Чи може існувати життя на великому Місячному титані Сатурна? Задаючи питання, змушує астробіологів і хіміків ретельно і творчо замислюватися про хімію життя, і як це може бути інакше в інших світах, ніж це на Землі. У лютому команда дослідників з Корнельського університету, включаючи аспіранта з хімічної інженерії Джеймса Стівенсона, планетарного вченого Джонатана Луніна та інженера-хіміка Паулетта Клансі, опублікувала новаторське дослідження, стверджуючи, що клітинні мембрани можуть утворюватися в екзотичних хімічних умовах, присутніх на цьому чудовому Місяці .
Багато в чому Титан - близнюк Землі. Це другий за величиною Місяць у Сонячній системі і більший за планету Меркурій. Як і на Землі, вона має значну атмосферу, поверхневий атмосферний тиск трохи вище, ніж у Землі. Окрім Землі, Титан - єдиний об’єкт у нашій Сонячній системі, який, як відомо, накопичує рідину на своїй поверхні. Космічний зонд НАСА Кассіні виявив великі озера і навіть річки в полярних регіонах Титану. Найбільше озеро, або море, яке називається Кракен-Маре, є більшим, ніж Каспійське море Землі. Як спостереження космічних кораблів, так і лабораторні експерименти, дослідники знають, що атмосфера Титана багата складними органічними молекулами, які є будівельними елементами життя.
Усі ці особливості можуть здатися, що Титан відчутно придатний для життя. Назва «Кракен», яка відноситься до легендарного морського монстра, вигадливо відображає нетерплячі сподівання астробіологів. Але Титан - інопланетний близнюк Землі. Будучи майже в десять разів далі від Сонця, ніж Земля, температура його поверхні - фригідна -180 градусів Цельсія. Рідка вода є життєво важливою для життя, як ми її знаємо, але на поверхні Титану вся вода замерзла твердою. Водяний лід бере на себе ту роль, яку містять кремній на Землі, складаючи зовнішні шари кори.
Рідина, яка заповнює озера і річки Титану, - це не вода, а рідкий метан, ймовірно, змішаний з іншими речовинами, такими як рідкий етан, і все це гази тут на Землі. Якщо в морях Титану є життя, це не життя, як ми його знаємо. Це має бути чужорідна форма життя, з органічними молекулами, розчиненими в рідкому метані замість рідкої води. Чи таке таке можливо навіть?
Команда Корнелла взяла одну з ключових частин цього складного питання, дослідивши, чи можуть існувати клітинні мембрани в рідкому метані. Кожна жива клітина, по суті, є самоокупною мережею хімічних реакцій, що міститься в обмежуючих мембранах. Вчені вважають, що клітинні мембрани виникли дуже рано в історії життя на Землі, і їх утворення може бути навіть першим кроком у виникненні життя.
Тут на Землі клітинні мембрани такі ж звичні, як і середній клас біології. Вони складаються з великих молекул під назвою фосфоліпіди. Кожна фосфоліпідна молекула має «голову» та «хвіст». Головка містить фосфатну групу, з атомом фосфору, пов'язаним з декількома атомами кисню. Хвіст складається з однієї або декількох струн атомів вуглецю, як правило, довжиною від 15 до 20 атомів, з атомами водню, пов'язаними з кожного боку. Голова через негативний заряд своєї фосфатної групи має нерівномірний розподіл електричного заряду, і ми говоримо, що вона полярна. Хвіст, з іншого боку, електрично нейтральний.
Ці електричні властивості визначають, як поводяться молекули фосфоліпідів при їх розчиненні у воді. Електрично кажучи, вода - полярна молекула. Електрони в молекулі води сильніше притягуються до її атома кисню, ніж до двох його атомів водню. Отже, сторона молекули, де є два атоми водню, має невеликий позитивний заряд, а сторона кисню має невеликий негативний заряд. Ці полярні властивості води призводять до того, що вона притягує полярну головку фосфоліпідної молекули, яка, як кажуть, гідрофільну, і відштовхує її неполярний хвіст, який, як кажуть, гідрофобний.
