Uma descoberta inesperada revela como cristais congelados de um composto tóxico, o cianeto de hidrogênio, podem se misturar com hidrocarbonetos líquidos como metano e etano, formando estruturas estáveis em condições extremas. Esta interação, considerada impossível até então, abre novas perspectivas sobre a química prebiótica no Sistema Solar e além.
Vista de Titã, a maior lua de Saturno, além dos anéis do planeta. A pequena lua Epimeteu é visível em primeiro plano.
Crédito: NASA/JPL/Space Science Institute.
Experiências realizadas no Jet Propulsion Laboratory da NASA, combinadas com simulações computacionais realizadas pela Universidade de Tecnologia de Chalmers na Suécia, permitiram observar este fenômeno surpreendente. Os pesquisadores trabalharam em temperaturas próximas às de Titã, ou seja, cerca de -180 °C, onde o cianeto de hidrogênio se apresenta na forma de cristais sólidos.
Em laboratório, eles constataram que o metano e o etano, embora não polares, podiam penetrar na estrutura cristalina do cianeto de hidrogênio, criando o que se chama de "co-cristal". Esta estabilidade inesperada questiona o princípio químico segundo o qual substâncias polares e não polares não se misturam.
O cianeto de hidrogênio é uma molécula polar, o que significa que possui um lado carregado positivamente e outro negativamente, favorecendo normalmente ligações com outras moléculas polares. Em contrapartida, o metano e o etano são hidrocarbonetos não polares, com uma distribuição simétrica das cargas elétricas. Na Terra, esta diferença explicaria por que o óleo e a água não se misturam. No entanto, em Titã, as simulações mostraram que estes compostos podem se associar, formando estruturas cristalinas híbridas estáveis no ambiente glacial da lua.
Esta descoberta tem implicações maiores para compreender a química prebiótica, ou seja, as reações químicas que podem ter precedido o aparecimento da vida. O cianeto de hidrogênio é um precursor chave dos aminoácidos, os blocos de construção das proteínas, e das nucleobases do ARN e do ADN. Embora tóxico para a vida atual, pode ter desempenhado um papel essencial na formação das primeiras moléculas biológicas na Terra primitiva. Titã, com seus lagos de hidrocarbonetos e sua atmosfera rica, oferece um laboratório natural para estudar estes processos.
A missão Dragonfly da NASA, prevista para chegar a Titã em 2034, permitirá verificar estes resultados recolhendo amostras de gelo de cianeto de hidrogênio na superfície. Esta missão, equipada com um rotorcraft, explorará diversos locais para analisar a química desta lua. Os pesquisadores esperam assim descobrir outras interações inesperadas entre moléculas polares e não polares, ampliando nossa compreensão dos ambientes gelados no Universo.
As moléculas polares e não polares
As moléculas polares, como o cianeto de hidrogênio, têm uma distribuição desigual das cargas elétricas, criando um polo positivo e um polo negativo. Esta polaridade favorece as interações com outras moléculas polares, por atração eletrostática, o que explica por que elas frequentemente se dissolvem em solventes polares como a água.
As moléculas não polares, tais como o metano e o etano, têm uma simetria das cargas, o que as torna pouco compatíveis com substâncias polares. Em geral, elas preferem associar-se a outras moléculas não polares, um princípio resumido pelo ditado "os semelhantes atraem-se".
Em Titã, a descoberta de misturas entre estes dois tipos de moléculas desafia esta regra. As baixas temperaturas extremas, em torno de -180 °C, permitem que o metano e o etano penetrem nos cristais de cianeto de hidrogênio, formando co-cristais estáveis. Esta interação é facilitada pela estrutura cristalina que pode acomodar moléculas não polares em suas interstícios.
Esta exceção abre caminho para novas pesquisas sobre misturas moleculares em ambientes frios, como nuvens interestelares ou cometas, onde reações similares poderiam ocorrer.
A química prebiótica e as origens da vida
A química prebiótica estuda as reações químicas que podem ter levado ao aparecimento da vida na Terra, há cerca de 4 bilhões de anos. Ela se concentra na formação de moléculas orgânicas complexas a partir de compostos simples, em condições naturais.
O cianeto de hidrogênio é considerado um precursor importante neste processo. Ele pode reagir com outras moléculas para formar aminoácidos, que são as unidades básicas das proteínas, essenciais à vida. Da mesma forma, ele intervém na síntese das nucleobases, componentes do ARN e do ADN.
Titã, com seus lagos de hidrocarbonetos e sua atmosfera rica em nitrogênio, assemelha-se a uma versão gelada da Terra primitiva. As interações entre o cianeto de hidrogênio e os hidrocarbonetos poderiam simular etapas chave da química prebiótica, apesar das temperaturas hostis.
Ao compreender estes mecanismos em Titã, os cientistas esperam esclarecer como a vida pode ter emergido na Terra e se processos similares são possíveis em outros lugares do Universo, por exemplo em exoplanetas ou outras luas geladas.