Есть ли Кракен в Кракен Маре? Какую жизнь мы найдем на Титане?

Может ли быть жизнь на большой луне Сатурна Титане? Задание этого вопроса заставляет астробиологов и химиков тщательно и творчески задуматься о химии жизни и о том, как она может отличаться в других мирах, чем на Земле. В феврале группа исследователей из Корнельского университета, в том числе аспирант-химик Джеймс Стивенсон, ученый-планетатор Джонатан Лунин и инженер-химик Полет Клэнси, опубликовали новаторское исследование, в котором утверждается, что клеточные мембраны могут образовываться в экзотических химических условиях, присутствующих на этой замечательной луне. ,

Во многих отношениях Титан - близнец Земли. Это вторая по величине луна в солнечной системе и больше, чем планета Меркурий. Как и Земля, она имеет существенную атмосферу, а атмосферное давление на поверхности немного выше, чем у Земли. Помимо Земли, Титан - единственный объект в нашей солнечной системе, в котором скопились жидкости на поверхности. Космический зонд Кассини НАСА обнаруженный обильные озера и даже реки в полярных регионах Титана. Самое большое озеро, или море, называется Кракен Маре , больше чем Каспийское море Земли. Исследователи знают из наблюдений космических аппаратов и лабораторных экспериментов, что атмосфера Титана богата сложными органическими молекулами, которые являются строительными блоками жизни.

Все эти особенности могут создать впечатление, что Титан соблазнительно подходит для жизни. Имя ' Kraken ', который относится к легендарному морскому монстру, причудливо отражает страстные надежды астробиологов. Но Титан - близнец Земли. Находясь почти в десять раз дальше от Солнца, чем Земля, температура его поверхности составляет около -180 градусов по Цельсию. Жидкая вода жизненно важна для жизни, как мы ее знаем, но на поверхности Титана вся вода замерзла. Водяной лед берет на себя роль, которую кремнийсодержащие породы играют на Земле, образуя внешние слои коры.

Жидкость, наполняющая озера и реки Титана, - это не вода, а жидкость метан возможно смешанный с другими веществами, такими как жидкость этан все из которых являются газами здесь, на Земле. Если в морях Титана есть жизнь, то это не та жизнь, которую мы знаем. Это должна быть чужеродная форма жизни, с органическими молекулами, растворенными в жидком метане вместо жидкой воды. Это вообще возможно?

Команда Корнелла взялась за одну ключевую часть этого сложного вопроса, исследуя, могут ли клеточные мембраны существовать в жидком метане. Каждая живая клетка, по сути, представляет собой самоподдерживающуюся сеть химических реакций, заключенную в ограничивающие мембраны. Ученые считают, что клеточные мембраны появились очень рано в истории жизни на Земле, и их образование могло бы даже стать первым шагом в зарождении жизни.

Здесь, на Земле, клеточные мембраны так же знакомы, как класс биологии в средней школе. Они сделаны из больших молекул, называемых фосфолипиды , каждый фосфолипид молекула имеет «голову» и «хвост». Голова содержит фосфатную группу с атомом фосфора, связанным с несколькими атомами кислорода. Хвост состоит из одной или нескольких цепочек атомов углерода, обычно длиной от 15 до 20 атомов, с атомами водорода, связанными с каждой стороны. Голова из-за отрицательного заряда ее фосфатной группы имеет неравномерное распределение электрического заряда, и мы говорим, что она полярна. Хвост, с другой стороны, электрически нейтрален.

Хвост, с другой стороны, электрически нейтрален

Здесь, на Земле, клеточные мембраны состоят из молекул фосфолипидов, растворенных в жидкой воде. Фосфолипид имеет основную цепь из атомов углерода (серый), а также содержит водород (голубой), фосфор (желтый), кислород (красный) и азот (синий). Из-за положительного заряда, связанного с азотсодержащей холиновой группой, и отрицательного заряда, связанного с фосфатной группой, головка является полярной и притягивает воду. Поэтому он гидрофильный. Углеводородный хвост является электрически нейтральным и гидрофобным. Структура клеточной мембраны обусловлена ​​этими электрическими свойствами фосфолипидов и воды. Молекулы образуют двойной слой с гидрофильными головками, обращенными наружу, к воде, и гидрофобными хвостами, обращенными внутрь, по направлению друг к другу. Кредит: Тис ван Брюссель