Коли молекули фосфоліпідів розчиняються у воді, електричні властивості двох речовин працюють разом, щоб змусити молекули фосфоліпідів організуватися в мембрану. Мембрана закривається на себе в маленьку сферу, яку називають ліпосомою. Молекули фосфоліпідів утворюють двошаровий товщиною дві молекули. Полярні гідрофільні голови спрямовані назовні до води як на внутрішній, так і на зовнішній поверхні мембрани. Гідрофобні хвости просочені між собою, зверненими один до одного. Поки молекули фосфоліпідів залишаються нерухомими у своєму шарі, їх голови звернені назовні, а хвостики звернені до них, вони все ще можуть рухатися навколо, надаючи мембрані гнучкість рідини, необхідну для життя.
Фосфоліпідні двошарові мембрани є основою всіх мембран наземних клітин. Навіть сама по собі ліпосома може рости, розмножуватися та допомагати певним важливим для життя хімічним реакціям, саме тому деякі біохіміки вважають, що утворення ліпосом могло бути першим кроком до життя. У будь-якому разі, формування клітинних мембран, безумовно, повинно бути першим кроком у виникненні життя на Землі.
Якщо на Титані існує якась форма життя, будь то морський монстр чи (швидше за все, мікроб), майже напевно потрібно мати клітинні мембрани, як і все живе на Землі. Чи можуть фосфоліпідні двошарові мембрани утворюватись у рідкому метані на Титані? Відповідь - ні. На відміну від води, молекула метану має рівномірний розподіл електричних зарядів. Воно не має полярних якостей води, і тому не могло б залучити полярні головки фосфоліпідної молекули. Ця атракція необхідна фосфоліпідам для формування клітинної мембрани Землі.
Проведені експерименти, коли фосфоліпіди розчиняються в неполярних рідинах при земній кімнатній температурі. За цих умов фосфоліпіди утворюють двошарову мембрану «всередину». Полярні головки молекул фосфоліпідів знаходяться в центрі, притягуються одна до одної своїми електричними зарядами. Неполярні хвости виводяться назовні на кожну сторону мембрани, що виходить назовні, зверненою до неполярного розчинника.
Чи може життя титанів мати внутрішню фосфоліпідну мембрану? Команда Корнеля зробила висновок, що це не вийде з двох причин. Перший полягає в тому, що при кріогенних температурах рідкого метану хвости фосфоліпідів стають жорсткими, позбавляючи будь-якої мембрани, що виходить зсередини, яка може формувати гнучкість рідини, необхідну для життя. Другий - два ключові інгредієнти фосфоліпідів; фосфор і кисень, ймовірно, недоступні в метанових озерах Титану. Шукаючи клітинні мембрани Титану, команді Корнелла потрібно було дослідити понад звичну область біології середньої школи.
Хоча він не складається з фосфоліпідів, вчені стверджували, що будь-яка титанова клітинна мембрана все-таки буде схожа на фосфоліпідні мембрани зсередини, створені в лабораторії. Він складався з полярних молекул, що електрично злипаються між собою в розчині неполярного рідкого метану. Які молекули це можуть бути? Для відповіді дослідники шукали дані космічного корабля Кассіні та лабораторних експериментів, що відтворювали хімію атмосфери Титана.
Атмосфера Титана, як відомо, має дуже складну хімію. Він виготовлений здебільшого з азоту та метану. Коли космічний апарат Кассіні проаналізував його склад за допомогою спектроскопії, він виявив сліди різних сполук вуглецю, азоту та водню, які називаються нітрилами та амінами. Дослідники моделювали хімію атмосфери Титану в лабораторії, піддаючи суміші азоту та метану джерелам енергії, що імітують сонячне світло на Титані. Утворюється тушкована речовина органічних молекул під назвою «толіни». Він складається з сполук водню та вуглецю, званих вуглеводнями, а також нітрилів та амінів.
