В левой части изображения можно видеть мозаику из снимков, сделанных космическим аппаратом Кассини в ближнем инфракрасном диапазоне. На снимке видны полярные моря и отражающийся от их поверхности солнечный свет. Отражение расположено в южной части Моря Кракена , самого крупного водоема на Титане. Заполнен этот водоем вовсе не водой, а жидким метаном и смесью других углеводородов. В правой части изображения можно видеть снимки Моря Кракена, сделанные радаром Кассини. Кракен – это имя мифического чудовища, обитавшего в северных морях. Такое название как бы намекает на то, какие надежды связывают астробиологи с этим загадочным инопланетным морем .
Может ли на большом спутнике Сатурна, Титане , существовать жизнь? Этот вопрос вынуждает астробиологов и химиков очень осторожно и творчески разбираться в химии жизни и в том, чем на других планетах она могла бы отличаться от химии жизни на Земле. В феврале группа исследователей из Корнелльского университета, в том числе аспирант факультета химического машиностроения Джеймс Стивенсон, планетолог Джонатан Люнин и инженер-химик Полетт Клэнси, опубликовала новаторский труд, суть которого заключается в том, что мембраны живых клеток могут формироваться в экзотической химической среде, присутствующей на этом удивительном спутнике.
Во многих аспектах Титан - это двойник Земли. Это второй по величине спутник в Солнечной системе, он больше планеты Меркурий. Как и у Земли, у него есть плотная атмосфера, давление которой у поверхности немного выше, чем на Земле. Не считая Земли, Титан единственный объект в нашей Солнечной системе, на поверхности которого есть скопления жидкости. Космический аппарат НАСА Кассини обнаружил в полярных регионах Титана изобилие озер и даже рек. Самое большое озеро или море, называется Море Кракена, его площадь превышает площадь Каспийского моря на Земле. Из наблюдений, сделанных космическим аппаратом, и результатов лабораторных экспериментов ученые установили, что в атмосфере Титана присутствует много сложных органических соединений, из которых строится жизнь.
Глядя на все это, может создаться впечатление, что Титан крайне пригодное для жизни место. Название «Кракен», так именовали мифического морского монстра, отражает тайные надежды астробиологов.Но Титан – это инопланетный близнец Земли. Он почти в 10 раз дальше от солнца, чем Земля, температура его поверхности составляет леденящие -180 градусов Цельсия. Как мы знаем, вода является неотъемлемой частью жизни, но на поверхности Титана она твёрдая, как камень. Водяной лёд там, это всё равно что породы из кремния на Земле, образующие внешние слои земной коры.
Жидкость, наполняющая озёра и реки Титана, не вода, а жидкий метан, скорее всего, смешанный с другими веществами такими, как жидкий этан, которые на Земле присутствуют в газообразном состоянии. Если в морях Титана и водится жизнь, то она не похожа на наши представления о жизни. Это будет совершенно чужеродная для нас форма жизни, органические молекулы которой растворены не в воде, а в жидком метане. А возможно ли такое в принципе?
Команда из Корнелльского университета изучила одну ключевую часть этого непростого вопроса, рассмотрев возможность существования клеточных мембран в жидком метане. Все живые клетки, по сути, это система самоподдерживающихся химических реакций, заключенная в мембрану. Учёные считают, что клеточные мембраны появились в самом начале истории возникновения жизни на Земле, а их формирование, возможно, стало первым шагом к зарождению жизни.
У нас на Земле о клеточных мембранах все знают из школьного курса биологии. Эти мембраны состоят из больших молекул, называемых фосфолипидами. У всех молекул фосфолипидов есть «головка» и «хвост». Головка представляет собой фосфатную группу, где атом фосфора связан с несколькими атомами кислорода. Хвост же состоит из одной или нескольких нитей атомов углерода длиной в 15 – 20 атомов, к которым с каждой стороны присоединены атомы водорода. Головка, из-за отрицательного заряда фосфатной группы, имеет неравномерное распределение электрического заряда, поэтому её называют полярной. Хвост же, с другой стороны, электрически нейтрален.
