Может ли быть жизнь на метановых планетах. Жизнь на титане может быть зловонной и взрывной

Конечно, этой планеты достигает значительно ослабленный поток солнечной радиации (примерно в 90 раз меньший, чем Земли) и подсчитать предполагаемый парниковый эффект довольно сложно (это скорее дело для астрономов и климатологов). Но, тем не менее, есть веские причины предполагать, что температура на его поверхности значительно выше, чем измеренные Гюйгенсом - 179 град. С (по самым грубым оценкам, она может быть в диапазоне 0 + 100 град. С). А если так, то напрашивается еще одно предположение – а не присутствуют ли там реки и моря из жидкой воды, которые так похожи на земные.
Признаться честно, я очень часто думал об этом, когда собирал материал по Титану. Рылся в кипе НАСовских отчетов с надеждой «поймать» хоть какую-то информацию о температуре у поверхности Титана или температуре атмосферы Титана. Но тщетно – в отчетах не было ни слова на этот счет. И тогда у меня стало зарождаться сомнение, а не «подстава» ли все это. Потом я где-то (уже не помню где) встретил информацию, что Гюйгенс измерил температуру на поверхности Титана – 179 град. С. И все, других цифр в НАСовских отчетах не находил, хотя изучал их очень тщательно.
Может быть и в случае с Титаном ситуация была такая же, как на Луне ? Когда американские астронавты встретили иную форму жизни и НАСА засекретило ее. Мы приучены к тому, что от НАСА можно ожидать всего, чего угодно. Если вдруг американцы обнаружили на другой планете условия, аналогичные земным, они вполне могли скрыть информацию об этом и как бы между прочим прописать в сводных отчетах температуру -179 град. С, измеренную радиотелескопами с Земли много лет назад.
Кстати, странности с температурой Титана заметили и многие другие исследователи. Они даже ввели понятие антипарниковый эффект (атмосфера поглощает 90 % солнечного излучения и пропускает инфракрасное), который присутствует только на Титане и понижает температуру на поверхности Титана. А создает ее, как это ни парадоксально, все тот же метан, правда в аэрозольной форме.
Странно.
А вот выдержка с сайта "Скиам.ру" (страница больше не существует), которая в свое время бросилась мне в глаза:
«Метан играет главную роль в поддержании плотной азотной атмосферы Титана и служит источником углеводородного тумана, поглощающего инфракрасное излучение Солнца и нагревающего стратосферу приблизительно до 100° C. Он также является источником водорода, столкновения молекул которого приводят к нагреву тропосферы на 20° С. Если метан когда-нибудь иссякнет, температура понизится, газообразный азот сконденсируется, и атмосфера осядет ».

Читайте мою работу "Спутник Сатурна Титан - далекий двойник Земли "

Предлагаю обсудить данный вопрос на в теме " "

© А.В. Колтыпин, 2011

При перепечатке данной работы гиперссылка на сайт или http://earthbeforeflood.com обязательна

Читайте также мои работы "Земля в раннем палеогене и планета Уран - близнецы, братья!? К каким неожиданным выводам можно прийти на стыке астрономии, геологии и фольклора ", "

Когда ученые говорят о возможности существования жизни за пределами Земли, как правило, их внимания удостаиваются планеты и спутники, на которых есть как минимум три условия для потенциального формирования живых организмов, а именно — тепло, пригодная для жизни атмосфера и вода.

Крупнейший спутник Сатурна — Титан — представляет собой поистине уникальное место. Его атмосферное давление схоже с земным, атмосфера богата азотом (в атмосфере нашей планеты азота более 78%). Титан — единственное место в Солнечной системе (разумеется, за исключением Земли), где идут дожди и образуются туманы.

Кроме того, на Титане есть моря, озера и реки — правда, все они вместо воды содержат жидкий метан и этан.

Возможность существования жизни на Титане обсуждается учеными уже давно. Многие исследователи полагали, что это невозможно, так как Титан сильно удален от Солнца и из-за этого там слишком холодно. Кроме того, атмосфера спутника помимо азота богата еще и ядовитым метаном, а воды на Титане и вовсе нет. Именно поэтому ранее его рассматривали как не слишком подходящее место для зарождения жизни.

Однако последнее исследование группы ученых, возглавляемых Дэвидом Шэллоуэем из Корнелльского университета, показывает, что жизнь на Титане могла сформироваться и в отсутствие жидкой воды — об этом была опубликована в последнем выпуске журнала PNAS.

