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. Толіни не утворюються природним способом на Землі на її сучасному етапі розвитку. Зазвичай мають червонувато-коричневий чи коричневувато-оранжевий відтінок. Маса молекул толінів в атмосфері Титана досягає 8000 а. о. м., для порівняння маса молекул ДНК від близько 995 000 а. о. м. (у 124 рази більше) до 10⁹ а. о. м., а пептидів до ~10 000 а. о. м., однак, на відміну від них, толіни є простішими, оскільки не формуються за наявності кисню, тобто не містять цього елемента, маючи загальну формулу C_xH_yN_z.

Запропонована формула субструктури толінів Титана.

Термін «толін» введений астрономом Карлом Саганом, для опису речовини, отриманої ним в експериментах Міллера — Юрі з газовими сумішами, які наявні в атмосфері Титана. 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. 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.

Поверхні комет, кентаврів і деяких крижаних супутників зовнішньої Сонячної системи, таких як Тритон чи Умбріель, містять поклади різновидів як атмосферного типу толінів («титанових» і «тритонових»), так і крижаних толінів. Деякі транснептунові об'єкти, такі як Седна, деякі об'єкти з поясу Койпера, такі як Орк або Макемаке, і деякі плутино, як 38628 Гуйя, містять толіни. У кільцях Сатурна є сліди домішок толінів у водяному льоді.

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

Коричневуватий відтінок деяких ділянок атмосфери Юпітера може бути викликаний наявністю толінів. 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. Раніше висловлювалися припущення про наявність толінів як у атмосфері Юпітера, так і Сатурна. На галілеєвих супутниках Ганімеді та Каллісто передбачається наявність деякої кількості толінів на поверхні за результатами місії космічного апарату «Галілео».

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, в той час як напруга блискавок в атмосфері Землі може досягати 1 ГВ, а енергія блискавок на Юпітері може перевищувати енергію найпотужніших земних у 10 разів. 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.

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.

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. 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.

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

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. Поліциклічні ароматичні вуглеводні в свою чергу є набагато простішими сполуками, ніж толіни.

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

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^[en] ближньої інфрачервоної області та спектроскоп космічного телескопа Габбл. 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.

