Жизнь на Титане

Жизнь на Титане — гипотетическое существование жизни на Титане, спутнике Сатурна.

Факторы, влияющие на возможность жизни на Титане

Так как на Титане имеется жидкость (но не вода, а углеводороды) и активная атмосфера, некоторые учёные полагают, что на Титане, несмотря на низкие температуры (−179,5 °C — −149 °C), возможна жизнь.

В 2005 году астробиолог Крис Маккей предположил, что если метаногенная жизнь на Титане потребляет атмосферный водород в достаточном объёме, то она будет иметь заметное влияние на отношение смеси в тропосфере Титана. В июне 2010 года об этом сообщил Даррелл Штробель из Университета Джона Хопкинса, который отметил переизбыток молекулярного водорода в верхних слоях атмосферы, что приводит к нисходящим потокам на скорости около 10²⁵ молекул в секунду. Рядом с поверхностью водород, вероятно, исчезает из-за его потребления метаногенными формами жизни. В том же месяце в другой статье сообщалось, что у поверхности Титана не имеется ацетилена, что согласуется с гипотезой, что ацетилен, как и водород, поглощается живыми организмами — метаногенами. Крис Маккей, согласившись с тем, что наличие жизни является возможным объяснением выводов об отсутствии водорода и ацетилена у поверхности, предупредил, что, возможно, есть и другие объяснения наблюдаемому феномену, например, ошибка исследователей или наличие минеральных катализаторов.

Ещё в 2007 году на Титане был обнаружен акрилонитрил (соединение азота и ацетилена) — вещество, которое теоретически может быть использовано для создания подобия стабильных клеточных мембран на Титане:

Удалось выяснить, что в воздухе Титана, по всей вероятности находится огромное количество акрилонитрила, а во время дождей он попадает и в озёра этой планеты. Таким образом, соединения, подобные земным клеточным мембранам, могли бы там сформироваться, допускают учёные.

Доктор Морин Палмер из Центра Космических полетов Годдарда в NASA, которая в 2017 году вместе с коллегами зафиксировала следы акрилонитрила в азотной атмосфере Титана, говорит, что на Титане достаточно акрилонитрила, чтобы сформировать 30 миллионов клеточных мембран на кубический сантиметр жидкости в одном из самых больших морей Титана. Следовательно, имеется большая вероятность того, что мембраны могли вырасти достаточно для поддержания более сложных структур, на подобии внутренностей клетки.

Такие модели показывают, что спутник может поддерживать существование «инвертированных» полупроницаемых мембран на основе акрилонитрила в жидкой неполярной метан-этановой смеси на его поверхности, но в условиях, при которых метан-этановая смесь существует в жидком состоянии, все молекулы крупнее и полярнее акрилонитрила неизбежно кристаллизуются — ввиду гораздо большей силы связи между полярными молекулами (на этом принципе основано фракционирование углеводородов и спиртовое осаждение нуклеиновых кислот). Тем не менее, в данной среде наблюдаются сложные химические процессы избирательного обмена и накопления ряда веществ, что является предметом широких дискуссий в сообществе планетологов, в том числе и в NASA. Атмосфера спутника плотная, химически активная и богата органическими соединениями; эти факты подтолкнули исследователей на дополнительные предположения о наличии жизни или предпосылок к жизни, особенно в верхних слоях атмосферы. Атмосфера Титана содержит водород, а метан может сочетаться с некоторыми из органических соединений, такими как ацетилен, для получения энергии и развития жизни.

В июне 2010 года по результатам анализа данных миссии Кассини-Гюйгенс было объявлено об аномалиях в атмосфере Титана, возле его поверхности. На основе этих данных, некоторые учёные выдвинули гипотезу о «дыхании» примитивных биологических организмов: такие организмы могли бы поглощать газообразный водород и питаться молекулами ацетилена, при этом в процессе их жизнедеятельности образовывался бы метан. В итоге на спутнике наблюдалась бы нехватка ацетилена и снижение содержания водорода возле поверхности.

Согласно гипотезе, что жизнь на Титане может существовать в жидких метане и этане на поверхности спутника, которые имеют форму рек и озёр. Такие организмы использовали бы водород вместо кислорода и реагировали с ацетиленом вместо глюкозы, и производили бы метан, а не углекислый газ.

На Титане были зафиксированы молнии, которые тоже считаются одним из условий появления жизни.

Хотя вода является более мощным растворителем, чем метан, что позволяет ей легче переносить вещество в клетку, однако меньшая химическая реактивность метана позволяет ему легче образовывать крупные структуры, например белки и им подобные.

Несмотря на то, что количество солнечного света на поверхности Титана в тысячу раз меньше, чем на Земле, его достаточно для некоторых биологических процессов. Органические продукты фотохимических реакций в атмосфере спутника способны выделять энергию при взаимодействии с атмосферным водородом.