«Мы привыкли к земным условиям. Наша научная деятельность проходит при комнатной температуре и «тепличных» условиях. Титан — это совсем другое дело», — говорит один из авторов работы Мартин Рам из Корнелльского университета.

Ученые исследовали химический состав спутника Сатурна и пришли к выводу, что присутствующая на Титане синильная кислота (или цианистый водород — его формула HCN) могла создать подходящие условия для появления жизни. Для человека синильная кислота ядовита. Это вещество содержится в табачном дыме, коксовом газе, выделяется при разложении полиуретана. Впрочем, даже в нашем организме синильная кислота может выполнять полезные функции — так, например, ее вырабатывают нейроны для усиления эффективности передачи нервных импульсов, кроме того, она выделяется лейкоцитами и способствует гибели вредных микроорганизмов.

В результате химических реакций, происходящих на Титане, молекулы синильной кислоты HCN способствуют образованию полимеров, в частности полииминов. Полиимины способны поглощать широкий спектр световых лучей — так, что это делает возможным поглощение даже того незначительного количества солнечного света, который проникает сквозь атмосферу Титана. Кроме того, полиимины могут становиться основой для образования аминокислот и нуклеиновых кислот (основ для белков и ДНК). «Органические молекулы, жидкие озера и моря (метановые, не водяные), а также некоторое количество достигающей поверхности солнечной энергии — все это предполагает возможность формирования среды, где может образоваться некая экзотическая форма жизни», — рассказывает один из авторов работы Джонатан Ланин.

«Полиимины могут существовать в виде разнообразных структур и выполнять многие функции даже при низких температурах, а особенно в условиях Титана», — комментирует Мартин Рам. «Полиимины могут принимать форму листка бумаги, — дополняет Джонатан Ланин.

— Они, как кирпичи, могут служить каталитической основой для прохождения первичных химических реакций. Мы также выяснили, что полиимины поглощают свет — там, где атмосфера Титана более прозрачна. Этот свет может служить источником энергии для реакций».

Авторы работы пользовались данными, полученными в ходе миссии «Кассини-Гюйгенс». Этот аппарат, созданный NASA в сотрудничестве с Европейским и Итальянским космическими агентствами, был запущен 15 октября 1997 года. Его целью является изучение Сатурна, его спутников и колец. 14 января 2005 года «Кассини-Гюйгенс» вошел в атмосферу Титана. Изначально миссия была запланирована до 2008 года, но в итоге была продлена до 2017-го.

Результаты анализа проб, собранных космическим аппаратом, позволили ученым провести компьютерное моделирование процессов, в ходе которых оказалось, что полиимин действительно мог бы служить «исходной точкой» на пути зарождения жизни. Кроме того, ученым известно, что «предшественник» полиимина — синильная кислота могла играть существенную роль в процессах зарождения жизни на нашей планете. Результаты этой работы были опубликованы в журнале Nature Chemistry в 2015 году.

Авторы работы подчеркивают, что их выводы являются исключительно теоретическими, а на поверхности Титана не было найдено никаких прямых доказательств того, что на этом спутнике Сатурна когда-либо существовала жизнь — пусть даже и в экзотической, не похожей на земную, форме.

Впрочем, с тем, что метан все-таки может в определенном смысле заменить воду и способствовать появлению определенных форм живых организмов, ученые все же согласны: так, в недавнем интервью «Газете.Ru» Игорь Митрофанов, заведующий отделом ядерной планетологии ИКИ РАН, : «Если мы ничего не найдем на Луне и Марсе, то следующее место, где надо искать жизнь, — в океанах этих спутников (речь идет об Энцеладе и Европе — спутниках Сатурна и Юпитера. — «Газета.Ru»), либо искать формы жизни, основанные не на воде, а, например, на жидком метане».

Необычное распределение веществ в атмосфере спутника Сатурна и на его поверхности подкрепляет версию о существовании там микроорганизмов. И хотя у найденных аномалий, как уточняют специалисты, вполне может найтись и абиогенное объяснение, бактерии Титана — один из вероятных кандидатов в виновники наблюдаемых чудес.