Див. також

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

Примітки

1. P. Ehrenfreund, J.J. Boon, J. Commandeur, C. Sagan et al. Analytical pyrolysis experiments of Titan aerosol analogues in preparation for the Cassini Huygens mission // Advances in Space Research : рец. наук. журнал. — 1995. — Vol. 15, no. 3. — P. 335—342. — ISSN 0273-1177. — DOI:10.1016/S0273-1177(99)80105-7.. — (PDF). (англ.)
2. В. Бедняков, М. Назаренко. О скрытой материи, космическом углероде и условиях возникновения жизни на Земле / Под ред. И. Вирко // Знание — сила : наук.-поп. журнал. — М., 2010. — № 04. — ISSN 0130-1640. (рос.)
3. Sergio Pilling, Diana P. P. Andrade, Álvaro C. Neto, Roberto Rittner and Arnaldo Naves de Brito. DNA Nucleobase Synthesis at Titan Atmosphere Analog by Soft X-rays // Journal of Physical Chemistry A : рец. наук. журнал. — 2009. — Vol. 113, no. 42. — P. 11161—11166. — ISSN 1089-5639. — arXiv:0906.3675v1. — DOI:10.1021/jp902824v.. (англ.)
4. J. H. Waite Jr., D. T. Young, T. E. Cravens et al. The Process of Tholin Formation in Titan's Upper Atmosphere // Science : рец. наук. журнал. — 2007. — Vol. 316, no. 5826. — P. 870—875. — ISSN 0036-8075. — DOI:10.1126/science.1139727.. — (PDF [ 2014-04-29 у Wayback Machine.]). (англ.)
5. Bill Steele. (18 травня 2005). From attograms to Daltons: Cornell NEMS device detects the mass of a single DNA molecule (англ.). Корнелльський університет. Архів оригіналу за 12 вересня 2012. Процитовано 13 травня 2012.  (англ.)
6. Алейникова Т. Л., Авдеева Л. В., Андрианова Л. Е. и др. I. Структурная организация нуклеиновых кислот // Биохимия: Учеб. для вузов / Под ред. Е. С. Северина. — 1-е изд. — М. : ГЭОТАР-Медиа, 2003. — С. 141. — ISBN 5-9231-0254-4. з джерела 14 квітня 2012 (рос.) п
7. АМИНОКИСЛОТЫ. ПЕПТИДЫ. БЕЛКИ (рос.). school-sector.relarn.ru. Архів оригіналу за 12 вересня 2012. Процитовано 13 травня 2012.  (рос.)
8. Neish, C. The Formation of Oxygen-Containing Molecules in Liquid Water Environments on the Surface of Titan (Invited) (англ.). The SAO/NASA Astrophysics Data System. Архів оригіналу за 12 вересня 2012. Процитовано 23 травня 2012.  (англ.)
9. Carl Sagan & B. N. Khare. Tholins: organic chemistry of interstellar grains and gas // Nature : рец. наук. журнал. — 1979. — Vol. 277, no. 5692. — P. 102—107. — ISSN 0028-0836. — DOI:10.1038/277102a0.. (англ.)
10. Dissecting the dirt on Titan (англ.). ЄКА. 1 червня 2007. Архів оригіналу за 12 вересня 2012. Процитовано 27 лютого 2012.  (англ.)
11. H. Boehnhardt, S. Bagnulo, K. Muinonen, M. A. Barucci, L. Kolokolova, E. Dotto and G. P. Tozzi. Surface characterization of 28978 Ixion (2001 KX76) // Astronomy and Astrophysics Letters : рец. наук. журнал. — 2004. — Vol. 415, no. 2. — P. L21—L25. — ISSN 0004-6361. — DOI:10.1051/0004-6361:20040005.. (англ.)
12. W. Reid Thompson, B. G. J. P. T. Murray, B. N. Khare, Carl Sagan. Coloration and Darkening of Methane Clathrate and Other Ices by Charged Particle Irradiation: Applications to the Outer Solar System // Journal of Geophysical Research : рец. наук. журнал. — 1987. — Vol. 92, no. A13. — P. 14933—14947. — ISSN 0148-0227. — Bibcode:1987JGR....9214933T. — DOI:10.1029/JA092iA13p14933. — PMID:11542127. (англ.)
13. W. M. Grundy, Марк В. Буйе и J. R. Spencer. Spectroscopy of Pluto and Triton at 3-4 Microns: Possible Evidence for Wide Distribution of Nonvolatile Solids // The Astronomical Journal : рец. наук. журнал. — 2002. — Vol. 124, no. 4. — P. 2273—2278. — ISSN 0004-6256. — Bibcode:2002AJ....124.2273G. — DOI:10.1086/342933. (англ.)
