Жизнь на титане может быть зловонной и взрывной. Живёт ли кракен в Море Кракена? Какие формы жизни мы могли бы найти на Титане? Возможность обитания под поверхностью

Или воды.

Некоторые модели показывают, что Титан может поддерживать существование «инвертированных» полупроницаемых мембран на основе акрилонитрила в жидкой неполярной метан-этановой смеси на его поверхности , однако в условиях, при которых метан-этановая смесь существует в жидком состоянии, все молекулы крупнее и полярнее акрилонитрила неизбежно кристаллизуются - ввиду гораздо большей силы связи между полярными молекулами (на этом принципе основано фракционирование углеводородов и спиртовое осаждение нуклеиновых кислот). В то же время в данной среде наблюдаются сложные химические процессы избирательного обмена и накопления ряда веществ, что является предметом широких дискуссий в сообществе планетологов, в том числе и в NASA . Атмосфера Титана плотная, химически активная и богата органическими соединениями; эти факты подтолкнули учёных на дополнительные предположения о наличии жизни или предпосылок к жизни, особенно в верхних слоях атмосферы . Его атмосфера также содержит водород , а метан может сочетаться с некоторыми из органических соединений (например, с ацетиленом) для получения энергии и развития жизни .

Температура в прошлом [ | ]

В 1970-х годах астрономы обнаружили неожиданно высокие уровни инфракрасных выбросов от Титана. Одним из возможных объяснений этого было то, что поверхность Титана была теплее, чем ожидалось, из-за парникового эффекта. Некоторые оценки температуры поверхности даже приближаются к температуре в прохладных регионах Земли . Существовало, однако, ещё одно возможное объяснение для инфракрасного излучения: на поверхности было очень холодно, но верхняя атмосфера нагревалась за счёт поглощения ультрафиолетового света молекулами этана , этилена и ацетилена .

Температура в будущем [ | ]

Титан может стать значительно теплее в будущем. Через шесть миллиардов лет, когда Солнце станет красным гигантом, температура на поверхности Титана может увеличиться до 200 К (-70° С) [ ] , что достаточно для существования стабильного океана из водно-аммиачной смеси на его поверхности. Эти условия могут создать приятную среду для экзотических форм жизни и будут сохраняться в течение нескольких сотен миллионов лет. Этого времени достаточно для зарождения относительно простой жизни.

Отсутствие воды на поверхности спутника в жидком состоянии [ | ]

Видимое отсутствие жидкой воды на поверхности Титана было процитировано NASA как аргумент против жизни на спутнике. По словам агентства, вода имеет важное значение не только как «растворитель для жизни, которую мы знаем», но и потому, что это «однозначно подходит для содействия самоорганизации органических веществ» .

Формирование сложных молекул [ | ]

Возможность обитания под поверхностью [ | ]

Моделирование привело к предположению, что на Титане существует достаточно органических веществ для начала химической эволюции аналогично тому, что, как полагают, началось на Земле . Хотя аналогия предполагает наличие жидкой воды на более длительные сроки, чем наблюдаемые в настоящее время, все же несколько теорий предполагают, что жидкая вода из последствий может быть сохранена в мёрзлом слое изоляции. Теплообмен между внутренними и верхними слоями будет иметь решающее значение для сохранения какой-либо группы жизни. Обнаружение микробной жизни на Титане во многом будет зависеть от этих биогенных факторов.

Кроме того, было отмечено, что жидкие океаны аммиака или даже воды могут существовать глубоко ниже поверхности. Мощное приливное действие Сатурна может привести к разогреву ядра и поддержанию достаточно высокой температуры для существования жидкой воды . Сравнение снимков «Кассини » за 2005 и 2007 годы показало, что детали ландшафта сместились примерно на 30 км. Поскольку Титан всегда повёрнут к Сатурну одной стороной, такой сдвиг может объясняться тем, что ледяная кора отделена от основной массы спутника глобальной жидкой прослойкой .

Предполагается, что в воде содержится значительное количество аммиака (около 10 %), который действует на воду как антифриз , то есть понижает температуру её замерзания. В сочетании с высоким давлением, оказываемым корой спутника, это может являться дополнительным условием существования подповерхностного океана .

Согласно данным, обнародованным в конце июня 2012 года и собранным ранее КА «Кассини», под поверхностью Титана (на глубине около 100 км) действительно должен находиться океан, состоящий из воды с возможным небольшим количеством солей . В результатах нового исследования, опубликованных в 2014 году и основанных на гравитационной карте спутника, построенной на основании данных, собранных «Кассини », учёные высказали предположение, что жидкость в океане спутника Сатурна отличается повышенной плотностью и экстремальной соленостью. Скорее всего, она представляет собой в состав которого входят соли, содержащие натрий, калий и серу. Кроме того, в разных районах спутника глубина океана варьируется - в одних местах вода промерзает, изнутри наращивая ледяную корку, покрывающую океан, и слой жидкости в этих местах практически не сообщается с поверхностью Титана. Сильная солёность подповерхностного океана делает практически невозможным существование в нём жизни.