Ещё пять лет назад учёные предположили , что на Титане может существовать необычная форма жизни — организмы, производящие метан. Дышать такие существа должны водородом, а в пищу употреблять ацетилен . Присутствие таких бактерий приводило бы к различию в концентрации водорода в толще атмосферы Титана и близ его поверхности. То же верно и в отношении ацетилена: на поверхности его практически не должно быть, если микробы его постоянно съедают.

Именно такой результат и принёс анализ данных со спектрометров Cassini. Никаких признаков ацетилена внизу не найдено, хотя ультрафиолет должен постоянно производить его в атмосфере спутника из имеющихся там веществ. Аналогично обстоит дело с водородом. Ультрафиолет в верхней атмосфере разлагает метан и всё тот же ацетилен, так что водород на грунт Титана поступает не меньшим потоком, чем убегает в космос. Но на самой поверхности водород исчезает.

Возможное абиогенное объяснение: синтез метана из водорода и ацетилена на поверхности луны. Но в силу низкой температуры на Титане такие реакции могут быть запущены только в присутствии мощного катализатора, например неких неизвестных ещё минералов, сообщают исследователи в пресс-релизе Лаборатории реактивного движения. И хотя бритва Оккама заставляет выдвигать биологическую версию в последнюю очередь, открытие ранее предсказанных аномалий для сторонников внеземной жизни — оптимистичный сигнал.

Титан — настоящая кладовая органики . Вот ещё одно подтверждение: на поверхности не найден водяной лёд, хотя он там должен быть. Объяснение: из атмосферы постоянно выпадает столь много органических соединений, что они укрывают лёд слоем от нескольких миллиметров до сантиметров (это на суше, а глубина озёр ещё точно не известна). В частности, приборы обнаружили на поверхности Титана бензол и ещё один сложный углеводород, пока неопознанный.

Результаты исследований по ацетилену и водороду Титана опубликованы соответственно в

В январе издательство «Альпина Нон-фикшн» выпускает книгу «За пределами Земли: В поисках нового дома в Солнечной системе» планетолога Аманды Хендрикс и научного журналиста Чарльза Уолфорта. Forbes Life нашел в ней вполне реалистичное предположение того, как мог бы выглядеть человеческий быт на Титане, крупнейшем спутнике Сатурна, и публикует отрывок из книги.

Однажды люди научатся жить на Титане, самом крупном спутнике Сатурна. Они будут черпать энергию из безграничных запасов ископаемого топлива, а кислород - из замерзшей воды, составляющей большую часть массы Титана. Азотная атмосфера, которая плотнее земной, защитит человека от космического излучения и позволит ему жить в негерметичных строениях и передвигаться не в скафандрах, а в очень теплой одежде и респираторах. Люди будут кататься на лодках по озерам жидкого метана и летать, подобно птицам, в холодной плотной атмосфере при помощи крыльев за спиной.

Произойдет это потому, что в определенный момент в этом возникнет необходимость. Сегодня холодные мрачные небеса Титана непривлекательны и невероятно далеки. У нас пока нет технологий, позволяющих отправить людей на Титан. Но технологии развиваются, а перспективы Земли ухудшаются. В прежние времена человеческие существа уже отправлялись в неведомые и опасные дали, когда жизнь в привычном месте становилась невыносимой. Если жители Земли не начнут вести себя иначе, то новый мир на Титане, свободный от войн и климатических катаклизмов, может стать привлекательным для колонистов.

Строительство автономной космической колонии - в нескольких десятилетиях и технологических шагах от нас. Но многие ученые и инженеры уже думают о ней, поскольку это приключение - из тех, ради которых они выбрали профессию, и поскольку создание колонии ставит острейшие вопросы о сегодняшних технологиях, исследованиях и космической промышленности. В самом деле, такая цель, как переселение человека на другую планету, - лучшее оправдание программы США по пилотируемым космическим полетам.

Почему Титан?

Вода в жидкой и твердой форме вдали от Солнца встречается в изобилии. В глубинах спутников Сатурна и Юпитера содержатся скальные породы, но вода составляет куда большую долю их объема, чем у внутренних планет. Например, Титан крупнее Меркурия, его радиус на 50% превышает радиус Луны, но его плотность ниже, а тяготение, соответственно, слабее - ведь вода менее плотна, чем камень и металл.

