ЧТО СКРЫВАЕТСЯ ПОД КОЛЬЦАМИ САТУРНА?

26 марта 2024

С начала зарождения языка и времен предания объектам словесных ориентиров, слово «Титан» ассоциировалось у человека с чем-то великим, большим и грозным. Титаны в мифологии Древней Греции — внушительных размеров Боги второго поколения, дети неба и земли. По одному из переводов Библии, Титаны — гиганты, родившиеся от союза ангелов со смертными женщинами. В честь них назвали и огромный лайнер Титаник, трагически затонувший при столкновении с айсбергом, и один из элементов в Менделеевской таблице. А еще Титан — крупнейший спутник газового гиганта Сатурна, и второй по величине спутник в солнечной системе. Стабильное существование жидких рек и озер с приливами и отливами, плотная атмосфера, внутренний океан, сменяющиеся зональные ветра — что ещё нужно для счастья? Ответ прост: обитатели. Но возможна ли здесь жизнь? Будут ли здешние организмы похожи на нас? Давайте разберемся и погрузимся в глубинные метановые воды спутника Сатурна с величественным названием — Титан.

Титанический портрет спутника Сатурна

Титан хоть и мал по сравнению с Землей, но является самым большим спутником Сатурна и вторым по размерам в солнечной системе после Ганимеда, спутника Юпитера. Поверхностная гравитация чрезвычайно слабая — в семь раз слабее земной. Для сравнения — гравитация Луны слабее в шесть раз. Атмосфера богата двухатомным газом азота N2 (95%), газом метаном CH4 (5%), и относительно небольшим количеством двухатомного водорода H2 (0,1%). Такие числа иллюстрируют высокое содержание органики, способной потенциально участвовать в процессах жизнедеятельности.

Цикл день-ночь на Титане протекает на Титане 15,9 суток, аналогичных земным. Столько же времени длится оборот спутника вокруг Сатурна. При этом одна и та же часть Титана постоянно обращена к Сатурну из-за синхронного вращения, подобно земной Луне.

На спутнике есть своеобразные сезоны и изменения климата в южных и северных полушариях. Каждый сезон длится не 3 месяца, как на Земле, а 7,5 лет. Погода на спутнике своеобразная: дело в том, что в нижних слоях атмосферы существует активный гидрологический цикл жидкого метана, который включает образование конвективных облаков и осадки в виде дождя, интенсивность которого зависит от сезона. Нижняя атмосфера Титана слишком плотная и не реагирует на 16-дневный цикл дня-ночи, но зато реагирует на 30-летнюю сезонную шкалу [1, 5, 6]. Кстати, последнее лето в южном полушарии Титана закончилось в августе 2009.

Поиск жизни на других планетах часто характеризуется стратегией «следования за водой». Причем следовать нужно за жидкой водой, а не в виде льда или в состоянии газа. Она нужна для экологических процессов, связанных с круговоротом воды и биохимии углерода. Именно углерод является основным химическим элементом во всех органических соединениях на нашей планете, и если условия планеты смогут обеспечить постоянное его поступление в организмы, это может быть основой для поддержания живых систем [1,2].

А ищем что?

Часто жизнь ищут на Марсе. Неудивительно, ведь это — прекрасное место, находящееся в зоне обитаемости Солнца, на поверхности которого поблескивает только километровый лед на полярных ледниковых шапках. Жидкая вода есть, но она образуется лишь в результате образования сезонных ручьев. Также, предположительно, под льдом Южной полярной шапки находится подсоленное озеро, но это может быть гидратированными и холодными отложениями, включающими глину, минералы и металлы[3].

Лед есть и на Меркурии. Но эта планета ограничена осью вращения, из-за чего одна сторона постоянно направлена к Солнцу, а другая никогда не освещается. Темная сторона Меркурия — мрачная и холодная, с вечными ледниками толщиной в два метра. В таких условиях лед не имеет шансов перехода в жидкое состояние, что ставит крест на круговороте химических элементов, необходимых для образования жизни, и появление сложных органических молекул [4].