У нас на Земле клеточные мембраны состоят из молекул фосфолипидов, растворённых в воде. Основой фосфолипидов являются атомы углерода (серого цвета), плюс в их состав также входят атомы водорода (небесно-голубого цвета), фосфора (желтого цвета), кислорода (красного цвета) и азота (синего цвета). Из-за положительного заряда, который даёт холиновая группа, содержащая атом азота, и отрицательного заряда фосфатной группы, головка фосфолипидов полярна и притягивает молекулы воды. Таким образом, она гидрофильна. Хвост углеводорода электрически нейтрален, поэтому он гидрофобный. Структура клеточной мембраны зависит от электрических свойств фосфолипидов и воды. Молекулы фосфолипидов формируют двойной слой - гидрофильные головки, контактирующие с водой, снаружи, а гидрофобные хвосты смотрят внутрь, соединяясь друг с другом.
Такие электрические свойства молекул фосфолипидов определяют то, как они ведут себя в водном растворе. Если говорить об электрических свойствах воды, то её молекула полярна. Электроны в молекуле воды сильнее притягиваются к атому кислорода, нежели к двум атомам водорода. Поэтому со стороны двух атомов водорода молекула воды имеет небольшой положительный заряд, а со стороны атома кислорода она имеет небольшой отрицательный заряд. Такие полярные свойства воды вынуждают её притягиваться к полярной головке молекулы фосфолипидов, которая является гидрофильной, и в то же время отталкиваться от неполярных хвостов, которые являются гидрофобными.
Когда молекулы фосфолипидов растворяются в воде, совокупность электрических свойств обоих веществ заставляет молекулы фосфолипидов формировать мембрану. Мембрана замыкается в небольшую сферу, называемую липосомой. Молекулы фосфолипидов образовывают бислой толщиной в две молекулы. Полярные гидрофильные молекулы образуют внешнюю часть бислоя мембраны, которая контактирует с водой на внутренней и внешней поверхности мембраны. Гидрофобные хвосты соединены друг с другом во внутренней части мембраны. Хотя молекулы фосфолипидов остаются неподвижными относительно своего слоя, в то время как их головки смотрят наружу, а хвосты внутрь, слои всё же могут перемещаться относительно друг друга, давая мембране достаточную подвижность, которая необходима жизни.
Двухслойные мембраны из фосфолипидов являются основой всех клеточных мембран на земле. Даже сама по себе липосома может расти, воспроизводить себя и способствовать протеканию определённых химических реакций необходимых для существования живых организмов. Именно поэтому некоторые биохимики считают, что формирование липосом стало первым шагом на пути к возникновению жизни. Во всяком случае, формирование клеточных мембран должно было произойти на раннем этапе зарождения жизни на Земле.
Слева - вода, полярный растворитель, состоящий из атомов водорода (Н) и кислорода (О). Кислород притягивает электроны сильнее, чем водород, поэтому молекула со стороны атомов водорода имеет положительный результирующий заряд, а сторона кислорода – отрицательный результирующий заряд. Дельтой (δ) обозначается частичный заряд, то есть меньше целого положительного или отрицательного заряда. Справа - метан, симметричное расположение атомов водорода (Н) вокруг центрального атома углерода (С) делает его неполярным растворителем.
Если жизнь на Титане в той или иной форме существует, будь то морское чудище или (скорее всего) микробы, то без клеточных мембран они не обойдутся, как и всё живое на Земле. Могут ли двухслойные мембраны из фосфолипидов формироваться в жидком метане на Титане? Ответ – нет. В отличие от воды, электрический заряд молекулы метана распределен равномерно. У метана нет полярных свойств воды, поэтому он не может притягивать головки молекул фосфолипида. Такая возможность необходима фосфолипидам для образования земной клеточной мембраны.
Были проведены эксперименты, в ходе которых фосфолипиды растворялись в неполярных жидкостях при земной комнатной температуре. В таких условиях фосфолипиды формируют «обратную» бислойную мембрану. Полярные головки молекул фосфолипидов соединяются друг с другом в центре, притягиваясь своими зарядами. Неполярные хвосты образуют внешнюю поверхность «обратной» мембраны, контактирующую с неполярным растворителем.
Слева - фосфолипиды растворены в воде, в полярном растворителе. Они образуют бислойную мембрану, где полярные, гидрофильные головки обращены к воде, а гидрофобные хвосты – друг к другу. Справа – фосфолипиды растворены в неполярном растворителе при земной комнатной температуре, в таких условиях они формируют обратную мембрану, когда полярные головки обращены друг к другу, а неполярные хвосты обращены наружу к неполярному растворителю.