Обитание в жидких озёрах [ | ]

Кроме того, было высказано предположение, что жизнь может существовать в жидких метане и этане на поверхности Титана, которые имеют форму рек и озёр, так же, как организмы на Земле живут в воде. Такие существа использовали бы H 2 вместо O 2 и реагировали с ацетиленом вместо глюкозы , и производили бы метан, а не углекислый газ .

Растворители [ | ]

Существует дискуссия об эффективности метана в качестве растворителя для жизни по сравнению с водой: вода является более мощным растворителем, чем метан, что позволяет ей легче переносить вещество в клетку, но меньшая химическая реактивность метана позволяет ему легче образовывать крупные структуры, например белки и им подобные.

Другое предположение состоит в том, что организмы, живущие в среде жидкого метана или этана, могут использовать различные соединения в качестве растворителя. Например, фосфин (PH 3) и простые соединения фосфора и водорода. Как вода и аммиак, фосфин имеет полярность, но он существует в виде жидкости при более низких температурах, чем аммиак или вода. В жидком этане фосфин имеет форму отдельных капель, а это означает, что ячейкоподобные структуры могли бы существовать без клеточных мембран.

Результаты исследований [ | ]

Панспермия [ | ]

Были предложены и альтернативные объяснения для гипотетического существования жизни на Титане: если жизнь и существует на Титане, то было бы статистически вероятно, что произошла она от Земли или от другой планеты и появилась независимо в ходе процесса, известного как панспермия . Было предположено, что астероиды и кометы могли занести туда жизнь. Но с другой стороны, любому живому существу, попавшему в криогенные углеводородные озёра Титана, необходимо было бы приспособиться к столь сложным условиям жизни, что является весьма маловероятным.

См. также [ | ]

Примечания [ | ]

1. Живёт ли кракен в Море Кракена? Какие формы жизни мы могли бы найти на Титане? (неопр.) . geektimes.ru. Проверено 18 ноября 2015.
2. Что потребляет водород и ацетилен на Титане? (англ.)

Или воды.

Некоторые модели показывают, что Титан может поддерживать существование «инвертированных» полупроницаемых мембран на основе акрилонитрила в жидкой неполярной метан-этановой смеси на его поверхности , однако в условиях, при которых метан-этановая смесь существует в жидком состоянии, все молекулы крупнее и полярнее акрилонитрила неизбежно кристаллизуются - ввиду гораздо большей силы связи между полярными молекулами (на этом принципе основано фракционирование углеводородов и спиртовое осаждение нуклеиновых кислот). В то же время в данной среде наблюдаются сложные химические процессы избирательного обмена и накопления ряда веществ, что является предметом широких дискуссий в сообществе планетологов, в том числе и в NASA . Атмосфера Титана плотная, химически активная и богата органическими соединениями; эти факты подтолкнули учёных на дополнительные предположения о наличии жизни или предпосылок к жизни, особенно в верхних слоях атмосферы . Его атмосфера также содержит водород , а метан может сочетаться с некоторыми из органических соединений (например, с ацетиленом) для получения энергии и развития жизни .

Температура в прошлом

В 1970-х годах астрономы обнаружили неожиданно высокие уровни инфракрасных выбросов от Титана. Одним из возможных объяснений этого было то, что поверхность Титана была теплее, чем ожидалось, из-за парникового эффекта. Некоторые оценки температуры поверхности даже приближаются к температуре в прохладных регионах Земли . Существовало, однако, ещё одно возможное объяснение для инфракрасного излучения: на поверхности было очень холодно, но верхняя атмосфера нагревалась за счёт поглощения ультрафиолетового света молекулами этана , этилена и ацетилена .

Температура в будущем

Титан может стать значительно теплее в будущем. Через шесть миллиардов лет, когда Солнце станет красным гигантом, температура на поверхности Титана может увеличиться до 200 К (-70° С) [ ] , что достаточно для существования стабильного океана из водно-аммиачной смеси на его поверхности. Эти условия могут создать приятную среду для экзотических форм жизни и будут сохраняться в течение нескольких сотен миллионов лет. Этого времени достаточно для зарождения относительно простой жизни.

Отсутствие воды на поверхности спутника в жидком состоянии

Видимое отсутствие жидкой воды на поверхности Титана было процитировано NASA как аргумент против жизни на спутнике. По словам агентства, вода имеет важное значение не только как «растворитель для жизни, которую мы знаем», но и потому, что это «однозначно подходит для содействия самоорганизации органических веществ» .

