土星の衛星「タイタン」では通常相いれない分子が結合する可能性があると判明

太陽系の衛星として唯一豊富な大気を持つことで知られる土星の衛星「タイタン」に関する研究を通して、タイタンの極低温環境下では通常は相容れないとされる分子が結合して、太陽系でこれまで見たことのない固体を形成する可能性があると示されました。これは化学の基本原則に反する結果であり、タイタンの科学的特異性や生命の起源に関する重要な発見として注目されています。

Hydrogen cyanide and hydrocarbons mix on Titan | PNAS
https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2507522122

Unexpected discovery on Saturn's moon challenges our view on chemistry before life emerged
https://www.chalmers.se/en/current/news/k-unexpected-discovery-on-saturns-moon-challenges-our-view-on-chemistry-before-life-emerged/

Bizarre Crystals in Titan's Lakes Could Break a Fundamental Rule of Chemistry : ScienceAlert
https://www.sciencealert.com/bizarre-crystals-in-titans-lakes-could-break-a-fundamental-rule-of-chemistry

タイタンは地球以外で唯一地表に液体が安定的に存在することが確認されており、その「タイタンの湖」は液化メタンや液化エタンで構成されています。これらの液体炭化水素の湖は、生命誕生に必要な複雑な化学反応が含まれており、生命が誕生する可能性のある条件を理解する助けになると考えられています。

土星の衛星「タイタン」には生命が無機物から自然発生するかどうかを調査可能な環境がそろっている - GIGAZINE

生命誕生に特に重要な基礎となるのが「シアン化水素(HCN)」です。シアン化水素はタイタンの大気や表面に豊富に存在しており、適切な条件下で、核酸塩基やアミノ酸といった生命の構成要素となる化合物を形成できる可能性があります。

NASAの研究者は、タイタンの極低温環境下における、シアン化水素などの物質の挙動を調査していました。タイタンの表面温度と一致する約-180度の環境では、シアン化水素は結晶化し、メタンとエタンは液体や気体として存在します。タイタンの表面温度での実験が終了し、得られた混合物を分析したところ、通常環境とは異なる形になったことを研究者らは発見しました。そこで、スウェーデンのチャルマース工科大学のフェルナンド・イスキエルド・ルイス氏が率いる研究チームに依頼し、理論的および実験的協力を進めました。

通常、極性分子であるシアン化水素と、非極性分子であるメタンやエタンは、相互作用が弱く、結晶格子内で安定して混ざり合うことはほとんどありません。そのため常温条件では、「極性物質と非極性物質の混合はほとんど起こらない」というのが化学の基本的な理解です。

しかし、約-180度の実験環境でシアン化水素の結晶を成長させ、メタン、エタン、プロパン、ブタンなどの液体炭化水素を結晶内に導入した上で、ラマン分光法を用いて分子の振動を記録したところ、メタンとエタンにさらされた後のシアン化水素の振動に小さいながらも明確な変化が記録されました。結果として、メタンとエタンがシアン化水素の結晶格子内に取り込まれ、格子と相互作用する「共結晶構造」を形成したことが明らかになりました。

この実験結果は、「同類は同類を溶かす(極性分子と非極性分子は溶け合わない)」という化学における基本法則に反しており、常温ではほとんど起こらない極性分子と非極性分子の共存が、極低温条件では格子内に取り込まれる形で可能になることを示しています。

チャルマース工科大学の化学者であるマーティン・ラーム氏は、「これらの物質間に予期せぬ相互作用があるという発見は、タイタンの地質や湖、海、砂丘などの奇妙な地形に対する私たちの理解に影響を与える可能性があります」と発見の意義を語っています。研究者らは、条件を適切に調整すればシアン化水素と共結晶を形成する可能性のある他の分子を発見することを、今後の課題として述べています。