Может ли у живых организмов на Титане быть обратная мембрана из фосфолипидов? Корнелльская команда пришла к заключению, что такая мембрана не пригодна для жизни по двум причинам. Во-первых, при криогенных температурах жидкого метана хвосты фосфолипидов становятся жесткими, лишая тем самым сформировавшуюся обратную мембрану любой подвижности необходимой для существования жизни. Во-вторых, две ключевых составляющих фосфолипидов – фосфор и кислород, скорее всего, отсутствуют в метановых озёрах Титана. В поисках клеточных мембран, которые могли бы существовать на Титане, Корнелльской команде нужно было выйти за рамки знакомого всем школьного курса по биологии.
Хотя мембраны из фосфолипидов были исключены, ученые считают, что любая клеточная мембрана на Титане всё-таки будет похожа на обратную мембрану из фосфолипидов, полученную в лаборатории. Такая мембрана будет состоять из полярных молекул, соединенных друг с другом за счет разности зарядов, растворенных в неполярном жидком метане. Что же это могут быть за молекулы? За ответами исследователи обратились к данным, полученным с Кассини и из лабораторных экспериментов, в ходе которых воссоздавался химический состав атмосферы Титана .
Известно, что атмосфера Титана имеет очень сложный химический состав. В основном она состоит из азота и метана в газообразном состоянии. Когда космический аппарат Кассини проанализировал состав атмосферы средствами спектроскопии, было обнаружено, что в атмосфере присутствуют следы самых разнообразных соединений углерода, азота и водорода, которые называются нитрилами и аминами. Исследователи смоделировали химический состав атмосферы Титана в лабораторных условиях, подвергая смесь азота и метана воздействию источников энергии, имитирующих солнечный свет на Титане. В результате образовался бульон из органических молекул, называемых толинами. Они состоят из соединений водорода и углерода, то есть углеводородов, а также нитрилов и аминов.
Исследователи из Корнелльского университета посчитали нитрилы и амины потенциальными кандидатами на роль основы для формирования титанианских клеточных мембран. Обе группы молекул полярны, что позволяет им соединяться, формируя тем самым мембрану в неполярном жидком метане благодаря полярности азотных групп, составляющих эти молекулы. Они пришли к выводу, что подходящие молекулы должны быть гораздо меньше фосфолипидов, чтобы они могли образовывать подвижные мембраны при температурах существования метана в жидкой фазе. Они рассмотрели нитрилы и амины, содержащие цепочки из 3 - 6 атомов углерода. Группы, содержащие азот, называются азото- группами, поэтому команда дала титанианскому аналогу липосомы название «азотосома».
Синтезировать азотосомы в экспериментальных целях дорого и трудно, так как эксперименты необходимо проводить при криогенных температурах жидкого метана. Однако, так как предложенные молекулы уже были хорошо изучены в ходе других исследований, команда Корнелльского университета посчитала оправданным обратиться к вычислительной химии, чтобы определить, смогут ли предложенные молекулы формировать подвижную мембрану в жидком метане. Компьютерные модели уже успешно применялись для исследования привычных нам клеточных мембран из фосфолипидов.
Было установлено, что акрилонитрил может стать возможной основой для формирования клеточных мембран в жидком метане на Титане. Известно, что он присутствует в атмосфере Титана в концентрации 10 миллионных долей, плюс он был синтезирован в лаборатории при моделировании воздействия источников энергии на азотно-метановую атмосферу Титана . Так как эта маленькая полярная молекула способна растворяться в жидком метане, она является кандидатом на роль соединения, которое может формировать клеточные мембраны в условиях альтернативной биохимии на Титане. Голубой – атомы углерода, синий – атомы азота, белый – атомы водорода.
Полярные молекулы акрилонитрила выстраиваются в цепочки головками к хвостам, формируя мембраны в неполярном жидком метане. Голубой – атомы углерода, синий – атомы азота, белый – атомы водорода.
Компьютерное моделирование, проведенное нашей группой исследователей, показало, что некоторые вещества можно исключить, так как они не будут формировать мембрану, будут слишком жесткими или образуют твёрдые вещества. Тем не менее, моделирование показало, что некоторые вещества могут формировать мембраны с подходящими свойствами. Одним из таких веществ стал акрилонитрил, наличие которого в атмосфере Титана в концентрации 10 миллионных долей обнаружил Кассини. Несмотря на огромную разницу в температурах между криогенными азотосомами и липосомами, существующими при комнатной температуре, моделирование продемонстрировало, что они обладают поразительно схожими свойствами стабильности и реакции на механическое воздействие. Таким образом, клеточные мембраны, подходящие для живых организмов, могут существовать в жидком метане.