Формирование сложных молекул

Возможность обитания под поверхностью

Моделирование привело к предположению, что на Титане существует достаточно органических веществ для начала химической эволюции аналогично тому, что, как полагают, началось на Земле . Хотя аналогия предполагает наличие жидкой воды на более длительные сроки, чем наблюдаемые в настоящее время, все же несколько теорий предполагают, что жидкая вода из последствий может быть сохранена в мёрзлом слое изоляции. Теплообмен между внутренними и верхними слоями будет иметь решающее значение для сохранения какой-либо группы жизни. Обнаружение микробной жизни на Титане во многом будет зависеть от этих биогенных факторов.

Кроме того, было отмечено, что жидкие океаны аммиака или даже воды могут существовать глубоко ниже поверхности. Мощное приливное действие Сатурна может привести к разогреву ядра и поддержанию достаточно высокой температуры для существования жидкой воды . Сравнение снимков «Кассини » за 2005 и 2007 годы показало, что детали ландшафта сместились примерно на 30 км. Поскольку Титан всегда повёрнут к Сатурну одной стороной, такой сдвиг может объясняться тем, что ледяная кора отделена от основной массы спутника глобальной жидкой прослойкой .

Предполагается, что в воде содержится значительное количество аммиака (около 10 %), который действует на воду как антифриз , то есть понижает температуру её замерзания. В сочетании с высоким давлением, оказываемым корой спутника, это может являться дополнительным условием существования подповерхностного океана .

Согласно данным, обнародованным в конце июня 2012 года и собранным ранее КА «Кассини», под поверхностью Титана (на глубине около 100 км) действительно должен находиться океан, состоящий из воды с возможным небольшим количеством солей . В результатах нового исследования, опубликованных в 2014 году и основанных на гравитационной карте спутника, построенной на основании данных, собранных «Кассини », учёные высказали предположение, что жидкость в океане спутника Сатурна отличается повышенной плотностью и экстремальной соленостью. Скорее всего, она представляет собой рассол в состав которого входят соли, содержащие натрий, калий и серу. Кроме того, в разных районах спутника глубина океана варьируется - в одних местах вода промерзает, изнутри наращивая ледяную корку, покрывающую океан, и слой жидкости в этих местах практически не сообщается с поверхностью Титана. Сильная солёность подповерхностного океана делает практически невозможным существование в нём жизни.

Обитание в жидких озёрах

Кроме того, было высказано предположение, что жизнь может существовать в жидких метане и этане на поверхности Титана, которые имеют форму рек и озёр, так же, как организмы на Земле живут в воде. Такие существа использовали бы H 2 вместо O 2 и реагировали с ацетиленом вместо глюкозы , и производили бы метан, а не углекислый газ .

Растворители

Существует дискуссия об эффективности метана в качестве растворителя для жизни по сравнению с водой: вода является более мощным растворителем, чем метан, что позволяет ей легче переносить вещество в клетку, но меньшая химическая реактивность метана позволяет ему легче образовывать крупные структуры, например белки и им подобные.

Другое предположение состоит в том, что организмы, живущие в среде жидкого метана или этана, могут использовать различные соединения в качестве растворителя. Например, фосфин (PH 3) и простые соединения фосфора и водорода. Как вода и аммиак, фосфин имеет полярность, но он существует в виде жидкости при более низких температурах, чем аммиак или вода. В жидком этане фосфин имеет форму отдельных капель, а это означает, что ячейкоподобные структуры могли бы существовать без клеточных мембран.

Результаты исследований

Панспермия

Были предложены и альтернативные объяснения для гипотетического существования жизни на Титане: если жизнь и существует на Титане, то было бы статистически вероятно, что произошла она от Земли или от другой планеты и появилась независимо в ходе процесса, известного как панспермия . Было предположено, что астероиды и кометы могли занести туда жизнь. Но с другой стороны, любому живому существу, попавшему в криогенные углеводородные озёра Титана, необходимо было бы приспособиться к столь сложным условиям жизни, что является весьма маловероятным.

См. также

Примечания

1. Живёт ли кракен в Море Кракена? Какие формы жизни мы могли бы найти на Титане? (неопр.) . geektimes.ru. Дата обращения 18 ноября 2015.
2. Что потребляет водород и ацетилен на Титане? (англ.)
3. Учёные подтвердили существование жидких озёр, и «пляжей» на спутнике Сатурна - Титане (англ.)

Когда ученые говорят о возможности существования жизни за пределами Земли, как правило, их внимания удостаиваются планеты и спутники, на которых есть как минимум три условия для потенциального формирования живых организмов, а именно — тепло, пригодная для жизни атмосфера и вода.