Корнельські дослідники розглядали нітрили та аміни як потенційних кандидатів для їх клітинних мембран Титану. Обидві є полярними молекулами, які можуть злипатися, утворюючи мембрану в неполярному рідкому метані через полярність азотовмісних груп, що знаходяться в обох. Вони мотивували, що молекули-кандидати повинні бути набагато меншими, ніж фосфоліпіди, щоб вони могли утворювати мембрани рідини при температурі рідкого метану. Вони вважали нітрили та аміни, що містять струни між трьома та шістьма атомами вуглецю. Групи, що містять азот, називаються групами «азото», тому команда назвала свого гіпотетичного титанського аналога ліпосоми «азотосомою».
Синтезувати азотосоми для експериментального дослідження було б складно і дорого, оскільки експерименти потрібно було б проводити при кріогенних температурах рідкого метану. Але оскільки молекули-кандидати широко вивчалися з інших причин, дослідники Корнелла вважали виправданим звернутися до інструментів обчислювальної хімії, щоб визначити, чи можуть їх молекули-кандидати коефіцієнтуватися як гнучка мембрана в рідкому метані. Обчислювальні моделі успішно використовуються для вивчення звичайних фосфоліпідних клітинних мембран.
Обчислювальні моделювання групи показали, що деякі речовини-кандидати можуть бути виключені, оскільки вони не зв'язуються як мембрана, будуть занадто жорсткими або утворюватимуть тверду речовину. Тим не менше, моделювання також показало, що ряд речовин утворює мембрани з відповідними властивостями. Одне підходяще речовина - це акрилонітрил, який, як показав Кассіні, присутній в атмосфері Титана в концентрації 10 частин на мільйон. Незважаючи на величезну різницю температур між кріогенними азотозомами та ліпосомами кімнатної температури, моделювання показало, що вони демонструють разюче подібні властивості стійкості та реакції на механічні навантаження. Таким чином, клітинні мембрани можливі для життя в рідкому метані.
Вчені з Корнелла розглядають їх результати як не що інше, як перший крок до того, щоб показати, що життя в рідкому метані є можливим, і до розробки методів, яким майбутнім космічним апаратом знадобиться його шукати на Титані. Якщо життя можливе в рідкому метані, наслідки в кінцевому рахунку поширюються далеко за Титан.
Шукаючи умов, придатних для життя в галактиці, астрономи, як правило, шукають екзопланети в зоні проживання зірки, визначені як вузький діапазон відстаней, на якому планета з атмосферою Землі має температуру поверхні, придатну для рідкої води. Якщо життя метану є можливим, то зірки також мали б метогенну зону, область, де метан міг би існувати як рідина на планеті чи місяці, що робить життя метану можливим. Кількість заселених світів у галактиці було б значно збільшено. Можливо, в деяких світах життя метану розвивається в складні форми, які ми навряд чи можемо собі уявити. Можливо, деякі з них навіть трохи схожі на морських монстрів.
Посилання та додаткове читання:
Н. Аткінсон (2010) Чуже життя на Титані? Зачекайте всього хвилину, космічний журнал.
Н. Аткінсон (2010) Життя на "Титані" може бути смердючим і вибухонебезпечним, космічний журнал.
М. Л. Кейбл, С. М. Хорст, Р. Ходісс, П. Бошамп, М. А. Сміт, П. Вілліс, (2012 р.) «Титан Толін: Моделювання органічної хімії Титану в епоху Кассіні-Гюйгенса, Хімічні огляди, 112: 1882-1909.
Е. Хоуелл (2014) Величні дзеркальні озера Титана потраплять під огляд Кассіні цього тижня, космічний журнал.
Дж. Майор (2013) Північний полюс Титана завантажений озерами, космічний журнал.
C. P. McKay, H. D. Smith, (2005) Можливості метаногенного життя в рідкому метані на поверхні Титана, Ікар 178: 274-276.
J. Stevenson, J. Lunine, P. Clancy, (2015) Мембранні альтернативи у світах без кисню: Створення азотосоми, Science Advances 1 (1): e1400067.
S. Oleson (2014) підводний човен "Титан": Дослідження глибин Кракена, Науково-дослідний центр NASA Glenn, прес-реліз.
Місія "Солнцестояння Кассіні", лабораторія реактивного руху НАСА
NASA та ESA відзначають 10 років з моменту висадки "Титану", NASA 2015