Моделирование посредством вычислительной химии показывает, что акрилонитрил и несколько других маленьких полярных органических молекул, содержащих атомы азота, могут формировать «азотосомы» в жидком метане. Азотосомы – это маленькие мембраны в форме сферы, напоминающие липосомы, сформированные из фосфолипидов, растворенных в воде. Компьютерное моделирование показывает, что азотосомы на основе акрилонитрила будут как стабильными, так и гибкими при криогенных температурах в жидком метане, что даёт им необходимые свойства для функционирования в качестве клеточных мембран для гипотетических титанианских живых организмов или любых других организмов на планете с жидким метаном на поверхности. Азотосома на изображении имеет размер 9 нанометров, что примерно составляет размер вируса. Голубой – атомы углерода, синий – атомы азота, белый – атомы водорода.
Ученые из Корнелльского университета рассматривают полученные данные в качестве первого шага к демонстрации того, что жизнь в жидком метане возможна, и к разработке методов обнаружения такой жизни на Титане будущими космическими зондами. Если жизнь в жидком азоте возможна, то следующие из этого выводы, выходят далеко за границы Титана.
В поисках условий пригодных для жизни в нашей галактике астрономы обычно ищут экзопланеты, орбиты которых находятся в рамках зоны обитаемости звезды , которая определяется узким диапазоном расстояний, в пределах которых температура на поверхности землеподобной планеты позволит существовать жидкой воде. Если жизнь в жидком метане возможна, тогда у звезд должна быть ещё и метановая обитаемая зона - область, где метан на поверхности планеты или ее спутника может находиться в жидкой фазе, создавая условия для существования жизни. Таким образом, количество обитаемых планет в нашей галактике резко возрастёт. Возможно, на некоторых планетах метановая жизнь развилась в сложные формы, которые мы себе едва ли сможем представить. Кто знает, может некоторые из них даже похожи на морских чудовищ.
Необычное распределение веществ в атмосфере спутника Сатурна и на его поверхности подкрепляет версию о существовании там микроорганизмов. И хотя у найденных аномалий, как уточняют специалисты, вполне может найтись и абиогенное объяснение, бактерии Титана — один из вероятных кандидатов в виновники наблюдаемых чудес.
Ещё пять лет назад учёные предположили , что на Титане может существовать необычная форма жизни — организмы, производящие метан. Дышать такие существа должны водородом, а в пищу употреблять ацетилен . Присутствие таких бактерий приводило бы к различию в концентрации водорода в толще атмосферы Титана и близ его поверхности. То же верно и в отношении ацетилена: на поверхности его практически не должно быть, если микробы его постоянно съедают.
Именно такой результат и принёс анализ данных со спектрометров Cassini. Никаких признаков ацетилена внизу не найдено, хотя ультрафиолет должен постоянно производить его в атмосфере спутника из имеющихся там веществ. Аналогично обстоит дело с водородом. Ультрафиолет в верхней атмосфере разлагает метан и всё тот же ацетилен, так что водород на грунт Титана поступает не меньшим потоком, чем убегает в космос. Но на самой поверхности водород исчезает.
Возможное абиогенное объяснение: синтез метана из водорода и ацетилена на поверхности луны. Но в силу низкой температуры на Титане такие реакции могут быть запущены только в присутствии мощного катализатора, например неких неизвестных ещё минералов, сообщают исследователи в пресс-релизе Лаборатории реактивного движения. И хотя бритва Оккама заставляет выдвигать биологическую версию в последнюю очередь, открытие ранее предсказанных аномалий для сторонников внеземной жизни — оптимистичный сигнал.
Титан — настоящая кладовая органики . Вот ещё одно подтверждение: на поверхности не найден водяной лёд, хотя он там должен быть. Объяснение: из атмосферы постоянно выпадает столь много органических соединений, что они укрывают лёд слоем от нескольких миллиметров до сантиметров (это на суше, а глубина озёр ещё точно не известна). В частности, приборы обнаружили на поверхности Титана бензол и ещё один сложный углеводород, пока неопознанный.