Эти электрические свойства определяют поведение фосфолипидных молекул, когда они растворяются в воды , Говоря электрически, вода - это полярная молекула. Электроны в молекуле воды сильнее притягиваются к ее атому кислорода, чем к двум его атомам водорода. Таким образом, сторона молекулы, где находятся два атома водорода, имеет небольшой положительный заряд, а сторона кислорода имеет небольшой отрицательный заряд. Эти полярные свойства воды заставляют ее притягивать полярный напор молекулы фосфолипида, который, как говорят, является гидрофильным, и отталкивать его неполярный хвост, который, как говорят, является гидрофобным.

Когда молекулы фосфолипидов растворяются в воде, электрические свойства этих двух веществ взаимодействуют, заставляя молекулы фосфолипидов организовываться в мембрану. Мембрана закрывается в небольшую сферу, называемую липосомой. Молекулы фосфолипида образуют бислой толщиной две молекулы. Полярные гидрофильные головки обращены наружу к воде как на внутренней, так и на внешней поверхности мембраны. Гидрофобные хвосты зажаты друг напротив друга. В то время как молекулы фосфолипидов остаются фиксированными в своем слое, их головы обращены наружу, а хвосты обращены внутрь, они все еще могут перемещаться относительно друг друга, обеспечивая мембране гибкость жидкости, необходимую для жизни.

Фосфолипидные двухслойные мембраны являются основой всех наземных клеточных мембран. Даже сама по себе липосома может расти, размножаться и помогать определенным химическим реакциям, важным для жизни, поэтому некоторые биохимики считают, что образование липосом могло быть первым шагом к жизни. В любом случае, формирование клеточных мембран, безусловно, должно было стать первым шагом в появлении жизни на Земле.

Слева вода, состоящая из водорода (H) и кислорода (O), является полярным растворителем. Кислород притягивает электроны сильнее, чем водород, давая водородной стороне молекулы полный положительный заряд, а кислородной стороне - отрицательный заряд. Дельта-символ () указывает на то, что заряд является частичным, то есть меньше полной единицы положительного или отрицательного заряда. Справа метан является неполярным растворителем из-за симметричного распределения атомов водорода (H) вокруг центрального атома углерода (C). Кредит: Джинто в модификации Пола Паттона ,

Если на Титане существует какая-то форма жизни, будь то морской монстр или (более вероятно) микроб, у нее почти наверняка должна быть клеточная мембрана, как и у любого живого существа на Земле. Могут ли фосфолипидные двухслойные мембраны образовываться в жидком метане на Титане? Ответ - нет. В отличие от воды, молекула метана имеет равномерное распределение электрических зарядов. Ему не хватает полярных качеств воды, и поэтому он не может привлечь полярные головки молекулы фосфолипида. Это притяжение необходимо для того, чтобы фосфолипиды образовали клеточную мембрану в стиле Земли.

Были проведены эксперименты, где фосфолипиды растворяются в неполярных жидкостях при комнатной температуре Земли. В этих условиях фосфолипиды образуют двухслойную мембрану «наизнанку». Полярные головки молекул фосфолипидов находятся в центре, притягиваются друг к другу своими электрическими зарядами. Неполярные хвосты обращены наружу с каждой стороны изнутри наружу мембраны и обращены к неполярному растворителю.

