Может ли быть жизнь на большой луне Сатурна Титане? Задание этого вопроса заставляет астробиологов и химиков тщательно и творчески задуматься о химии жизни и о том, как она может отличаться в других мирах, чем на Земле. В феврале группа исследователей из Корнельского университета, в том числе аспирант химического машиностроения Джеймс Стивенсон, ученый-планетолог Джонатан Лунин и инженер-химик Полет Клэнси, опубликовали новаторское исследование, в котором утверждается, что клеточные мембраны могут образовываться в экзотических химических условиях, присутствующих на этой замечательной луне. ,
Титан во многом близнец Земли. Это вторая по величине луна в солнечной системе и больше, чем планета Меркурий. Как и у Земли, она имеет существенную атмосферу с приземным атмосферным давлением, немного превышающим земное. Помимо Земли, Титан - единственный объект в нашей солнечной системе, в котором скопились жидкости на поверхности. Космический зонд НАСА Кассини обнаружил обильные озера и даже реки в полярных регионах Титана. Самое большое озеро или море, называемое Кракен Маре, больше, чем Каспийское море Земли. Исследователи знают из наблюдений космических аппаратов и лабораторных экспериментов, что атмосфера Титана богата сложными органическими молекулами, которые являются строительными блоками жизни.
Все эти особенности могут создать впечатление, что Титан соблазнительно подходит для жизни. Название «Кракен», которое относится к легендарному морскому монстру, причудливо отражает надежды астробиологов. Но Титан - близнец Земли. Находясь почти в десять раз дальше от Солнца, чем Земля, температура его поверхности составляет около -180 градусов по Цельсию. Жидкая вода жизненно важна для жизни, как мы ее знаем, но на поверхности Титана вся вода замерзла. Водяной лед берет на себя роль, которую кремнийсодержащие породы играют на Земле, образуя внешние слои коры.
Жидкость, которая наполняет озера и реки Титана, - это не вода, а жидкий метан, который, вероятно, смешан с другими веществами, такими как жидкий этан, которые все являются газами на Земле. Если в морях Титана есть жизнь, то это не та жизнь, которую мы знаем. Это должна быть чужеродная форма жизни, с органическими молекулами, растворенными в жидком метане вместо жидкой воды. Это вообще возможно?
Команда Корнелла подняла одну ключевую часть этого сложного вопроса, исследуя, могут ли клеточные мембраны существовать в жидком метане. Каждая живая клетка, по сути, представляет собой самоподдерживающуюся сеть химических реакций, заключенную в ограничивающие мембраны. Ученые считают, что клеточные мембраны появились очень рано в истории жизни на Земле, и их образование могло бы даже стать первым шагом в зарождении жизни.
Здесь, на Земле, клеточные мембраны так же знакомы, как уроки биологии в средней школе Они сделаны из больших молекул, называемых фосфолипидами. Каждая молекула фосфолипида имеет «голову» и «хвост». Голова содержит фосфатную группу с атомом фосфора, связанным с несколькими атомами кислорода. Хвост состоит из одной или нескольких цепочек атомов углерода, обычно длиной от 15 до 20 атомов, с атомами водорода, связанными с каждой стороны. Головка из-за отрицательного заряда ее фосфатной группы имеет неравномерное распределение электрического заряда, и мы говорим, что она полярна. Хвост, с другой стороны, электрически нейтрален.
Эти электрические свойства определяют поведение фосфолипидных молекул, когда они растворяются в воде. Говоря электрически, вода - это полярная молекула. Электроны в молекуле воды сильнее притягиваются к ее атому кислорода, чем к двум его атомам водорода. Таким образом, сторона молекулы, где находятся два атома водорода, имеет небольшой положительный заряд, а сторона кислорода имеет небольшой отрицательный заряд. Эти полярные свойства воды заставляют ее притягивать полярную головку молекулы фосфолипида, которая, как говорят, гидрофильна, и отталкивать ее неполярный хвост, который, как говорят, гидрофобен.