В Солнечной системе только Титан буквально завален топливом, которое мы могли бы добывать и сжигать, пользуясь технологиями едва ли сложнее газовых печей, встречающихся в типичных американских домах. Земной природный газ в основном состоит из метана, как озера и моря Титана. Прибрежные дюны Титана - тоже углеводородные, в основном из более тяжелых и сложных органических соединений, которые называются полициклическими ароматическими углеводородами. Учитывая атмосферную углеводородную фабрику Титана и низкие температуры, все это логично.

Имея на Титане электростанции, питаемые углеводородным топливом, колонисты могли бы строить большие, освещенные теплицы, выращивать в них пищу и перерабатывать углекислый газ, выделяющийся при сгорании, обратно в кислород. Почти все можно было бы делать из пластика, произведенного из местного сырья. Для добычи металлов и других тяжелых элементов, необходимых для питательных веществ и производства электроники, колония могла бы заняться разработкой астероидов с помощью космических аппаратов. Располагая неограниченной энергией и доступом к ресурсам, колонисты в итоге смогли бы построить дома по берегам озер, ходить по ним на лодках и летать на личном авиатранспорте.

Как будет устроена наша жизнь

Многие ученые воображали, каково было бы жить на Титане, ведь кажется, что это было бы так просто. Ральф Лоренц из Лаборатории прикладной физики Университета Джона Хопкинса написал о Титане пару книг. Он предлагал разнообразные исследовательские миссии, в том числе судно, похожее на буй, и ряд метеостанций. Когда мы общались с ним, он говорил о подлодке. «Любой земной транспорт можно осмысленно использовать где-то на Титане», - сказал Ральф.

На Титане люди могут выжить без скафандров

Лоренц отмечает, что на Титане люди могут выжить без скафандров, передвигаясь тепло одетыми и в кислородных масках, и жить в негерметичных зданиях. Нетрудно вообразить себя в странном оранжевом ландшафте Титана, стоящим на влажном, мягком грунте вроде того, который обнаружил зонд «Гюйгенс», с разбросанной вокруг галькой твердого льда. Темпера- тура там около –180 °C, но в одежде с толстой теплоизоляцией или нагревающими элементами было бы комфортно. Если одежда прорвется, это не убьет вас - главное не замерзнуть. Здесь не нужен громоздкий герметичный костюм вроде тех, что астронавты носят на Луне или в вакууме космоса.

Жилище на Титане может быть устроено подобно жилищам в полярных областях Земли, с использованием воздухонепроницаемой изоляции и свай, уберегающих от таяния лед и замерзшие углеводороды, на которых оно стоит. Простые двойные двери удержат кислород внутри. Если жилище даст течь, ее нужно устранить, но никакой непосредственной угрозы она не представляет. Устранить проблему до надлежащего ремонта можно куском изоленты. Вездесущие углеводороды содержат немало канцерогенов, поэтому, входя домой, важно почистить и снять уличную одежду.

У Титана и Антарктики есть некоторое сходство. Чтобы выжить в этих местах, требуется активное использование технологий, самое важное - обогрева. И туда и туда нужно везти припасы. Чтобы остаться в таком месте навсегда без внешней поддержки, понадобится источник энергии и производство пищи в закрытом помещении. В Антарктике, вероятно, полно ископаемого топлива, однако, чтобы его получить, потребуется пробить толстый лед. На Титане топливо лежит прямо на поверхности, а вот кислород придется добывать из недр. И там и там, чтобы выйти наружу, нужно подобающим образом одеться. Температура на Титане куда ниже, но погода там спокойнее.

Главное отличие Антарктики от Титана в том, что в Антарктике можно дышать атмосферным воздухом. Атмосфера Земли почти на 80% состоит из азота и на 20% - из кислорода. Атмосфера Титана - на 95% из азота и на 5% из метана. Мы не можем жить без кислорода, но все же воздух Титана для нас не является мгновенным ядом. В нем достаточно цианида, чтобы от него сильно разболелась голова, а азот приведет к наркозу, знакомому водолазам: обратимому состоянию, похожему на опьянение. При поломке дыхательного аппарата вы потеряете сознание через минуту, но вас можно возвратить к жизни, если вовремя предоставить доступ к кислороду.

В слабом поле тяготения Титана легко летать

Давление атмосферы Титана на 50% выше, чем на Земле. Этой атмосферы более чем достаточно для защиты от радиации и микрометеоритов. Из-за холода воздух также вчетверо плотнее, чем на Земле. Это приводит к двум любопытным побочным эффектам. Первый - медленно меняющаяся устойчивая погода. Второй - в слабом поле тяготения Титана легко летать.

