, sagte Smith, UA-Professor und Leiter für Chemie und Biochemie. Frühere Modelle sagten voraus, dass sich der Stickstoff in einem längeren schrittweisen Prozess von gasförmigen zu festen Verbindungen bewegen würde.
Titan sieht orange aus, weil ein Smog aus organischen Molekülen den Planeten umhüllt. Die Partikel im Smog setzen sich schließlich an der Oberfläche ab und können Bedingungen ausgesetzt sein, die Leben schaffen könnten, sagte Imanaka, der auch Hauptforscher am SETI-Institut in Mountain View, Kalifornien, ist.
Wissenschaftler wissen jedoch nicht, ob Titans Smogpartikel Stickstoff enthalten. Wenn einige der Partikel dieselben stickstoffhaltigen organischen Moleküle sind, die das UA-Team im Labor erstellt hat, sind lebensfördernde Bedingungen wahrscheinlicher, sagte Smith.
Laborbeobachtungen wie diese zeigen, wonach die nächsten Weltraummissionen suchen sollten und welche Instrumente entwickelt werden sollten, um bei der Suche zu helfen, sagte Smith.
Imanakas und Smiths Artikel "Bildung stickstoffhaltiger organischer Aerosole in der oberen Titanatmosphäre" soll in der Woche vom 28. Juni in der frühen Online-Ausgabe der Proceedings der National Academy of Sciences veröffentlicht werden. Die NASA stellte Mittel für die Forschung bereit.
Die UA-Forscher wollten die Bedingungen in der dünnen oberen Atmosphäre von Titan simulieren, da die Ergebnisse der Cassini-Mission darauf hinwiesen, dass „extreme UV-Strahlung“, die auf die Atmosphäre trifft, komplexe organische Moleküle erzeugt.
Daher verwendeten Imanaka und Smith die Advanced Light Source im Synchroton des Lawrence Berkeley National Laboratory in Berkeley, Kalifornien, um hochenergetisches UV-Licht in eine Edelstahlflasche zu schießen, die Stickstoff- und Methangas enthält, das bei sehr niedrigem Druck gehalten wird.
Die Forscher verwendeten ein Massenspektrometer, um die Chemikalien zu analysieren, die aus der Strahlung resultierten.
Obwohl es einfach klingt, ist die Einrichtung der Versuchsausrüstung kompliziert. Das UV-Licht selbst muss auf seinem Weg in die Gaskammer durch eine Reihe von Vakuumkammern gelangen.
Viele Forscher möchten die Advanced Light Source verwenden, daher ist der Wettbewerb um die Zeit auf dem Instrument hart. Imanaka und Smith wurden ein oder zwei Zeitfenster pro Jahr zugewiesen, von denen jedes nur fünf bis zehn Tage lang acht Stunden am Tag dauerte.
Für jedes Zeitfenster mussten Imanaka und Smith die gesamte experimentelle Ausrüstung in einen Van packen, nach Berkeley fahren, die empfindliche Ausrüstung aufstellen und eine intensive Reihe von Experimenten starten. Manchmal arbeiteten sie mehr als 48 Stunden hintereinander, um das Maximum aus ihrer Zeit mit der Advanced Light Source herauszuholen. Die Durchführung aller erforderlichen Experimente dauerte Jahre.
Es war nervenaufreibend, sagte Imanaka: "Wenn wir nur eine Schraube verpassen, wird unsere Strahlzeit durcheinander gebracht."
Zu Beginn analysierte er nur die Gase aus dem Zylinder. Er konnte jedoch keine stickstoffhaltigen organischen Verbindungen nachweisen.
Imanaka und Smith dachten, dass etwas im Versuchsaufbau nicht stimmte, und optimierten das System. Aber immer noch kein Stickstoff.
"Es war ein ziemliches Rätsel", sagte Imanaka, der Erstautor der Zeitung. "Wo ist der Stickstoff geblieben?"
Schließlich sammelten die beiden Forscher die braunen Reste, die sich an der Zylinderwand angesammelt hatten, und analysierten sie mit dem, was Imanaka als „die ausgefeilteste Massenspektrometer-Technik“ bezeichnete.
Imanaka sagte: "Dann habe ich endlich den Stickstoff gefunden!"
Imanaka und Smith vermuten, dass solche Verbindungen in der oberen Atmosphäre von Titan gebildet werden und schließlich auf die Oberfläche von Titan fallen. Einmal an der Oberfläche, tragen sie zu einer Umgebung bei, die der Entwicklung des Lebens förderlich ist.
