Наука и Техника

Наука И Техника
7 октября 2015

Какого рода жизнь мы могли бы найти на Титане?

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.