Тяготение Титана составляет лишь 14% земного, даже меньше, чем лунные 17% (Титан куда крупнее Луны, но Луна содержит больше скальных пород, масса которых порождает более сильное тяготение, чем вода, из которой по большей части состоит Титан). В слабом лунном тяготении астронавты «Аполлона» передвигались прыжками, как при замедленной съемке, будто воздушные шарики, отскакивающие от пола. На Титане с еще меньшей гравитацией их бы дополнительно поддерживала плотная атмосфера; в костюме с крыльями они легко планировали бы на значительные расстояния.

Назад дороги не будет

Человеческое тело, вероятно, приспособится к Титану таким образом, что это затруднит возвращение на Землю.

Наши тела обусловлены тяготением. Кости бегунов формируются более прочными благодаря силе, с которой их стопы сталкиваются с землей. Пациент, надолго прикованный к больничной койке, теряет мышечный тонус и порой ослабевает настолько, что не может стоять. NASA разобралось, как тренировать астронавтов на МКС, чтобы они сохраняли мышечную массу и плотность костей в ходе шестимесячного пребывания в невесомости, но для этого требуется проводить на специальных тренажерах по два часа в день. Большинство колонистов на Титане, скорее всего, будут придерживаться распорядка тренировок не лучше типичного обитателя Земли с неиспользованным абонементом в спортзал. Со временем они, скорее всего, слишком ослабнут для того, чтобы жить на Земле.

Колонисты также будут зависеть от искусственного освещения. Каждый, кто жил в северных широтах, знает, что естественный свет и темнота регулируют жизнь, влияют на настроение и работоспособность как в помещениях, так и на улице. На полюсах солнце светит все лето, а всю зиму стоит ночь. На полюсах никто, кроме исследователей, не живет, но жителям северных регионов намного южнее полюса все равно приходится приспосабливаться к изменениям освещенности физически и с помощью технологий. Коренные народы пережидали зиму, получая из пищи вроде жира морских млекопитающих витамин D, который жители умеренных климатических зон получают от Солнца. Летом народы Севера становятся энергичными и долгими солнечными днями запасают пищу.

Современные обитатели полярных климатических зон поддерживают суточный цикл сна и бодрствования искусственным освещением. Они питаются обработанной пищей, содержащей витамин D (однако зачастую в недостаточном количестве). В отсутствие регулируемого суточного цикла и достаточного количества яркого света и витамина D многие люди впадают в депрессию и сезонную хандру, начинающуюся с осенним ослабеванием естественной освещенности.

Естественные циклы света и темноты будут совершенно непривычными

На Титане освещение помещений и подобающая диета будут круглогодичной необходимостью. Естественные циклы света и темноты будут совершенно непривычными. Будучи спутником Сатурна, Титан всегда повернут к нему одной и той же стороной. Однако оранжевая атмосфера, вероятно, не позволяет увидеть звезды и планеты. (Во всяком случае, Титан находится в плоскости колец Сатурна, так что их не будет видно.) Колония, без сомнения, была бы построена на стороне Титана, обращенной к Сатурну; в этом месте отраженный от Сатурна свет, вероятно, поддерживает слабую освещенность в течение всего дня, за исключением времени, которое Титан оказывается в тени Сатурна. День длится 16 земных суток, так что пару недель освещение будет слегка усиливаться Солнцем, а следующая пара недель будет потемнее. Год на Титане равняется 29 земным годам, так что каждое из четырех времен года длится примерно 7,5 лет. «Кассини» исследовал Титан почти половину местного года, начав летом у южного полушария; сейчас начинается лето в северном полушарии, и мы лишь начинаем понимать влияние сезонов на погоду.

Нам пока еще многое не известно о Титане, но мы знаем, что если туда доберемся, то смогли бы там жить.

В левой части изображения можно видеть мозаику из снимков, сделанных космическим аппаратом Кассини в ближнем инфракрасном диапазоне. На снимке видны полярные моря и отражающийся от их поверхности солнечный свет. Отражение расположено в южной части Моря Кракена , самого крупного водоема на Титане. Заполнен этот водоем вовсе не водой, а жидким метаном и смесью других углеводородов. В правой части изображения можно видеть снимки Моря Кракена, сделанные радаром Кассини. Кракен – это имя мифического чудовища, обитавшего в северных морях. Такое название как бы намекает на то, какие надежды связывают астробиологи с этим загадочным инопланетным морем .