Неполярные хвосты обращены наружу с каждой стороны изнутри наружу мембраны и обращены к неполярному растворителю

Слева фосфолипиды растворяются в воде, полярном растворителе. Они образуют двухслойную мембрану с их полярными гидрофильными головками, обращенными наружу к воде, и их гидрофобными хвостами, обращенными друг к другу. Справа, когда фосфолипиды растворяются в неполярном растворителе при комнатной температуре в помещении, они образуют мембрану изнутри наружу, полярные головки притягивают друг друга, а неполярные хвосты обращены наружу к неполярному растворителю. На основании рисунка 2 из Стивенсон, Лунин и Клэнси (2015) , Предоставлено: Пол Паттон

Может ли жизнь Титана иметь наизнанку фосфолипидную мембрану? Команда Cornell пришла к выводу, что это не сработает по двум причинам. Первая заключается в том, что при криогенных температурах жидкого метана хвосты фосфолипидов становятся жесткими, лишая любую изнутри мембрану, которая может сформировать гибкость жидкости, необходимую для жизни. Второе - это два ключевых ингредиента фосфолипидов; фосфор и кислород, вероятно, недоступны в метановых озерах Титана. В поисках титановых клеточных мембран команда Корнелла должна была исследовать за пределами знакомой области биологии средней школы.

Ученые пришли к выводу, что, хотя они не состоят из фосфолипидов, любая клеточная мембрана Титана, тем не менее, будет похожа на фосфолипидные мембраны, созданные в лаборатории. Он будет состоять из полярных молекул, электрически соединяющихся в растворе неполярного жидкого метана. Какие это могут быть молекулы? За ответами исследователи обратились к данным космического корабля Кассини и лабораторных экспериментов, которые воспроизвели химию атмосферы Титана.

Известно, что атмосфера Титана имеет очень сложную химию. Он состоит в основном из азота и метана. Когда космический аппарат Cassini проанализировал свой состав с помощью спектроскопии, он обнаружил следы различных соединений углерода, азота и водорода, называемых нитрилами и аминами. Исследователи смоделировали химию атмосферы Титана в лаборатории, подвергая смеси азота и метана источникам энергии, имитирующим солнечный свет на Титане. Рагу из органических молекул называется tholins ' сформирован. Он состоит из соединений водорода и углерода, называемых углеводородами, а также нитрилов и аминов.

Исследователи Корнелла рассматривали нитрилы и амины в качестве потенциальных кандидатов на мембраны своих титановых клеток. Оба являются полярными молекулами, которые могут слипаться, образуя мембрану в неполярном жидком метане из-за полярности азотсодержащих групп, обнаруженных в них обоих. Они рассуждали, что молекулы-кандидаты должны быть намного меньше фосфолипидов, чтобы они могли образовывать жидкие мембраны при температурах жидкого метана. Они рассматривали нитрилы и амины, содержащие цепочки из трех-шести атомов углерода. Азотсодержащие группы называются «азото-группами», поэтому команда назвала их гипотетический титановый аналог липосоме «азотосомой».

Синтез азотосом для экспериментальных исследований был бы сложным и дорогостоящим, потому что эксперименты должны были бы проводиться при криогенных температурах жидкого метана. Но поскольку молекулы-кандидаты были тщательно изучены по другим причинам, исследователи Корнелла посчитали оправданным обратиться к инструментам вычислительной химии, чтобы определить, могут ли их молекулы-кандидаты слипаться как гибкая мембрана в жидком метане. Вычислительные модели были успешно использованы для изучения обычных мембран фосфолипидных клеток.

Акрилонитрил был идентифицирован как возможная основа для клеточных мембран в жидком метане на Титане. Известно, что он присутствует в атмосфере Титана в концентрации 10 частей на миллион и был получен при лабораторном моделировании воздействия источников энергии на азотно-метановую атмосферу Титана. Как небольшая полярная молекула, способная растворяться в жидком метане, она является веществом-кандидатом для образования клеточных мембран в альтернативной биохимии на Титане. Светло-синий: атомы углерода, темно-синий: атом азота, белый: атомы водорода. Кредит: Бен Миллс изменено Полом Паттоном.
Акрилонитрил был идентифицирован как возможная основа для клеточных мембран в жидком метане на Титане Молекулы полярного акрилонитрила выравнивают «голову» и «хвост», образуя мембрану в неполярном жидком метане. Светло-синий: атомы углерода, темно-синий: атомы азота, белый: атомы водорода. Кредит: Джеймс Стивенсон ,

Вычислительное моделирование группы показало, что некоторые вещества-кандидаты могут быть исключены, поскольку они не будут слипаться как мембрана, будут слишком жесткими или будут образовывать твердое тело. Тем не менее, моделирование также показало, что ряд веществ будет образовывать мембраны с подходящими свойствами. Одним подходящим веществом является акрилонитрил, который, как показал Кассини, присутствует в атмосфере Титана в концентрации 10 частей на миллион. Несмотря на огромную разницу в температуре между криогенными азотозомами и липосомами при комнатной температуре, моделирование показало, что они демонстрируют поразительно сходные свойства стабильности и реакции на механическое напряжение. Таким образом, клеточные мембраны возможны для жизни в жидком метане.