Результаты исследований по ацетилену и водороду Титана опубликованы соответственно в
Может ли на крупном спутнике Сатурна Титане быть жизнь? Этот вопрос заставляет астробиологов и химиков осторожно и творчески подходить к химии жизни, которая может отличаться от той, к которой мы привыкли здесь, на Земле. В феврале группа ученых Корнелльского университета, включая химика-инженера Джеймса Стевенсона, планетолога Джонатана Лунина и химика-инженера Паулетт Клэнси, опубликовала прорывное исследование, из которого вытекает, что в экзотических химических условиях этой замечательной луны могли образоваться клеточные мембраны.
Во многих отношениях Титан - близнец Земли. Это второй по величине спутник в Солнечной системе, он больше планеты Меркурий. Как и Земля, Титан обладает существенной атмосферой, давление которой на поверхности немного ниже земного. Помимо Земли, Титан является единственным объектом нашей Солнечной системы, который накапливает жидкость на поверхности. Космический зонд NASA «Кассини» обнаружил обильные озера и даже реки в полярных регионах Титана. Крупнейшее озеро, или море, море Кракена, больше Каспийского моря на Земле. Ученые знают, как по наблюдениям аппарата, так и по лабораторным экспериментам, что атмосфера Титана богата сложными органическими молекулами, которые являются строительными кирпичиками жизни.
После ознакомления с этими особенностями, начинает казаться, что Титан невероятно подходит для жизни. Название «Кракен», которое отсылает к легендарному морскому чудовищу, причудливо отражает нетерпеливые надежды астробиологов. Но Титан - это злой близнец Земли. Будучи почти в десять раз дальше от Солнца, чем Земля, на поверхности он не прогревается совсем: температура устойчиво держится на -180 градусах по Цельсию. Жидкая вода необходима для известной нам жизни, но на поверхности Титана вся вода замерзла напрочь. Водяной лед берет на себя роль, которая на Земле отведена богатым кремнием породам, составляя внешние слои коры спутника.
Жидкость, которая наполняет моря и реки Титана, - это не вода, а жидкий метан, возможно, смешанный с другими субстанциями вроде жидкого этана, которые на Земле чаще всего присутствуют в газообразном состоянии. Если в морях Титана и есть жизнь, мы с ней не знакомы. Это должна быть инопланетная форма жизни, с органическими молекулами, растворенными в жидком метане, а не в жидкой воде. Возможно ли это вообще?
Ученые Корнелльского университета отвели изучению этого вопроса важную роль: они исследовали, могут ли клеточные мембраны существовать в жидком метане. Каждая живая клетка является, по существу, самоподдерживающейся сетью химических реакций, содержащихся в пределах мембран. Ученые думают, что клеточные мембраны образовались очень рано в истории Земли, а их образование вообще могло было быть первым шагом в происхождении жизни.
Здесь, на Земле, клеточные мембраны известны нам по урокам биологии. Они состоят из крупных молекул - фосфолипидов. У каждой молекулы фосфолипида есть «голова» и «хвост». Голова содержит фосфатную группу, атом фосфора, связанный с несколькими атомами кислорода. Хвост состоит из одной или нескольких цепей атомов углерода, обычно от 15 до 20 атомов в длину, с прикрепленными атомами водорода с каждой стороны. Голова из-за отрицательного заряда своей фосфатной группы имеет неравное распределение электрического заряда, мы называем ее полярной. Хвост, с другой стороны, электрически нейтрален.
Эти электрические свойства определяют, как молекулы фосфолипида будут вести себя, будучи растворенными в воде. Электрически говоря, вода - полярная молекула. Электроны в молекуле воды сильнее притягиваются к атому кислорода, чем к двум атомам водорода. Таким образом, сторона молекулы, где два атома водорода, имеет слабый положительный заряд, а та сторона, где кислород, имеет слабый отрицательный заряд. Эти полярные свойства воды приводят к тому, что она притягивает полярную голову молекулы фосфолипида, которая гидрофильна, и отталкивает ее неполярный хвост, который гидрофобный.
