Может ли быть такое, что на Титане – спутнике Сатурна все-таки есть жизнь? Это вопрос не дает покоя многим химикам и астробиологам, заставляет их более осторожно строить теории относительно химии жизни. Ведь «там» она может оказаться совсем другой.

Группа ученых из Корнельского университета, а также химик-инженер Джеймс Стевенсон, планетолог Джонатан Лунин и химик-инженер Паулетт Клэнси опубликовали результаты общих исследований. В них говорилось о том, что на спутнике Сатурна могут существовать клеточные мембраны. Титан во многом похож на Землю, он является вторым по величине спутником в Солнечной системе, по размерам он больше, чем планета Меркурий.

Как и на Земле, на Титане есть своя атмосфера, ее давление немного ниже земного давления на поверхности. На Титане есть вода, это второй объект в Солнечной системе, который способен накапливать воду. Космическим зондом NASA «Кассини» были обнаружены реки и озера, которые находятся даже в полярных регионах Титана. Ученым известно, что в атмосфере спутника Сатурна присутствуют сложные органические молекулы, которые могут быть «кирпичиками» жизни. Кажется, что Титан подходит для того, чтобы на нем существовала жизнь, но надо знать, что температура на поверхности небесного тела равна -180 С^О.

На Титане нет жидкой воды, она вся находится в замерзшем состоянии, лед взял на себя роль кремниевых пород Земли, он служит корой спутника. То, что сначала казалось ученым реками и озерами, оказалось на самом деле жидким метаном, который может быть смешан с жидким этаном. На Земле эти вещества находятся в основном в газообразном состоянии. Если в морях Титана присутствует жизнь, то сложно сказать, какая она на самом деле. Получается, что жизнь находится в жидком метане, а не в воде. Может ли вообще такое быть?

Ученые из Корнельского университетаподробно изучали данный вопрос, особую роль они отвели возможности существования клеточных мембран. Живая клетка – это самоподдерживающаяся цепь химических реакций, которые находятся в пределах клеточной мембраны. Ученые полагают, что клеточные мембраны довольно рано образовались на поверхности Земли, и, возможно, именно они стали родоначальниками жизни.

Строение клеточной мембраны

О строении клеточных мембран мы знаем из уроков биологии, что они состоят из фосфолипидов. У каждой молекулы фосфолипида есть «голова» и «хвост». Голова состоит из фосфатной группы, где атом фосфора связан с несколькими атомами кислорода. Хвост состоит из углеродной группы и представляет собой одну или несколько цепей атомов углерода (15-20 атомов и к каждому прикреплены 2 атома водорода).

«Голова» несет отрицательный заряд фосфатной группы, на ней неравномерно распределен электрический заряд, поэтому она называется полярной. «Хвост» заряжен нейтрально. Электрические свойства определяют поведение молекулы фосфолипидов в воде. Молекула воды тоже имеет полярность, электроны в молекуле воды притягиваются сильнее к атому кислорода, а не к атомам водорода. Получается, что у молекулы со стороны атомов водорода – положительный заряд, а со стороны кислорода – отрицательный. Полярность воды приводит к тому, что ее молекула притягивает к себе гидрофильную «голову» фосфолипида, а нейтральный «хвост» отталкивает. При растворении молекул фосфолипидов в воде, молекула воды и молекула фосфолипида работают совместно, в результате фосфолипиды организовываются в мембраны. Мембрана закрывает себя липосомой – небольшой сферой, потом получаются 2 слоя из которых и состоит клеточная оболочка.

«Головки» обращены наружу направлены к молекулам воды, «хвосты» зажаты и направлены друг на друга. Молекулы фосфолипидов могут двигаться относительно друг друга, при этом происходит циркуляция жидкости, которая жизненно необходима для существования клетки. Двухслойные клеточные мембраны являются основой всех клеточных мембран, которые присутствуют на планете Земля. Липосома может расти, размножаться и воспроизводить химические реакции, которые продолжают жизнь. Многие биохимики склоняются к мнению, что именно появление липосом стало первым шагом к появлению жизни.

Жизнь на Титане

Получается, что, если на Титане есть жизнь, то должны присутствовать и клеточные мембраны. Однако способны ли фосфолипиды образовывать клеточные мембраны в жидком метане? Нет.

