Это перевод статьи Пола Паттона, опубликованной на сайте www.universetoday.com.
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 самый большой 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.
Ссылки:
N. Atkinson (2010) Alien Life on Titan? Hang on Just a Minute, Universe Today.
N. Atkinson (2010) Life on Titan Could be Smelly and Explosive, Universe Today.
M. L. Cable, S. M. Horst, R. Hodyss, P. M. Beauchamp, M. A. Smith, P. A. Willis, (2012) Titan tholins: Simulating Titan organic chemistry in the Cassini-Huygens era, Chemical Reviews, 112:1882-1909.
E. Howell (2014) Titan’s Majestic Mirror-Like Lakes Will Come Under Cassini’s Scrutiny This Week, Universe Today.
J. Major (2013) Titan’s North Pole is Loaded With Lakes, Universe Today.
C. P. McKay, H. D. Smith, (2005) Possibilities for methanogenic life in liquid methane on the surface of Titan, Icarus 178: 274-276.
J. Stevenson, J. Lunine, P. Clancy, (2015) Membrane alternatives in worlds without oxygen: Creation of an azotosome, Science Advances 1(1):e1400067.
S. Oleson (2014) Titan submarine: Exploring the depths of Kraken, NASA Glenn Research Center, Press release.
Cassini Solstice Mission, NASA Jet Propulsion Laboratory
NASA and ESA celebrate 10 years since Titan landing, NASA 2015
Автор: Oroszorszag
