Жизнь в жидком метане?

Химики показали, что на спутнике Сатурна – Титане могут находиться структуры, подобные клеточным мембранам живых организмов. Правда, существовать они могут только в жидком метане при крайне низкой температуре.

Один из фундаментальных вопросов, на который пока так и не найден ответ, это то, каким образом на Земле зародилась жизнь. Существуют разные теории, как в первичном океане появились органические молекулы, которые смогли сами себя воспроизводить. Но ничего этого не произошло бы, если бы на нашей планете не было воды. Именно в воде происходят все биохимические реакции, которые делают молекулы «живыми». Чтобы организм мог рассматриваться как нечто обособленное, он должен иметь границу, которая отделяет его от окружающей среды. Роль такого барьера выполняет клеточная мембрана. Она состоит из определенных молекул – липидов. Особенность липидов в том, что они имеют полярную голову и неполярный хвост. И хотя белый медведь тоже называется полярным, к липидам он не имеет никакого отношения. В данном случае, полярность – свойство молекул. Например, молекула воды и спирта – полярные, а масла – нет. Именно благодаря принципу, что подобное смешивается с подобным, можно получить всем известный раствор спирта в воде, а вот растворить масло в стакане с водой не получится.

Липиды подчиняются тем же самым законам, с той лишь оговоркой, что у них и полярная, и неполярная части связаны между собой. Если такие молекулы поместить в воду, а это, как мы помним, полярная среда, то липиды начнут самоорганизовываться в структуру, которая называется липидный бислой. Липиды выстраиваются таким образом, что полярные части, головы, обращены наружу, в сторону воды, а неполярные хвосты – внутрь. Для аналогии можно представить дубленку: мех, а это у нас неполярные хвосты, смотрит внутрь, а кожа – наружу. Такой вот двойной слой из липидов образует мембрану клетки. Для того, чтобы вся эта система работала, нужна вода. В солнечной системе Земля – единственная планета, на которой есть вода в пригодной для жизни жидкой форме. Замерзшая вода есть не только на Земле, она есть на тех же самых кометах, но они, увы, подходят разве что для заморозки. Но для жизни в нашем, пусть и более общем понимании, необходима жидкая среда. Тогда возникает вопрос – если не на Земле, то где?

Вполне возможно, что на Марсе были моря и океаны, но сейчас поверхность нашего ближайшего планетарного соседа суха, и по ней успешно путешествует марсоход Curiosity. Меркурий, Венера, Юпитер и Сатурн тоже не слишком обнадеживают в плане водных поверхностей. Однако астрономы обнаружили, что у последнего есть спутник, Титан, и на нем находятся моря. Загвоздка в том, что моря эти состоят из жидких углеводородов, в том числе метана и этана, к тому же с температурой под −180^оС. Этот факт нисколько не смутил химиков из Корнельского университета, и они решили посмотреть, какие химические структуры могут существовать в таких условиях. В качестве отправной точки они взяли тот самый липидный бислой, из которого на Земле состоят клеточные мембраны. Исследователи не пытались найти земную форму биологической материи, которая смогла бы выжить в холодных морях Титана. Задача состояла в том, чтобы найти такую структуру, которая в жидком метане выполняла бы те же функции, что и клеточная мембрана в воде.

Вспомним про полярные и неполярные молекулы. Вода полярна, а метан – неполярен, это значит, что для «титановой» мембраны ее структура должна быть вывернута наизнанку – дубленка превращается обратно в шубу, а полярные головы прячутся от молекул метана внутри двойного слоя. Кроме того, мембрана должна быть эластичной – она не должна «дубеть» при низких температурах жидкого метана. И, помимо всего, необходимо, чтобы образующие ее молекулы были способны к самоорганизации. Это значит, что мембрана должна собираться сама из отдельных молекул.

Исследователи провели компьютерные расчеты, в которых они смоделировали поведение различных веществ в жидком метане и с удивлением обнаружили, что простая молекула акрилонитрила оказалась способна образовывать мембраноподобные структуры. Молекулы собирались в двойные слои, ориентируя полярные нитрильные группы внутрь, а углеводородный «хвост» выставляя наружу. Подобные структуры, схожие размером с небольшими земными вирусами, оказались вполне устойчивы, а значит, есть вероятность, что в жидком метане могут существовать весьма интересные объекты. Разумеется, нельзя говорить о том, что в метановых морях Титана плавают некие акрилонитриловые монстры, но вот задуматься о том, что такое жизнь и где ее можно найти, возможно, и стоит. Если для земных организмов так необходима вода, то быть может, для других форм так же жизненно необходим какой-нибудь жидкий углеводород.

Рис.1 

А – молекулы акрилонитрила в жидкости связаны между собой водородными связями между атомом азота и водородом этиленовой группы. Молекулы разупорядочены

B – фрагмент кристалла твердого акрилонитрила. Нитрильные группы ориентированы друг от друга

C – в присутствии жидкого метана, молекулам акрилонитрила становится выгоднее ориентировать полярные нитрильные группы внутрь частицы, чтобы они не соприкасались с неполярными молекулами этана

D – сферическая структура, образованная двойным слоем. Внутрь слоя ориентированы нитрильные группы, а снаружи и внутри сферы – этиленовые хвосты. Диаметр такой мембрано-подобной сферы составляет 90 ангстрем, что сопоставимо с размером небольших вирусов. Фото: James Stevenson/Science Advances

Рис.3 Gray Lensman/Flickr 

По материалам Science Advances и Cornell University