Когда молекулы фосфолипидов растворяются в воде, электрические свойства двух этих веществ работают совместно, заставляя молекулы фосфолипидов организовываться в мембраны. Эта мембрана закрывает себя в небольшую сферу, называемую липосомой. Молекулы фосфолипидов образуют бислой толщиной в две молекулы. Полярные гидрофильные головки обращены наружу по направлению к воде, изнутри и снаружи мембраны. Гидрофобные хвосты зажаты между, направленные друг на друга. В то время как молекулы фосфолипидов остаются зафиксированными в своем слое, а их головки обращены наружу, хвосты внутрь, они могут двигаться относительно друг друга, обеспечивая мембрану гибкостью жидкости, необходимой для жизни.
Фосфолипидные бислойные мембраны являются основой всех клеточных мембран на Земле. Липосомы могут расти, размножаться и осуществлять определенные химические реакции, необходимые для жизни, поэтому некоторые биохимики считают, что образование липосом, возможно, было первым важным шагом в направлении жизни. В любом случае формирование клеточных мембран, безусловно, является одним из первых шагов к появлению жизни на Земле.
Если на Титане существует какая-нибудь форма жизни, будь то морское чудовище или (что более вероятно) микроб, оно почти наверняка будет обладать клеточными мембранами, как и каждое живое существо на Земле. Могут ли фосфолипидные бислойные мембраны образоваться в жидком метане Титана? Ответ: нет. В отличие от воды, молекула метана имеет равномерное распределение электрических зарядов. Ей не хватает полярных качеств воды, поэтому она не может притягивать полярные головки молекул фосфолипида. Это притяжение необходимо, чтобы образовать мембрану земного типа.
Проводились эксперименты, в ходе которых фосфолипиды растворяли в неполярных жидкостях при обычной комнатной температуре. В таких условиях фосфолипиды образуют два слоя вывернутых наизнанку мембран. Полярные головки молекул фосфолипида находятся в центре, притягиваясь друг к другу электрическими зарядами. Неполярные хвосты обращены наружу на каждой стороне вывернутой наизнанку мембраны, встречая неполярный растворитель.
Может ли жизнь на Титане развиваться с вывернутой наизнанку фосфолипидной мембраной? Корнелльские ученые пришли к выводу, что нет, по двум причинам. Первая в том, что при криогенных температурах жидкого метана хвосты фосфолипидов становятся жесткими, лишая вывернутую мембрану гибкости, необходимой для жизни. Вторая в том, что два ключевых ингредиента фосфолипидов, фосфор и кислород, вряд ли доступны в метановых озерах Титана. В поисках клеточных мембран Титана корнелльская команда должна была выйти за пределы школьного курса биологии.
И хотя она не будет состоять из фосфолипидов, ученые посчитали, что любая клеточная мембрана Титана будет, тем не менее, похожей на вывернутую наизнанку фосфолипидную мембрану, созданную в лаборатории. Она будет состоять из полярных молекул, цепляющихся вместе электрически в растворе неполярного жидкого метана. Какими могли бы быть эти молекулы? Для ответа ученые изучили данные космического аппарата «Кассини» и лабораторных экспериментов по воспроизводству химии атмосферы Титана.
Атмосфера Титана, как известно, имеет очень сложную химию. Она состоит по большей части из азота и газообразного метана. Когда космический аппарат «Кассини» проанализировал ее состав с помощью спектроскопии, он нашел следы различных соединений углерода, азота и водорода, нитрилы и амины. Ученые смоделировали химию атмосферы Титана в лаборатории, подвергая смеси азота и метана источникам энергии, имитирующих солнечный свет на Титане. Образовалась тушенка из органических молекул под названием «толины». Они состоят из соединений водорода и углерода (углеводородов), нитрилов и аминов.
Корнелльские ученые увидели в нитрилах и аминах потенциальных кандидатов на клеточные мембраны Титана. Обе молекулы полярны, могут слипнуться с образованием мембраны в неполярном жидком метане из-за полярности азотсодержащих групп в них. Ученые предположили, что такие молекулы могут быть намного меньше фосфолипидов и образовать жидкие мембраны при температурах жидкого метана. Нитрилы и амины содержали цепи с тремя-шестью атомами углерода. В честь азотсодержащих групп ученые и назвали гипотетический аналог липосомы на Титане: азотосома.
Синтезировать азотосомы для экспериментального исследования было бы трудно и дорого, поскольку эксперимент должен был бы проводиться при криогенных температурах жидкого метана. Но так как молекулы-кандидаты расширенно изучались по другим причинам, ученые Корнелльского университета сочли оправданным обращение к инструментам вычислительной химии для определения того, могут ли их молекулы соединяться как гибкая мембрана в жидком метане. Вычислительные модели успешно используются для изучения обычных фосфолипидных клеточных мембран.