14. Lucy Ann Adams McFadden, Paul Robert Weissman, Torrence V. Johnson. Encyclopedia of the Solar System. — 2-е изд. — Амстердам, Бостон : Academic Press, 2007. — P. 483—502. — ISBN 978-0-12-088589-3. (англ.)
15. Smith, B. A.; Soderblom, L. A.; Beebe, A.; Bliss, D.; Boyce, J. M.; Brahic, A.; Briggs, G. A.; Brown, R. H. et al. Voyager 2 in the Uranian System: Imaging Science Results // Science : рец. наук. журнал. — 1986. — Vol. 223, no. 4759. — P. 43—64. — ISSN 0036-8075. — Bibcode:1986Sci...233...43S. — DOI:10.1126/science.233.4759.43. — PMID:17812889. (англ.)
16. Chadwick A. Trujillo, Michael E. Brown, David L. Rabinowitz and Thomas R. Geballe. Near-Infrared Surface Properties of the Two Intrinsically Brightest Minor Planets: (90377) Sedna and (90482) Orcus // The Astrophysical Journal : рец. наук. журнал. — 2005. — Vol. 627, no. 2. — P. 1057—1065. — ISSN 0004-637X. — arXiv:astro-ph/0504280v1. — Bibcode:2005ApJ...627.1057T. — DOI:10.1086/430337.. (англ.)
17. J. P. Emery, C. M. Dalle Ore, D. P. Cruikshank, Y. R. Fernández, D. E. Trilling, and J. A. Stansberry. Ices on (90377) Sedna: confirmation and compositional constraints // Astronomy and Astrophysics : рец. наук. журнал. — 2007. — Vol. 466, no. 1. — P. 395—398. — ISSN 0004-6361. — Bibcode:2007A&A...466..395E. — DOI:10.1051/0004-6361:20067021. (англ.)
18. M. A. Barucci, D. P. Cruikshank, E. Dotto, F. Merlin, F. Poulet, C. Dalle Ore, S. Fornasier and C. de Bergh. Is Sedna another Triton? // Astronomy and Astrophysics : рец. наук. журнал. — 2005. — Vol. 439, no. 2. — P. L1—L4. — ISSN 0004-6361. — Bibcode:2005A&A...439L...1B. — DOI:10.1051/0004-6361:200500144. (англ.)
19. C. de Bergh, A. Delsanti, G. P. Tozzi, E. Dotto, A. Doressoundiram and M. A. Barucci. The surface of the transneptunian object 90482 Orcus // Astronomy and Astrophysics : рец. наук. журнал. — 2005. — Vol. 437, no. 3. — P. 1115—1120. — ISSN 0004-6361. — Bibcode:2005A&A...437.1115D. — DOI:10.1051/0004-6361:20042533. (англ.)
20. M. E. Brown, K. M. Barkume, G. A. Blake, E. L. Schaller, D. L. Rabinowitz, H. G. Roe and C. A. Trujillo. Methane and Ethane on the Bright Kuiper Belt Object 2005 FY9 // The Astronomical Journal : рец. наук. журнал. — 2007. — Vol. 133, no. 1. — P. 284—289. — ISSN 0004-6256. — Bibcode:2007AJ....133..284B. — DOI:10.1086/509734. (англ.)
21. J. Licandro, E. Oliva and M. Di Martino. NICS-TNG infrared spectroscopy of trans-neptunian objects 2000 EB173 and 2000 WR106 // Astronomy and Astrophysics : рец. наук. журнал. — 2001. — Vol. 373, no. 3. — P. L29—L32. — ISSN 0004-6361. — Bibcode:2001A&A...373L..29L. — DOI:10.1051/0004-6361:20010758. (англ.)
22. F. Pouleta, J.N. Cuzzib. The Composition of Saturn's Rings // Icarus : рец. наук. журнал. — 2002. — Vol. 160, no. 2. — P. 350—358. — ISSN 0019-1035. — Bibcode:2002Icar..160..350P. — DOI:10.1006/icar.2002.6967. (англ.)
23. Nicholson, P.D. and 16 co-authors. A close look at Saturn's rings with Cassini VIMS // Icarus : рец. наук. журнал. — 2008. — Vol. 193, no. 1. — P. 182—212. — ISSN 0019-1035. — Bibcode:2008Icar..193..182N. — DOI:10.1016/j.icarus.2007.08.036. (англ.)
24. Sagan, C. et al. Polycyclic aromatic hydrocarbons in the atmospheres of Titan and Jupiter // The Astrophysical Journal : рец. наук. журнал. — 1993. — Vol. 414, no. 1. — P. 399—405. — ISSN 0004-637X. — Bibcode:1993ApJ...414..399S. — DOI:10.1086/173086.. (англ.)
