Ученые выяснили, возможна ли на Титане жизнь
Ученые выяснили, возможна ли на Титане жизнь — по их мнению маловероятна даже самая примитивная жизнь на спутнике Сатурна, что показали эксперименты.
Компьютерное моделирование гипотетически существующих на Титане мембран показало их термодинамическую нестабильность. Это означает, что даже с учетом установленной кинетической и динамической устойчивости таких структур, их самопроизвольное возникновение исчезающе маловероятно. Однако не исключено, что гипотетической жизни на Титане не требуются мембраны, пишут авторы в журнале Science Advances.
Известная на Земле жизнь может существовать только благодаря мембранам. Как правило, сложные живые организмы используют билипидные мембраны, то есть замкнутые поверхности, состоящие из двух слоев белков и липидов, которые расположены гидрофобными концами внутрь, а гидрофильными — наружу. У биологических мембран выделяют множество функций, в том числе, селективное пропускание веществ, обеспечение межклеточного взаимодействия, удержание высокой концентрации нужных метаболитов внутри ограниченного объема и другие.
Титан является одним из самых перспективных с точки зрения астробиологии тел. Несмотря на низкие поверхностные температуры около 90 кельвин, на этом спутнике присутствует газовая оболочка, есть значимая сила тяжести, имеются обширные объемы веществ в жидком виде, а также происходят заметные сезонные изменения поверхности, связанные с осадками и происходящим круговоротом углеводородов. Также под действием солнечного света в атмосфере Титана могут протекать многие реакции, в результате которых образуются вещества (например, молекулярный водород, ацетилен и цианистый водород), обладающие существенной химической энергией.
Согласно гипотезе Опарина, примитивные мембраны возникли до появления полноценной жизни и обеспечили ее возникновение и развитие. Следуя подобной логике, ученые предположили возможность самостоятельного возникновения подобных структур и на Титане. Подходящее образование было найдено теоретически — его назвали азотосомой (по аналогии с липосомой, но с высоким содержанием азота), а на роль основного вещества подходящим вариантом оказался акрилонитрил. Такие мембраны должны обладать обратной по отношению к земным полярностью (гидрофильная часть внутри, гидрофобная — снаружи) и быть кинетически стабильны в условиях Титана. Более того, заметные количества акрилонитрила были найдены на этом спутнике.
Химики из Швеции под руководством Мартина Рама (Martin Rahm) из Технического университета Чалмерса изучили строение азотосом с точки зрения термодинамики. Известно, что как биологические, так и абиотические мембраны и мицеллы на Земле могут формироваться самостоятельно, так как оказываются состоянием с меньшей суммарной энергией, чем раствор своих компонентов. Авторы показали, что для азотосом это не так: молекулярный лед из акрилонитрила обладает более низкой энергией.
Молекулярный лед оказывается основным претендентом на наиболее термодинамически предпочтительную конфигурацию, так как небольшие полярные молекулы плохо растворяются в жидком метане (основном компоненте озер и морей на Титане), а ожидаемое основное состояние для любых молекул сложнее этана — это в любом случае твердый кристалл.
В новой работе химики воспользовались подходом на основе теории функционала плотности для расчета удельных энергий для четырех найденных в предыдущих экспериментах фаз акрилонитрилового льда. Авторам удалось подтвердить динамическую стабильность азотосом и обосновать их относительную стабильность — они соответствуют локальному минимуму потенциальной энергии. Однако молекулярный лед со строением Pna21 оказался на 8–11 килоджоулей на моль выгоднее азотосом при температуре в 90 кельвин и при учете растворения в жидком метане. В целом исследователи назвали самосборку азотосомы из тысячи молекул акрилонитрила статистически невозможной исходя из распределения Гиббса для состояний вещества в случае столь низких температур.
Тем не менее, ученые не считают, что их работа ставит крест на гипотезе об обитаемости Титана. Они отмечают, что одна из ключевых ролей мембран на Земле — обеспечение локального уменьшения энтропии и удержание ценных растворимых веществ от разбавления в огромном объеме окружающей воды — не релевантна в контексте Титана. Любые макромолекулы гипотетической жизни в таких условиях, а подобные соединения сегодня считаются абсолютно необходимыми для жизни, будут находиться в твердом виде и не рискуют быть растворенными. Химики также поясняют, что гипотетическая жизнь на Титане должна полагаться на транспорт небольших молекул, таких как водород, ацетилен или цианистый водород, а мембрана может помешать их диффузии. Поэтому они считают (хотя и честно называют всю эту часть работы сугубо спекулятивной), что жизни на Титане мембраны не нужны вовсе.