Может ли на большом спутнике Сатурна, Титане , существовать жизнь? Этот вопрос вынуждает астробиологов и химиков очень осторожно и творчески разбираться в химии жизни и в том, чем на других планетах она могла бы отличаться от химии жизни на Земле. В феврале группа исследователей из Корнелльского университета, в том числе аспирант факультета химического машиностроения Джеймс Стивенсон, планетолог Джонатан Люнин и инженер-химик Полетт Клэнси, опубликовала новаторский труд, суть которого заключается в том, что мембраны живых клеток могут формироваться в экзотической химической среде, присутствующей на этом удивительном спутнике.

Во многих аспектах Титан - это двойник Земли. Это второй по величине спутник в Солнечной системе, он больше планеты Меркурий. Как и у Земли, у него есть плотная атмосфера, давление которой у поверхности немного выше, чем на Земле. Не считая Земли, Титан единственный объект в нашей Солнечной системе, на поверхности которого есть скопления жидкости. Космический аппарат НАСА Кассини обнаружил в полярных регионах Титана изобилие озер и даже рек. Самое большое озеро или море, называется Море Кракена, его площадь превышает площадь Каспийского моря на Земле. Из наблюдений, сделанных космическим аппаратом, и результатов лабораторных экспериментов ученые установили, что в атмосфере Титана присутствует много сложных органических соединений, из которых строится жизнь.

Глядя на все это, может создаться впечатление, что Титан крайне пригодное для жизни место. Название «Кракен», так именовали мифического морского монстра, отражает тайные надежды астробиологов.Но Титан – это инопланетный близнец Земли. Он почти в 10 раз дальше от солнца, чем Земля, температура его поверхности составляет леденящие -180 градусов Цельсия. Как мы знаем, вода является неотъемлемой частью жизни, но на поверхности Титана она твёрдая, как камень. Водяной лёд там, это всё равно что породы из кремния на Земле, образующие внешние слои земной коры.

Жидкость, наполняющая озёра и реки Титана, не вода, а жидкий метан, скорее всего, смешанный с другими веществами такими, как жидкий этан, которые на Земле присутствуют в газообразном состоянии. Если в морях Титана и водится жизнь, то она не похожа на наши представления о жизни. Это будет совершенно чужеродная для нас форма жизни, органические молекулы которой растворены не в воде, а в жидком метане. А возможно ли такое в принципе?

Команда из Корнелльского университета изучила одну ключевую часть этого непростого вопроса, рассмотрев возможность существования клеточных мембран в жидком метане. Все живые клетки, по сути, это система самоподдерживающихся химических реакций, заключенная в мембрану. Учёные считают, что клеточные мембраны появились в самом начале истории возникновения жизни на Земле, а их формирование, возможно, стало первым шагом к зарождению жизни.

У нас на Земле о клеточных мембранах все знают из школьного курса биологии. Эти мембраны состоят из больших молекул, называемых фосфолипидами. У всех молекул фосфолипидов есть «головка» и «хвост». Головка представляет собой фосфатную группу, где атом фосфора связан с несколькими атомами кислорода. Хвост же состоит из одной или нескольких нитей атомов углерода длиной в 15 – 20 атомов, к которым с каждой стороны присоединены атомы водорода. Головка, из-за отрицательного заряда фосфатной группы, имеет неравномерное распределение электрического заряда, поэтому её называют полярной. Хвост же, с другой стороны, электрически нейтрален.

У нас на Земле клеточные мембраны состоят из молекул фосфолипидов, растворённых в воде. Основой фосфолипидов являются атомы углерода (серого цвета), плюс в их состав также входят атомы водорода (небесно-голубого цвета), фосфора (желтого цвета), кислорода (красного цвета) и азота (синего цвета). Из-за положительного заряда, который даёт холиновая группа, содержащая атом азота, и отрицательного заряда фосфатной группы, головка фосфолипидов полярна и притягивает молекулы воды. Таким образом, она гидрофильна. Хвост углеводорода электрически нейтрален, поэтому он гидрофобный. Структура клеточной мембраны зависит от электрических свойств фосфолипидов и воды. Молекулы фосфолипидов формируют двойной слой - гидрофильные головки, контактирующие с водой, снаружи, а гидрофобные хвосты смотрят внутрь, соединяясь друг с другом.