С Титаном же все иначе. Титан – единственный мир, на поверхности которого постоянно текут реки и озера. Правда, из жидкого метана. Его газовая оболочка, «атмосфера», окутана азотом и метановыми облаками, из которых идет дождь. Возможно ли существование жизни в метановых водах Титана? И будет ли она привычной нам? Чтобы ответить на эти вопросы, необходимо рассмотреть физико-химические свойства метана и этана, а также термодинамические условия, которые способны поддержать стабильные химические связи. Другими словами — от того, где будут образованы первые молекулы, имеющие потенциал к Дарвиновской эволюции, самосборке и распространению, будут зависеть их фундаментальные свойства [5,6].

Как было написано, поиск жизни на других планетах часто сводится к банальному «поиску жидкости». Метановые реки могут быть потенциальной колыбелью для появления первых живых организмов, а богатое количество азота, этана, и круговорот элементов постоянными осадками могут этому способствовать. Какие же экологические условия на Титане могут выдавать потенциал к появлению жизни?

В чем же потенциал Титана?

В качестве биологической энергии при реакции с атмосферным водородом могут быть различные органические вещества, полученные фотохимическим путем, в частности, ацетилен — непредельный углеводород, бесцветный и очень горючий газ. Цианистый водород и молекулярный водород — другие продукты фотохимии атмосферы, которые могут вызвать экзотермические реакции и, как предполагается, поддерживать метаболизм в метаногенных формах жизни [7,8].

Уровень освещенности на поверхности Титана имеет достаточно высокий уровень для поддержания фотосинтеза, однако, из-за биохимических ограничений в лице скудного количества элементов в окружающей среде, могут появиться лишь простейшие экосистемы, способные к потреблению исключительно атмосферных питательных веществ. Благо, в этом новообразованным формам жизни будут помогать постоянные осадки в виде органических веществ. Конкуренция за еду у таких экосистем может свестись к минимуму, и качество с количеством потребляемой пищи может исходить из интенсивности осадков. Научным фантастом это может служить пищей для размышления о возникновении разумного общества, где вся еда будет бесплатно падать с неба.

Жизнь на Титане может использовать следы металлов и других неорганических соединений, которые образуются в результате разрушения метеоритов в атмосфере. Не исключено, что молекулы H20 на Титане могут задействоваться в биохимии, основанной на водородных связях, подобно тому, как металлы используются в белках жизнью на Земле.

Открытая тема исследования — какой будет информационная молекула для жизни в глубинных водах Титана, служащая аналогом ДНК или РНК на нашей планете. Некоторые организмы на Земле уже обходят эту молекулярную парадигму, или же правила Догмы молекулярной биологии: ретровирусы, такие как ВИЧ, используют обратную транскриптазу для обратной транскрипции — переноса информации от РНК к ДНК. Пиконовирусы используют фермент РНК-зависимую РНК-полимеразу для копирования своего генетического материала — цепи РНК. Также клеточные экстракты некоторых клеточных линий кишечной палочки демонстрировали прямую трансляцию белка на матрице ДНК — перенос информации от ДНК непосредственно на белок. В первых двух случаях молекулярную догму обходили вирусы - единственная клеточная форма жизни на Земле. Могут ли примитивные организмы на Титане быть более похожими на них [1, 8, 9, 10]?

Мы не можем точно утверждать, какую форму могут принять потенциальные живые организмы за пределами Земли, поэтому остается переносить данные о жизни на Земле в другие, отличные условия. Логично, что даже примитивный живой организм будет нуждаться в оболочке для поддержания гомеостаза и целостности внутренней среды, ведь даже вирусы имеют белковую оболочку поверх генетического материала [10].

Как ученые клеточный доспех ковали

Помимо защитной, клеточные мембраны выполняют ряд иных функций, начиная от избирательного поглощения питательных веществ и ионов и заканчивая межклеточной связью и удалением отходов. - Поэтому создание «клеточного доспеха» в условиях другой планеты позволяет предположить наличие благоприятных условий для возникновения жизни![2, 10].