Расчеты группы показали, что некоторые кандидаты среди веществ можно исключить, поскольку они не связываются в мембрану, будут слишком жесткими или образуют твердое вещество. Тем не менее моделирование показало, что ряд веществ будет формировать мембраны с подходящими свойствами. Одно из таких веществ - акрилонитрил, присутствующий в атмосфере Титана, как показал «Кассини», в концентрации 10 частей на миллион. Несмотря на огромную разницу в температурах между криогенными азотосомами и комнатными липосомами, моделирование показало, что они будут обладать на удивление схожими свойствами в плане стабильности и отзывчивости на механические воздействия. Клеточные мембраны, выходит, могут сформировать жизнь в жидком метане.
Ученые из Корнелльского университета отмечают, что их выводы не более чем первый шаг к изучению возможности существования жизни в жидком метане, а также к разработке методов, которые понадобятся будущим космическим аппаратам для поиска ее на Титане. Если жизнь может существовать в жидком метане, последствия такой находки пойдут далеко за пределы Титана.
В поисках условий, пригодных для жизни, в галактике, астрономы обычно ищут экзопланеты в пределах обитаемой зоны звезды, довольно узком диапазоне дистанций, на которых планета с подобной земной атмосферой будет обладать жидкой водой. Если метановая жизнь возможна, звезды также должны иметь метановую потенциально обитаемую зону, область, в которой метан может существовать в жидком состоянии. Число потенциально обитаемых миров в галактике тогда значительно вырастет. Возможно, метановая жизнь эволюционирует в сложные формы, которые нам даже представить страшно. Возможно, какая-то ее часть будет чем-то подобна морским чудовищам.
Ученые предположили существование клеточной мембраны, состоящей из мелких органических соединений азота и способной функционировать в жидком метане при температуре в 292 градуса ниже нуля. Их работа была опубликована 27 февраля в Science Advance, ведущим исследователем стал Паулетт Клэнси, специалист в области химической молекулярной динамики, ее первым автором стал Джеймс Стивенсон, аспирант в области химической инженерии, соавтором работы стал Джонатан Лунин, директор Корнельского центра радиофизики и космических исследований.
Лунин изучает луны Сатурна и был в команде междисциплинарных ученых миссии «Кассини-Гюйгенс», которая обнаружила метан-этановые моря на Титане. Заинтересовавшись возможным существованием жизни на основе метана на Титане, около года назад Лунин обратился к Корнельскому факультету за помощью в создании химической модели. Клэнси согласился помочь.
«Мы не биологи и не астрономы, но у нас были нужные инструменты, - говорит Клэнси. - Может быть, это помогло, потому что у нас не было никаких предубеждений о том, что должно быть в мембране, а чего быть не должно. Мы просто работали с соединениями, которые знали, и задались вопросом: если бы это была наша палитра, что из нее можно было бы сделать?».
Так выглядит 9-нанометровая азотосома
На Земле в основе жизни лежит фосфолипидная двухслойная мембрана, прочная, проницаемая, водянистая везикула, которая удерживает органическое вещество каждой клетки. Везикула, состоящая из такой мембраны, называется липосомой. Многие астрономы ищут внеземную жизнь в так называемых потенциально обитаемых зонах, узких полосах вокруг Солнца, в пределах которых может существовать жидкая вода. Но что, если клетки в своей основе состоят не из воды, а из метана, у которого более низкая температура замерзания?
Инженеры назвали свою гипотетическую клеточную мембрану «азотосомой», от азота. «Липосома» берет начало от греческих слов «lipos» и «soma», которые означают жидкое тело; по аналогии, азотосома означает «азотное тело».
Азотосома состоит из молекул азота, углерода и водорода, которые, как известно, существуют в криогенных морях Титана, но демонстрирует такую же стабильность и гибкость, что и земной аналог - липосома. Это стало неожиданностью для химиков вроде Клэнси и Стивенсона, которые никогда не задумывались о механике клеточной стабильности до этого; чаще они занимаются исследованием полупроводников.