Такие электрические свойства молекул фосфолипидов определяют то, как они ведут себя в водном растворе. Если говорить об электрических свойствах воды, то её молекула полярна. Электроны в молекуле воды сильнее притягиваются к атому кислорода, нежели к двум атомам водорода. Поэтому со стороны двух атомов водорода молекула воды имеет небольшой положительный заряд, а со стороны атома кислорода она имеет небольшой отрицательный заряд. Такие полярные свойства воды вынуждают её притягиваться к полярной головке молекулы фосфолипидов, которая является гидрофильной, и в то же время отталкиваться от неполярных хвостов, которые являются гидрофобными.

Когда молекулы фосфолипидов растворяются в воде, совокупность электрических свойств обоих веществ заставляет молекулы фосфолипидов формировать мембрану. Мембрана замыкается в небольшую сферу, называемую липосомой. Молекулы фосфолипидов образовывают бислой толщиной в две молекулы. Полярные гидрофильные молекулы образуют внешнюю часть бислоя мембраны, которая контактирует с водой на внутренней и внешней поверхности мембраны. Гидрофобные хвосты соединены друг с другом во внутренней части мембраны. Хотя молекулы фосфолипидов остаются неподвижными относительно своего слоя, в то время как их головки смотрят наружу, а хвосты внутрь, слои всё же могут перемещаться относительно друг друга, давая мембране достаточную подвижность, которая необходима жизни.

Двухслойные мембраны из фосфолипидов являются основой всех клеточных мембран на земле. Даже сама по себе липосома может расти, воспроизводить себя и способствовать протеканию определённых химических реакций необходимых для существования живых организмов. Именно поэтому некоторые биохимики считают, что формирование липосом стало первым шагом на пути к возникновению жизни. Во всяком случае, формирование клеточных мембран должно было произойти на раннем этапе зарождения жизни на Земле.

Слева - вода, полярный растворитель, состоящий из атомов водорода (Н) и кислорода (О). Кислород притягивает электроны сильнее, чем водород, поэтому молекула со стороны атомов водорода имеет положительный результирующий заряд, а сторона кислорода – отрицательный результирующий заряд. Дельтой (δ) обозначается частичный заряд, то есть меньше целого положительного или отрицательного заряда. Справа - метан, симметричное расположение атомов водорода (Н) вокруг центрального атома углерода (С) делает его неполярным растворителем.

Если жизнь на Титане в той или иной форме существует, будь то морское чудище или (скорее всего) микробы, то без клеточных мембран они не обойдутся, как и всё живое на Земле. Могут ли двухслойные мембраны из фосфолипидов формироваться в жидком метане на Титане? Ответ – нет. В отличие от воды, электрический заряд молекулы метана распределен равномерно. У метана нет полярных свойств воды, поэтому он не может притягивать головки молекул фосфолипида. Такая возможность необходима фосфолипидам для образования земной клеточной мембраны.

Были проведены эксперименты, в ходе которых фосфолипиды растворялись в неполярных жидкостях при земной комнатной температуре. В таких условиях фосфолипиды формируют «обратную» бислойную мембрану. Полярные головки молекул фосфолипидов соединяются друг с другом в центре, притягиваясь своими зарядами. Неполярные хвосты образуют внешнюю поверхность «обратной» мембраны, контактирующую с неполярным растворителем.

Слева - фосфолипиды растворены в воде, в полярном растворителе. Они образуют бислойную мембрану, где полярные, гидрофильные головки обращены к воде, а гидрофобные хвосты – друг к другу. Справа – фосфолипиды растворены в неполярном растворителе при земной комнатной температуре, в таких условиях они формируют обратную мембрану, когда полярные головки обращены друг к другу, а неполярные хвосты обращены наружу к неполярному растворителю.

Может ли у живых организмов на Титане быть обратная мембрана из фосфолипидов? Корнелльская команда пришла к заключению, что такая мембрана не пригодна для жизни по двум причинам. Во-первых, при криогенных температурах жидкого метана хвосты фосфолипидов становятся жесткими, лишая тем самым сформировавшуюся обратную мембрану любой подвижности необходимой для существования жизни. Во-вторых, две ключевых составляющих фосфолипидов – фосфор и кислород, скорее всего, отсутствуют в метановых озёрах Титана. В поисках клеточных мембран, которые могли бы существовать на Титане, Корнелльской команде нужно было выйти за рамки знакомого всем школьного курса по биологии.