25. B.N. Khare, Carl Sagan. Organicsolidsproduced by electricaldischarge in reducingatmospheres: Tholin molecular analysis // Icarus : рец. наук. журнал. — 1981. — Vol. 48, no. 2. — P. 290—297. — ISSN 0019-1035. — DOI:10.1016/0019-1035(81)90110-X.. (С. 296: Цитата: «[…]However, thermal and radiation degradation of the material is likely to make some of the molecules reported in Tables I and II accessible, both in the atmospheres of Jupiter and Saturn and in the interstellar medium, to appropriate spectral analysis.[…]» Переклад: «[…]Тим не менш, теплова і радіаційна деградація матеріалу, ймовірно, сприятиме застосуванню спектрального аналізу по відношенню до деяких молекул, наведених у Таблицях I і II, як в атмосферах Юпітера та Сатурна, так і в міжзоряному середовищі.[…]»)
26. T. B. McCord et al. Organics and Other Molecules in the Surfaces of Callisto and Ganymede // Science : рец. наук. журнал. — 1997. — Vol. 278, no. 5336. — P. 271—275. — ISSN 0036-8075. — DOI:10.1126/science.278.5336.271.. — (PDF [ 29 квітня 2014 у Wayback Machine.]). (англ.)
27. Абиогенетические концепции происхождения жизни: введение (рос.). БИОЛОГИЯ И МЕДИЦИНА. Архів оригіналу за 12 вересня 2012. Процитовано 13 травня 2012.  (рос.)
28. МОЛНИЯ (рос.). Энциклопедия Кольера. Архів оригіналу за 12 вересня 2012. Процитовано 13 травня 2012.  (рос.)
29. ЮПИТЕР МЕЧЕТ МОЛНИИ: И ГРЕЕТ САМ СЕБЯ (рос.). Популярная механика. 15 жовтня 2007. Архів оригіналу за 12 вересня 2012. Процитовано 13 травня 2012.  (рос.)
30. David Darling. tholin (англ.). The Encyclopedia of Science. Архів оригіналу за 28 лютого 2012. Процитовано 14 лютого 2012.  (англ.)
31. Megan McGuigan.; Sacks, Richard D. Comprehensive Two Dimensional Gas Chromatography Study of Tholin Samples Using Pyrolysis Inlet and TOF-MS Detection (англ.). Архів оригіналу за 12 вересня 2012. Процитовано 14 лютого 2012.  (англ.)
32. Steve Down. (15 жовтня 2006). Mooning over Titan's atmosphere (англ.). Mass Spectrometry - Base Peak - The web's leading Mass Spectrometry Resource. Архів оригіналу за 12 вересня 2012. Процитовано 14 лютого 2012.  (англ.)
33. Dougherty, Michele; Esposito, Larry. Saturn from Cassini-Huygens / Krimigis, Stamatios. — 2009. — С. 499. — ISBN 978-1-4020-9216-9. (англ.)
34. Stoker, C. R.; Boston, P. J.; Mancinelli, R. L.; Segal, W.; Khare, B. N.; Sagan, C. Microbial metabolism of tholin // Icarus : рец. наук. журнал. — 1990. — Vol. 85, no. 1. — P. 241—256. — ISSN 0019-1035. — Bibcode:1990Icar...85..241S. — DOI:10.1016/0019-1035(90)90114-O.. (англ.)
35. Леонид Попов. (25 липня 2005). NASA на Сатурне. Часть шестая: главные итоги и будущая сенсация (рос.). Membrana. Архів оригіналу за 12 вересня 2012. Процитовано 27 лютого 2012.  (рос.)
36. Жизнь на Титане: еще не все потеряно (рос.). Элементы.ру. 25 липня 2005. Архів оригіналу за 12 вересня 2012. Процитовано 27 лютого 2012.  (англ.)
37. John H. Debes, Alycia J. Weinberger, Glenn Schneider. Complex Organic Materials in the Circumstellar Disk of HR 4796A // The Astrophysical Journal : рец. наук. журнал. — 2008. — Vol. 673, no. 2. — P. 1191—1194. — ISSN 0004-637X. — arXiv:0712.3283. — DOI:10.1086/527546.. (англ.)
38. M. Köhler, I. Mann and Aigen Li. Complex Organic Materials in the HR 4796A Disk? // The Astrophysical Journal : рец. наук. журнал. — 2008. — Vol. 686, no. 2. — P. L95—L98. — ISSN 0004-637X. — arXiv:0808.4113v1. — DOI:10.1086/592961.. (англ.)

Посилання

• Tholin в The Encyclopedia of Science (англ.)
• The Process of Tholin Formation in Titan’s Upper Atmosphere (PDF) (англ.)