Моделирование вычислительной химии показывает, что акрилонитрил и некоторые другие малые полярные азотсодержащие органические молекулы способны образовывать «азотосомы», когда они растворяются в жидком метане. Азотосомы представляют собой небольшие мембранные ограниченные шарики, подобные липосомам, образованным фосфолипидами при растворении в воде. Моделирование показывает, что акрилонитрильные азотосомы будут и стабильными, и гибкими в криогенно холодном жидком метане, давая им свойства, необходимые им для функционирования в качестве клеточных мембран для гипотетической жизни Титана или для жизни в любом мире с жидким метаном на его поверхности. Показанная азотосома составляет 9 нанометров, примерно размером с вирус. Светло-синий: атомы углерода, темно-синий: атомы азота, белый: атомы водорода. Кредит: Джеймс Стивенсон ,

Ученые из Корнелла считают свои выводы не более чем первым шагом к тому, чтобы показать, что жизнь в жидком метане возможна, и к разработке методов, которые будущий космический корабль нужно будет искать его на Титане. Если жизнь возможна в жидком метане, последствия в конечном итоге распространяются далеко за пределы Титана.

При поиске условий, подходящих для жизни в галактике, астрономы обычно ищут экзопланеты в обитаемой зоне звезды, определяемой как узкий диапазон расстояний, на которых планета с атмосферой, подобной Земле, будет иметь температуру поверхности, подходящую для жидкой воды. Если жизнь метана возможна, то у звезд также будет зона обитания метана, область, где метан может существовать в виде жидкости на планете или луне, делая возможной жизнь метана. Количество обитаемых миров в галактике будет значительно увеличено. Возможно, в некоторых мирах жизнь метана развивается в сложные формы, которые мы едва ли можем себе представить. Возможно, некоторые из них даже немного похожи на морских монстров.

Ссылки и дальнейшее чтение:

Н. Аткинсон (2010) Чужая жизнь на Титане? Подожди минутку Вселенная сегодня.

Н. Аткинсон (2010) Жизнь на Титане может быть вонючей и взрывоопасной Вселенная сегодня.

М. Л. Кабель, С. М. Хорст, Р. Ходисс, П. М. Бошам, М. А. Смит, П. А. Уиллис, (2012) Титан Толинс: имитация органической химии Титана в эпоху Кассини-Гюйгенса , Chemical Reviews, 112: 1882-1909.

Э. Хауэлл (2014) Величественные зеркальные озера Титана пройдут под пристальным вниманием Кассини на этой неделе Вселенная сегодня.

J. Major (2013) Северный полюс Титана нагружен озерами Вселенная сегодня.

CP McKay, HD Smith, (2005) Возможности метаногенной жизни в жидком метане на поверхности Титана , Икар 178: 274-276.

Дж. Стивенсон, Дж. Лунин, П. Клэнси, (2015) М воплощать альтернативы в мирах без кислорода: создание азотосомы , Science Advances 1 (1): e1400067.

С. Олесон (2014) Подводная лодка Титан: исследуя глубины Кракена , NASA Glenn Research Center, Пресс-релиз.

Миссия солнцестояния Кассини , Лаборатория реактивного движения НАСА

НАСА и ЕКА празднуют 10 лет со дня приземления Титана НАСА 2015

Может ли быть жизнь на большой луне Сатурна Титане?
Это вообще возможно?
Могут ли фосфолипидные двухслойные мембраны образовываться в жидком метане на Титане?
Какие это могут быть молекулы?