У молекулы метана равномерно распределяется электрический заряд, у нее нет полярных качеств воды, она не может притягивать «головки» фосфолипидов. А это притяжение необходимо для образования мембран земного типа. Ученые проводили эксперименты и растворяли фосфолипиды при комнатной температуре в неполярных жидкостях. При таких условиях фосфолипиды образуют два вывернутых наружу слоя, «головки» находятся в центре, «хвосты» снаружи. Получается, что неполярные «хвосты» не могут образовать соединение с атомами неполярного растворителя.

Может ли существовать жизнь с мембраной, вывернутой наружу? Ученые пришли к выводу, что нет. Во-первых, при низкой температуре «хвосты» становятся жесткими, вывернутая мембрана становится негибкой, а гибкость необходима для жизни. Во-вторых, вряд ли два главных составляющих фосфолипида, кислород и фосфор, находятся в метановых озерах на Титане. Корнельским ученым пришлось представить себе клеточную мембрану на Титане, вывод был один: любая клеточная мембрана на спутнике Сатурна будет вывернута наружу. Состоять она будет из полярных молекул, которые держатся за счет электрического заряда, и при этом находятся в неполярном метане.

Какие могут быть молекулы на Титане?

Ученые изучили данные, полученные аппаратом «Кассини», и лабораторных экспериментов. Атмосфера Титана имеет сложный химический состав, она состоит из газообразного метана и азота. Аппарат «Кассини» произвел анализ ее состава, используя спектроскопию, им были обнаружены различные соединения азота, углерода, водорода, амины и нитрилы.

Ученые сделали модель атмосферы Титана в лаборатории, они подвергали смесь метана и азота воздействию источников энергии, которые имитировали присутствие солнечного света на Титане. В результате ученые получили смесь из органических молекул, которые назвали «толинами». Эти молекулы состояли из соединений углеводородов, аминов и нитрилов. Корнельские исследователи посчитали, что амины и нитрилы могут быть потенциальными кандидатами на клеточные мембраны на Титане. Обе молекулы являются полярными и могут сцепиться в неполярном метане и образовать мембрану, потому что азотосодержащие группы полярные. Ученые предположили, что такие молекулы могут быть по размеру меньше земных, а также образовывать жидкие мембраны в условиях жидкого метана.

Амины и нитрилы содержали цепи, в которых было 3-6 атома углерода. Ученые назвали теоретический аналог липосомы «азотосомой» в честь азотсодержащих групп. Синтезировать такие «азотосомы» довольно дорого и трудно, потому что эксперимент должен проводиться в криогенных условиях жидкого метана. Но эти молекулы изучались и по другим причинам, поэтому Корнельские ученые обратились к вычислительной химии, чтобы определить могут ли эти молекулы соединиться между собой в виде гибкой мембраны в жидком метане.

Вычислительные химические модели обычно с успехом используются для того, чтобы изучать обычные клеточные мембраны. Расчеты показали, что некоторых «кандидатов» можно исключить, потому что они не входят в состав клеточной мембраны, они будут или слишком жесткими, или образовывать твердое вещество. Однако моделирование помогло определить ряд веществ, которые будут участвовать в формировании клеточной мембраны с нужными свойствами. Например, одним веществом является акрилонитрил, он присутствует в атмосфере Титана. Аппарат «Кассини» показал, что его концентрация составляет 10 частей на 1 миллион.

Моделирование показало, что «азотосомы» в криогенных условиях будут обладать схожими свойствами с земными липосомами, они будут стабильными и отзывчивыми на механическое воздействие. Получается, что клеточные мембраны могут стать началом жизни в жидком метане. Ученые из Корнельского университета отметили, что это открытие – первый шаг к изучению жизни на Титане.

Если окажется, что жизнь может существовать в жидком метане, то эта новость уйдет далеко за пределы изучения Титана. Астрономы ищут пригодные для жизни экзопланеты, которые находятся в пределах обитаемой зоны возле звезды. На узкой дистанции, на которой планета с земной атмосферой, будет иметь на поверхности жидкую воду. Если жизнь в условиях жидкого метана возможна, то ученым придется искать планеты с дистанцией от звезды, подобной той, которая есть между Титаном и Солнцем. Число потенциально обитаемых миров вырастет, может быть, что метановая жизнь может принимать совершенно неизвестные нам формы. Чтобы узнать о них, нам остается ждать дальнейших научных открытий.