Компьютерное моделирование гипотетически существующих на Титане мембран показало их термодинамическую нестабильность. Это означает, что даже с учетом установленной кинетической и динамической устойчивости таких структур, их самопроизвольное возникновение исчезающе маловероятно. Однако не исключено, что гипотетической жизни на Титане не требуются мембраны, пишут авторы в журнале Science Advances.
Известная на Земле жизнь может существовать только благодаря мембранам. Как правило, сложные живые организмы используют билипидные мембраны, то есть замкнутые поверхности, состоящие из двух слоев белков и липидов, которые расположены гидрофобными концами внутрь, а гидрофильными — наружу. У биологических мембран выделяют множество функций, в том числе, селективное пропускание веществ, обеспечение межклеточного взаимодействия, удержание высокой концентрации нужных метаболитов внутри ограниченного объема и другие.
Титан является одним из самых перспективных с точки зрения астробиологии тел. Несмотря на низкие поверхностные температуры около 90 кельвин, на этом спутнике присутствует газовая оболочка, есть значимая сила тяжести, имеются обширные объемы веществ в жидком виде, а также происходят заметные сезонные изменения поверхности, связанные с осадками и происходящим круговоротом углеводородов. Также под действием солнечного света в атмосфере Титана могут протекать многие реакции, в результате которых образуются вещества (например, молекулярный водород, ацетилен и цианистый водород), обладающие существенной химической энергией.
Согласно гипотезе Опарина, примитивные мембраны возникли до появления полноценной жизни и обеспечили ее возникновение и развитие. Следуя подобной логике, ученые предположили возможность самостоятельного возникновения подобных структур и на Титане. Подходящее образование было найдено теоретически — его назвали азотосомой (по аналогии с липосомой, но с высоким содержанием азота), а на роль основного вещества подходящим вариантом оказался акрилонитрил. Такие мембраны должны обладать обратной по отношению к земным полярностью (гидрофильная часть внутри, гидрофобная — снаружи) и быть кинетически стабильны в условиях Титана. Более того, заметные количества акрилонитрила были найдены на этом спутнике.
Химики из Швеции под руководством Мартина Рама (Martin Rahm) из Технического университета Чалмерса изучили строение азотосом с точки зрения термодинамики. Известно, что как биологические, так и абиотические мембраны и мицеллы на Земле могут формироваться самостоятельно, так как оказываются состоянием с меньшей суммарной энергией, чем раствор своих компонентов. Авторы показали, что для азотосом это не так: молекулярный лед из акрилонитрила обладает более низкой энергией.
Молекулярный лед оказывается основным претендентом на наиболее термодинамически предпочтительную конфигурацию, так как небольшие полярные молекулы плохо растворяются в жидком метане (основном компоненте озер и морей на Титане), а ожидаемое основное состояние для любых молекул сложнее этана — это в любом случае твердый кристалл.
В новой работе химики воспользовались подходом на основе теории функционала плотности для расчета удельных энергий для четырех найденных в предыдущих экспериментах фаз акрилонитрилового льда. Авторам удалось подтвердить динамическую стабильность азотосом и обосновать их относительную стабильность — они соответствуют локальному минимуму потенциальной энергии. Однако молекулярный лед со строением Pna21 оказался на 8–11 килоджоулей на моль выгоднее азотосом при температуре в 90 кельвин и при учете растворения в жидком метане. В целом исследователи назвали самосборку азотосомы из тысячи молекул акрилонитрила статистически невозможной исходя из распределения Гиббса для состояний вещества в случае столь низких температур.
Тем не менее, ученые не считают, что их работа ставит крест на гипотезе об обитаемости Титана. Они отмечают, что одна из ключевых ролей мембран на Земле — обеспечение локального уменьшения энтропии и удержание ценных растворимых веществ от разбавления в огромном объеме окружающей воды — не релевантна в контексте Титана. Любые макромолекулы гипотетической жизни в таких условиях, а подобные соединения сегодня считаются абсолютно необходимыми для жизни, будут находиться в твердом виде и не рискуют быть растворенными. Химики также поясняют, что гипотетическая жизнь на Титане должна полагаться на транспорт небольших молекул, таких как водород, ацетилен или цианистый водород, а мембрана может помешать их диффузии. Поэтому они считают (хотя и честно называют всю эту часть работы сугубо спекулятивной), что жизни на Титане мембраны не нужны вовсе.