Когда молекулы фосфолипидов растворяются в воде, электрические свойства этих двух веществ работают вместе, заставляя молекулы фосфолипидов организовываться в мембрану. Мембрана закрывается в маленькую сферу, называемую липосомой. Молекулы фосфолипида образуют бислой толщиной две молекулы. Полярные гидрофильные головки обращены наружу к воде как на внутренней, так и на внешней поверхности мембраны. Гидрофобные хвосты зажаты друг напротив друга. В то время как молекулы фосфолипидов остаются фиксированными в своем слое, их головы обращены наружу, а хвосты обращены внутрь, они все еще могут перемещаться относительно друг друга, обеспечивая мембране гибкость жидкости, необходимую для жизни.
Фосфолипидные двухслойные мембраны являются основой всех наземных клеточных мембран. Даже сама по себе липосома может расти, размножаться и помогать определенным химическим реакциям, важным для жизни, поэтому некоторые биохимики считают, что образование липосом могло быть первым шагом к жизни. В любом случае, формирование клеточных мембран, безусловно, должно было стать первым шагом в появлении жизни на Земле.
Если на Титане существует какая-то форма жизни, будь то морской монстр или (более вероятно) микроб, у нее почти наверняка должна быть клеточная мембрана, как и у любого живого существа на Земле. Могут ли фосфолипидные двухслойные мембраны образовываться в жидком метане на Титане? Ответ - нет. В отличие от воды, молекула метана имеет равномерное распределение электрических зарядов. Ему не хватает полярных качеств воды, и поэтому он не может привлечь полярные головки молекулы фосфолипида. Это притяжение необходимо для того, чтобы фосфолипиды образовали клеточную мембрану в стиле Земли.
Были проведены эксперименты, где фосфолипиды растворяются в неполярных жидкостях при комнатной температуре Земли. В этих условиях фосфолипиды образуют двухслойную мембрану «изнутри наружу». Полярные головки молекул фосфолипидов находятся в центре, притягиваются друг к другу своими электрическими зарядами. Неполярные хвосты обращены наружу с каждой стороны изнутри наружу мембраны и обращены к неполярному растворителю.
Может ли жизнь Титана иметь наизнанку фосфолипидную мембрану? Команда Cornell пришла к выводу, что это не сработает по двум причинам. Первое состоит в том, что при криогенных температурах жидкого метана хвосты фосфолипидов становятся жесткими, лишая любую изнутри мембрану, которая может сформировать гибкость жидкости, необходимую для жизни. Второе - это два ключевых ингредиента фосфолипидов; фосфор и кислород, вероятно, недоступны в метановых озерах Титана. В поисках титановых клеточных мембран команда Корнелла должна была исследовать за пределами знакомой области биологии средней школы.
Ученые пришли к выводу, что, хотя они не состоят из фосфолипидов, любая клеточная мембрана Титана, тем не менее, будет похожа на фосфолипидные мембраны наизнанку, созданные в лаборатории. Он будет состоять из полярных молекул, электрически соединяющихся в растворе неполярного жидкого метана. Какие это могут быть молекулы? Для ответов исследователи обратились к данным космического корабля Кассини и лабораторных экспериментов, которые воспроизвели химию атмосферы Титана.
Атмосфера Титана, как известно, имеет очень сложную химию. Он состоит в основном из азота и метана. Когда космический аппарат Cassini проанализировал свой состав с помощью спектроскопии, он обнаружил следы различных соединений углерода, азота и водорода, называемых нитрилами и аминами. Исследователи смоделировали химию атмосферы Титана в лаборатории, подвергая смеси азота и метана источникам энергии, имитирующим солнечный свет на Титане. Создается рагу из органических молекул, называемых «толины». Он состоит из соединений водорода и углерода, называемых углеводородами, а также нитрилов и аминов.
