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.
Ранее ученые добились незамерзания воды при -263 градусах Цельсия при помощи липидных мембран, просверлили клеточную мембрану посредством молекулярных машин и выделили в истории Луны два промежутка времени, когда на ее поверхности теоретически могла бы существовать жизнь.