Инженеры использовали метод молекулярной динамики, который ищет кандидаты-компоненты на основе метана, которые могли бы самособираться в мембранные структуры. Наиболее перспективный компонент из обнаруженных - акрилонитрильная азотосома, которая показала хорошую стабильность, сопротивление к распаду и гибкость, присущую фосфолипидным мембранам на Земле. Акрилонитрил - бесцветное, токсичное, жидкое органическое соединение, используемое в производстве акриловых волокон, смол и термопластичных материалов - присутствует в атмосфере Титана.
Обрадованный первыми доказательствами своей концепции, Клэнси заявил, что следующим шагом будет попытка демонстрации, что эти клетки могут уживаться в метановой среде - что должно стать аналогом воспроизводства и метаболизма бескислородных клеток на основе метана.
Лунин надеется на долгосрочную перспективу проверки этих идей на самом Титане, как он сам выразился, «когда мы отправим зонд плавать по морям этой удивительной луны и напрямую опробуем органику».
Стивенсон говорит, что частично вдохновлялся творчеством Айзека Азимова, который написал в 1962 году эссе на тему жизни на безводной основе под названием ‘Not as We Know It’ («Не такая, как мы ее знаем»).
“Голливуду пришлось бы повозиться с такими пришельцами”, - считает доктор Уильям Бэйнс, - “направишь на него лазерный луч, и он закипит, затем вспыхнет пламенем, а пары отравят всех в округе. Даже его лёгкое дыхание будет иметь невероятно ужасный запах. Но я полагаю, именно это делает его ещё интереснее. Не правда ли грустно, если все существа, которых мы бы нашли в галактике, были точно такими же, как мы, только голубого цвета и с хвостами?”
Исследование Бэйнса предлагает узнать, с какими сложностями мы можем столкнуться - помимо культуры - если нам когда-либо удастся встретить внеземную жизнь. Могут быть непреднамеренные пагубные последствия для одного из видов или для обоих.
Бэйнс пытается понять, насколько экстремальным может быть химический состав жизни. Жизнь на Титане, самом большом спутнике Сатурна, представляет один из самых необычных сценариев для исследования. Благодаря снимкам, полученным в рамках космической программы Кассини/Гюйгенс, Титан может выглядеть похожим на Землю, и может быть даже гостеприимным. Но его атмосфера состоит из плотного ледяного оранжевого смога. На расстоянии в десять раз дальше от Солнца это довольно прохладное местечко с температурой -180 градусов Цельсия. Вода там постоянно находится в состоянии льда, а единственная имеющаяся жидкость - метан и этан.
Таким образом, вместо жизни, зависящей от воды, жизнь на Титане может быть основана на метане.
Для жизни необходима жидкость, даже растение самой сухой пустыни на Земле нуждается в воде для протекания метаболизма. Итак, если бы на Титане существовала жизнь, в ней должна была бы быть кровь на основе жидкого метана, а не воды. Это означает, что весь её химический состав должен быть совершенно иной. Молекулы должны состоять из большего разнообразия элементов, чем в нашем случае, но размер их может быть меньше. Плюс больше химических реакций, считает Бэйнс.
Земная жизнь основана приблизительно на 700 молекулах, но чтобы найти те самые 700, надо полагать, нужно уметь произвести 10 миллионов и больше. Суть не в том, сколько молекул можно произвести, а в том, можно ли получить тот самый состав, необходимый для протекания метаболизма.
Бэйнс сравнивает этот процесс с попыткой найти кусочки дерева на складе пиломатериалов, чтобы получился стол.
“Теоретически нужно всего 5”, - объясняет Бэйнс, - “но ваш склад может быть полон обрезков, и вы так и не найдёте те самые нужные пять деталей, которые подойдут друг к другу. Поэтому, необходим потенциал для создания большего количества молекул, чем фактически нужно. Таким образом, 6-атомные химические вещества на Титане должны включать более многообразные типы связей и возможно более разнообразные элементы, включая серу и фосфор в иных и более нестабильных (для нас) формах, а также другие элементы, такие как кремний”.
Энергия - ещё один фактор, влияющий на тип жизни, которая могла бы развиться на Титане. С учётом того, что интенсивность солнечного света на поверхности Титана в десять раз ниже, чем на Земле, очевидно, что энергия там в дефиците.
Быстрому движению или росту необходимо большое количество энергии, поэтому теоретически возможны медленнорастущие лишайникоподобные организмы, но велоцирапторы скорее всего исключены.
Какой бы ни была жизнь на Титане, по крайней мере мы знаем, что Парка Юрского Периода мы точно не увидим.