Крупнейший спутник Сатурна — Титан — представляет собой поистине уникальное место. Его атмосферное давление схоже с земным, атмосфера богата азотом (в атмосфере нашей планеты азота более 78%). Титан — единственное место в Солнечной системе (разумеется, за исключением Земли), где идут дожди и образуются туманы.

Кроме того, на Титане есть моря, озера и реки — правда, все они вместо воды содержат жидкий метан и этан.

Возможность существования жизни на Титане обсуждается учеными уже давно. Многие исследователи полагали, что это невозможно, так как Титан сильно удален от Солнца и из-за этого там слишком холодно. Кроме того, атмосфера спутника помимо азота богата еще и ядовитым метаном, а воды на Титане и вовсе нет. Именно поэтому ранее его рассматривали как не слишком подходящее место для зарождения жизни.

Однако последнее исследование группы ученых, возглавляемых Дэвидом Шэллоуэем из Корнелльского университета, показывает, что жизнь на Титане могла сформироваться и в отсутствие жидкой воды — об этом была опубликована в последнем выпуске журнала PNAS.

«Мы привыкли к земным условиям. Наша научная деятельность проходит при комнатной температуре и «тепличных» условиях. Титан — это совсем другое дело», — говорит один из авторов работы Мартин Рам из Корнелльского университета.

Ученые исследовали химический состав спутника Сатурна и пришли к выводу, что присутствующая на Титане синильная кислота (или цианистый водород — его формула HCN) могла создать подходящие условия для появления жизни. Для человека синильная кислота ядовита. Это вещество содержится в табачном дыме, коксовом газе, выделяется при разложении полиуретана. Впрочем, даже в нашем организме синильная кислота может выполнять полезные функции — так, например, ее вырабатывают нейроны для усиления эффективности передачи нервных импульсов, кроме того, она выделяется лейкоцитами и способствует гибели вредных микроорганизмов.

В результате химических реакций, происходящих на Титане, молекулы синильной кислоты HCN способствуют образованию полимеров, в частности полииминов. Полиимины способны поглощать широкий спектр световых лучей — так, что это делает возможным поглощение даже того незначительного количества солнечного света, который проникает сквозь атмосферу Титана. Кроме того, полиимины могут становиться основой для образования аминокислот и нуклеиновых кислот (основ для белков и ДНК). «Органические молекулы, жидкие озера и моря (метановые, не водяные), а также некоторое количество достигающей поверхности солнечной энергии — все это предполагает возможность формирования среды, где может образоваться некая экзотическая форма жизни», — рассказывает один из авторов работы Джонатан Ланин.

«Полиимины могут существовать в виде разнообразных структур и выполнять многие функции даже при низких температурах, а особенно в условиях Титана», — комментирует Мартин Рам. «Полиимины могут принимать форму листка бумаги, — дополняет Джонатан Ланин.

— Они, как кирпичи, могут служить каталитической основой для прохождения первичных химических реакций. Мы также выяснили, что полиимины поглощают свет — там, где атмосфера Титана более прозрачна. Этот свет может служить источником энергии для реакций».

Авторы работы пользовались данными, полученными в ходе миссии «Кассини-Гюйгенс». Этот аппарат, созданный NASA в сотрудничестве с Европейским и Итальянским космическими агентствами, был запущен 15 октября 1997 года. Его целью является изучение Сатурна, его спутников и колец. 14 января 2005 года «Кассини-Гюйгенс» вошел в атмосферу Титана. Изначально миссия была запланирована до 2008 года, но в итоге была продлена до 2017-го.

Результаты анализа проб, собранных космическим аппаратом, позволили ученым провести компьютерное моделирование процессов, в ходе которых оказалось, что полиимин действительно мог бы служить «исходной точкой» на пути зарождения жизни. Кроме того, ученым известно, что «предшественник» полиимина — синильная кислота могла играть существенную роль в процессах зарождения жизни на нашей планете. Результаты этой работы были опубликованы в журнале Nature Chemistry в 2015 году.

Авторы работы подчеркивают, что их выводы являются исключительно теоретическими, а на поверхности Титана не было найдено никаких прямых доказательств того, что на этом спутнике Сатурна когда-либо существовала жизнь — пусть даже и в экзотической, не похожей на земную, форме.

Впрочем, с тем, что метан все-таки может в определенном смысле заменить воду и способствовать появлению определенных форм живых организмов, ученые все же согласны: так, в недавнем интервью «Газете.Ru» Игорь Митрофанов, заведующий отделом ядерной планетологии ИКИ РАН, : «Если мы ничего не найдем на Луне и Марсе, то следующее место, где надо искать жизнь, — в океанах этих спутников (речь идет об Энцеладе и Европе — спутниках Сатурна и Юпитера. — «Газета.Ru»), либо искать формы жизни, основанные не на воде, а, например, на жидком метане».

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.

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.