Рисунок 1. Слева - Модель билипидного слоя «Земной» мембраны. Справа - Азотосомная мембрана - теоретическая структура с обратной полярностью, изготовленная из акрилонитрила.

В метановых жидкостях Титана возможно образование мембранных структур — азотосом, состоящих из небольших органических соединений азота. Билипидная двухслойная мембрана является одной из основных предпосылок существования жизни в том виде, в каком мы её знаем.

Сколько элементов клетки мы можем создать de novo? А соединить их? Будет ли подобная Тесеевская клетка полным аналогом естественной жизни? Исследуя возможности появления жизни на Титане, ученые из Швеции создали двуслойную липидную мембрану с инвертированной полярностью — азотосому (рисунок 1). Такая мембрана кинетически устойчива и может функционировать в условиях криогенных миров с жидкими углеводородными водоемами.

Но почему создание конкретно мембранного аналога дает толчок к пониманию механизмов самозарождения? Гипотеза «липидного мира» говорит: именно абиотическое образование в воде мембран путем спонтанной самоорганизации липидов в супрамолекулярные структуры, то есть химические системы из множества молекул, способствовало образованию жизни на Земле [2, 11].

В силу низкотемпературных условий Титана, любая появившаяся макромолекула уже будет существовать в твердом состоянии и не будет подвергаться риску разрушения в результате растворения водами окружающей среды [12]. Выиграют ли получившиеся биомолекулы от наличия клеточных мембран? Предположительно, для последующего роста и репликации, подобным организмам придется полагаться на диффузию небольших энергетических молекул таких, как H2, C2H2 или HCN. Мембрана же будет препятствовать полезной диффузии и необходимому удалению отходов метаболизма. А значит, вирусы, как неклеточные формы жизни, могут быть не одиноки по своей природе в широком контексте солнечной системы.

Другие стратегии поиска жизни. Цианистый водород

Если вода кажется вам банальной, а метан чересчур надуманной перспективой быть потенциальным растворителем жизни, то что насчет цианистого водорода?

Цианистый водород — бесцветен, летуч и ядовит для человека [13]. При этом это самая распространенная молекула с водородными связями в атмосфере Титана. Она может полимеризоваться и способствовать образованию частично упорядоченных структур, некоторые из которых потенциально способны вступать в реакции с поглощением фотонов и участвовать в фотохимических реакциях на поверхности Титана. Но о детальных предполагаемых механизмов растворимости и плотности полимеров цианистого водорода мы можем узнать совсем скоро [12,13].

Условия ледяных просторов с журчащими метановыми реками уже не похожи на обстановку на Земле в начале времен, когда царил испепеляющий зной и звучали раскаты молний. Условия Титана помогут нам узнать, насколько далеко может продвинуться природа без жидкой воды и при крайне низкой температуре.

Любые биологические макромолекулы, образованные в холодных просторах Титана, будут в твердом состоянии и с минимальным движением. При этом раскладе клеточная мембрана ухудшит возможность проникновения внутрь полезных элементов из окружающей среды. Хоть аналог клеточной мембраны в лице азотосом и создали в лаборатории, он не способен к самосборке в Титанических условиях.

Остается открытым вопрос об информационных молекулах, которые будут нести генетический материал. Будет ли это кислота, или же другое сложное химическое соединение? Как бы то ни было, Титан демонстрирует стабильные условия, цикличность соединений и благоприятный атмосферный состав для поддержания метаболизма потенциальных организмов. А любое исследование про абиотическое образование биологических молекул раздвигает границы возможности жизни как таковой: ведь на примере вирусов мы можем осознать, как не похожи на нас могут быть организмы, способные уверенно существовать [15].

1. McKay CP. Titan as the Abode of Life. Life (Basel). 2016 Feb 3;6(1):8. doi: 10.3390/life6010008. PMID: 26848689; PMCID: PMC4810239.