Исследователи Корнелла рассматривали нитрилы и амины в качестве потенциальных кандидатов на мембраны своих титановых клеток. Оба являются полярными молекулами, которые могут слипаться, образуя мембрану в неполярном жидком метане из-за полярности азотсодержащих групп, обнаруженных в них обоих. Они предположили, что молекулы-кандидаты должны быть намного меньше фосфолипидов, чтобы они могли образовывать жидкие мембраны при температурах жидкого метана. Они рассматривали нитрилы и амины, содержащие цепочки из трех-шести атомов углерода. Азотсодержащие группы называются «азотными», поэтому команда назвала их гипотетический титановый аналог липосоме «азотосомой».
Синтез азотосом для экспериментальных исследований был бы сложным и дорогостоящим, потому что эксперименты должны были бы проводиться при криогенных температурах жидкого метана. Но поскольку молекулы-кандидаты были тщательно изучены по другим причинам, исследователи Корнелла посчитали оправданным обратиться к инструментам вычислительной химии, чтобы определить, могут ли их молекулы-кандидаты слипаться как гибкая мембрана в жидком метане. Вычислительные модели были успешно использованы для изучения обычных мембран фосфолипидных клеток.
Вычислительное моделирование группы показало, что некоторые вещества-кандидаты могут быть исключены, поскольку они не будут слипаться как мембрана, будут слишком жесткими или будут образовывать твердое тело. Тем не менее, моделирование также показало, что ряд веществ будет образовывать мембраны с подходящими свойствами. Одним подходящим веществом является акрилонитрил, который, как показал Кассини, присутствует в атмосфере Титана в концентрации 10 частей на миллион. Несмотря на огромную разницу в температуре между криогенными азотозомами и липосомами при комнатной температуре, моделирование показало, что они демонстрируют поразительно сходные свойства стабильности и реакции на механическое напряжение. Таким образом, клеточные мембраны возможны для жизни в жидком метане.
Ученые из Корнелла рассматривают свои выводы как не что иное, как первый шаг к тому, чтобы показать, что жизнь в жидком метане возможна, и к разработке методов, которые понадобятся будущим космическим кораблям для его поиска на Титане. Если жизнь возможна в жидком метане, последствия в конечном итоге распространяются далеко за пределы Титана.
При поиске условий, подходящих для жизни в галактике, астрономы обычно ищут экзопланеты в пределах обитаемой зоны звезды, определяемой как узкий диапазон расстояний, на которых планета с атмосферой, подобной Земле, будет иметь температуру поверхности, подходящую для жидкой воды. Если жизнь метана возможна, то у звезд также будет зона обитания метана, область, где метан может существовать в виде жидкости на планете или луне, что делает возможной жизнь метана. Количество обитаемых миров в галактике будет значительно увеличено. Возможно, в некоторых мирах жизнь метана развивается в сложные формы, которые мы едва ли можем себе представить. Возможно, некоторые из них даже немного похожи на морских монстров.
Ссылки и дальнейшее чтение:
Н. Аткинсон (2010) Чужая жизнь на Титане? Подожди минуту, космический журнал.
Н. Аткинсон (2010) Жизнь на Титане может быть вонючей и взрывоопасной, космический журнал.
M.L. Cable, S.M. Horst, R.Hodyss, P. Beauchamp, M.A. Smith, P. Willis, (2012). Титаны-титаны: моделирование органической химии титана в эпоху Кассини-Гюйгенса, Chemical Reviews, 112: 1882-1909.
Э. Хауэлл (2014). На этой неделе под пристальным вниманием Кассини появится журнал «Величественные зеркальные озера Титана», журнал Space.
J. Major (2013) Северный полюс Титана наполнен озерами, журнал Space.
C. P. McKay, H. D. Smith, (2005) Возможности метаногенной жизни в жидком метане на поверхности Титана, Икар 178: 274-276.
J. Stevenson, J. Lunine, P. Clancy, (2015) Мембранные альтернативы в мирах без кислорода: создание азотосомы, Science Advances 1 (1): e1400067.
С. Олесон (2014). Подводная лодка Титан: исследование глубин Кракена, Исследовательский центр Гленна, НАСА, Пресс-релиз.
Миссия солнцестояния Кассини, Лаборатория реактивного движения НАСА
НАСА и ЕКА празднуют 10 лет со дня приземления Титана, НАСА 2015