Вода из недр Титана иногда должна смешиваться с углеводородами на поверхности. Такое происходит из-за столкновений с другими телами: тогда образуются трещины.

Возможно, организмы, живущие в среде жидкого метана или этана на Титане, могут применять разные соединения в качестве растворителя. Например, фосфин и простые соединения фосфора и водорода. Как вода и аммиак, фосфин имеет полярность, но он существует в виде жидкости при более низких температурах, чем аммиак или вода. В жидком этане фосфин имеет форму отдельных капель, а это означает, что ячейкоподобные структуры могли бы существовать без клеточных мембран.

Гипотетическая жизнь на Титане не может полагаться на клеточные мембраны — они не могут сформироваться в условиях, существующих на самом большом естественном спутнике Сатурна. К такому выводу пришли ученые из Технологического университета Чалмерса.

Найденный на Титане циклопропенилиден интересен тем, что в нём атомы углерода сцепляются друг с другом, образуя кольцевую основу. Другие органические химические вещества с такой структурой имеют решающее значение для молекул, составляющих часть ДНК, содержащую информацию. «Циклическая природа этих соединений открывает двери новой биохимии, которая позволяет создавать биологически важные молекулы, такие как ДНК», — говорит Александр Телен, астробиолог из Центра Годдарда, который работал над новым исследованием.

По одной из теорий, гипотетические микробы Титана живут в подповерхностном океане и питаются глицином.

«Азотосома»

Гипотетическая клеточная мембрана, названная азотосомой (Azotosome), способной функционировать в жидком метане в условиях Титана, была смоделирована (на компьютере) в статье, опубликованной в феврале 2015 года. Считается, что она состоит из акрилонитрила, небольшой молекулы, содержащей углерод, водород и азот, и обладает стабильностью и устойчивостью. Гибкость в жидком метане сравнима с гибкостью фосфолипидного бислоя (типа клеточной мембраны, которой обладает вся жизнь на Земле) в жидкой воде.

Команда во главе с доктором Полетт Клэнси из Школы химической и биомолекулярной инженерии смоделировала азотосому (azotosome) - новый тип клеточной мембраны, состоящей из небольших органических соединений азота и способный функционировать в жидком метане при температурах от минус 292 градуса по Цельсию.

Анализ данных, полученных с использованием крупногабаритного / субмиллиметрового массива Atacama (Atacama Large Millimeter Array), завершённого в 2017 году, подтвердил наличие значительного количества акрилонитрила в атмосфере Титана.

Более поздние исследования поставили под сомнение способность акрилонитрила самоорганизовываться в «азотосомы».

Прорыв 2021 года

В конце июня 2021 года в пресс-релизе NASA сообщено, что получены косвенные доказательства того, что на Титане есть жизнь.

В частности, в атмосфере Титана обнаружен винилцианид (акрилонитрил, нитрил акриловой кислоты, 2-пропеннитрил, винилцианид, химическая формула CH₂=CHCN точнее CH₂=CH-C≡N) — аналог фосфолипидов, отвечающих за формирование частично проницаемых клеточных мембран у земной жизни.

Клеточные мембраны у земных организмов содержат фосфолипиды — молекулы, состоящие из полярной (растворимой в воде) «головки», содержащей атом фосфора, и двух неполярных хвостов из остатков жирных кислот. Такая структура способствует образованию эластичной оболочки у клеток. Однако у гипотетических микроорганизмов, чья жизнедеятельность основана на метане, а не на воде, мембрана должна состоять из других соединений, например винилцианида.

На самом деле, ещё в 2015 году было предсказано, что живые клетки на Титане могли бы формировать структуры, похожие на липидные бислои в клетках земных организмов. Этот тонкий и гибкий слой является главным компонентом клеточной мембраны, отделяющей внутренности клетки от внешней среды. На Титане лучшем кандидатом для создания защитной мембраны является акрилонитрил. Из него могут формироваться микроскопические сферы, которые ученые назвали «азотосомами». Эти сферы могут защищать вещества клеток от разрушения в течение достаточного времени для химического взаимодействия:

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.

В 2017 году акрилонитрил уже был найден на Титане.

Проблема, однако в исследовании 2020 года — компьютерное моделирование гипотетически существующих на Титане мембран показало их термодинамическую нестабильность. При этом учёные считают, что это не опровергает высокую вероятность существования жизни на Титане, так как гипотетическая жизнь на Титане должна полагаться на транспорт небольших молекул, таких как водород, ацетилен или цианистый водород, а мембрана может помешать их диффузии. Поэтому, живым организмам на Титане мембраны вообще не нужны.