2. Benner SA, Ricardo A, Carrigan MA. Is there a common chemical model for life in the universe? Curr Opin Chem Biol. 2004 Dec;8(6):672-89. doi: 10.1016/j.cbpa.2004.10.003. PMID: 15556414.

3. Elise Wright Knutsen, Franck Montmessin, Loïc Verdier, Gaetan Lacombe, Franck Lefèvre, et al. Water vapor on Mars: A refined climatology and constraints on the near-surface concentration enabled by synergistic retrievals. Journal of Geophysical Research. Planets, 2022, 127 (5)

4. Strom, R.G., Sprague, A.L. (2006). Mercury. In: Blondel, P., Mason, J.W. (eds) Solar System Update. Springer Praxis Books. Springer, Berlin, Heidelberg. https://doi.org/10.1007/3-540-37683-6_2

5. Tokano T, McKay CP, Neubauer FM, Atreya SK, Ferri F, Fulchignoni M, Niemann HB. Methane drizzle on Titan. Nature. 2006 Jul 27;442(7101):432-5. doi: 10.1038/nature04948. PMID: 16871213.

6. Lunine JI. Titan and habitable planets around M-dwarfs. Faraday Discuss. 2010;147:405-18; discussion 527-52. doi: 10.1039/c004788k. PMID: 21302558.

7. Teanby N. A., Irwin P. G. J., de Kok R., Nixon C. A., Coustenis A., Bézard B., Calcutt S. B., Bowles N. E., Flasar F. M., Fletcher L., Howett C., Taylor F. W., Latitudinal variations of HCN, HC3N, and C2N2 in Titan’s stratosphere derived from Cassini CIRS data. Icarus 181, 243–255 (2006)

8. Lorenz RD, Stiles BW, Kirk RL, Allison MD, Del Marmo PP, Iess L, Lunine JI, Ostro SJ, Hensley S. Titan's rotation reveals an internal ocean and changing zonal winds. Science. 2008 Mar 21;319(5870):1649-51. doi: 10.1126/science.1151639. PMID: 18356521.

9. Powell K. How biologists are creating life-like cells from scratch. Nature. 2018 Nov;563(7730):172-175. doi: 10.1038/d41586-018-07289-x. PMID: 30405232.

10.Sandström H, Rahm M. Can polarity-inverted membranes self-assemble on Titan? Sci Adv. 2020 Jan 24;6(4):eaax0272. doi: 10.1126/sciadv.aax0272. PMID: 32042894; PMCID: PMC6981084.

11.Schulze-Makuch D, Irwin LN. The prospect of alien life in exotic forms on other worlds. Naturwissenschaften. 2006 Apr;93(4):155-72. doi: 10.1007/s00114-005-0078-6. Epub 2006 Mar 9. PMID: 16525788.

12.Rahm M, Lunine JI, Usher DA, Shalloway D. Polymorphism and electronic structure of polyimine and its potential significance for prebiotic chemistry on Titan. Proc Natl Acad Sci U S A. 2016 Jul 19;113(29):8121-6. doi: 10.1073/pnas.1606634113. Epub 2016 Jul 5. PMID: 27382167; PMCID: PMC4961190.

13.Gidlow D. Hydrogen cyanide-an update. Occup Med (Lond). 2017 Dec 30;67(9):662-663. doi: 10.1093/occmed/kqx121. PMID: 29301057.

14.Zwart H. The bioethics of synthetic cells. Nat Rev Mol Cell Biol. 2023 Dec 11. doi: 10.1038/s41580-023-00693-w. Epub ahead of print. PMID: 38081974.

ПОДЕЛИТЕСЬ В СОЦСЕТЯХ!

Мессенджеры

Отправляйте нам! Узнайте подробнее в мессенджерах или напишите нам на сайте

Задать вопрос на сайте

У ВАС ЕСТЬ МАТЕРИАЛЫ, КОТОРЫМИ ВЫ ХОТЕЛИ БЫ ПОДЕЛИТЬСЯ?