Хотя мембраны из фосфолипидов были исключены, ученые считают, что любая клеточная мембрана на Титане всё-таки будет похожа на обратную мембрану из фосфолипидов, полученную в лаборатории. Такая мембрана будет состоять из полярных молекул, соединенных друг с другом за счет разности зарядов, растворенных в неполярном жидком метане. Что же это могут быть за молекулы? За ответами исследователи обратились к данным, полученным с Кассини и из лабораторных экспериментов, в ходе которых воссоздавался химический состав атмосферы Титана .

Известно, что атмосфера Титана имеет очень сложный химический состав. В основном она состоит из азота и метана в газообразном состоянии. Когда космический аппарат Кассини проанализировал состав атмосферы средствами спектроскопии, было обнаружено, что в атмосфере присутствуют следы самых разнообразных соединений углерода, азота и водорода, которые называются нитрилами и аминами. Исследователи смоделировали химический состав атмосферы Титана в лабораторных условиях, подвергая смесь азота и метана воздействию источников энергии, имитирующих солнечный свет на Титане. В результате образовался бульон из органических молекул, называемых толинами. Они состоят из соединений водорода и углерода, то есть углеводородов, а также нитрилов и аминов.

Исследователи из Корнелльского университета посчитали нитрилы и амины потенциальными кандидатами на роль основы для формирования титанианских клеточных мембран. Обе группы молекул полярны, что позволяет им соединяться, формируя тем самым мембрану в неполярном жидком метане благодаря полярности азотных групп, составляющих эти молекулы. Они пришли к выводу, что подходящие молекулы должны быть гораздо меньше фосфолипидов, чтобы они могли образовывать подвижные мембраны при температурах существования метана в жидкой фазе. Они рассмотрели нитрилы и амины, содержащие цепочки из 3 - 6 атомов углерода. Группы, содержащие азот, называются азото- группами, поэтому команда дала титанианскому аналогу липосомы название «азотосома».

Синтезировать азотосомы в экспериментальных целях дорого и трудно, так как эксперименты необходимо проводить при криогенных температурах жидкого метана. Однако, так как предложенные молекулы уже были хорошо изучены в ходе других исследований, команда Корнелльского университета посчитала оправданным обратиться к вычислительной химии, чтобы определить, смогут ли предложенные молекулы формировать подвижную мембрану в жидком метане. Компьютерные модели уже успешно применялись для исследования привычных нам клеточных мембран из фосфолипидов.

Было установлено, что акрилонитрил может стать возможной основой для формирования клеточных мембран в жидком метане на Титане. Известно, что он присутствует в атмосфере Титана в концентрации 10 миллионных долей, плюс он был синтезирован в лаборатории при моделировании воздействия источников энергии на азотно-метановую атмосферу Титана . Так как эта маленькая полярная молекула способна растворяться в жидком метане, она является кандидатом на роль соединения, которое может формировать клеточные мембраны в условиях альтернативной биохимии на Титане. Голубой – атомы углерода, синий – атомы азота, белый – атомы водорода.

Полярные молекулы акрилонитрила выстраиваются в цепочки головками к хвостам, формируя мембраны в неполярном жидком метане. Голубой – атомы углерода, синий – атомы азота, белый – атомы водорода.

Компьютерное моделирование, проведенное нашей группой исследователей, показало, что некоторые вещества можно исключить, так как они не будут формировать мембрану, будут слишком жесткими или образуют твёрдые вещества. Тем не менее, моделирование показало, что некоторые вещества могут формировать мембраны с подходящими свойствами. Одним из таких веществ стал акрилонитрил, наличие которого в атмосфере Титана в концентрации 10 миллионных долей обнаружил Кассини. Несмотря на огромную разницу в температурах между криогенными азотосомами и липосомами, существующими при комнатной температуре, моделирование продемонстрировало, что они обладают поразительно схожими свойствами стабильности и реакции на механическое воздействие. Таким образом, клеточные мембраны, подходящие для живых организмов, могут существовать в жидком метане.

Моделирование посредством вычислительной химии показывает, что акрилонитрил и несколько других маленьких полярных органических молекул, содержащих атомы азота, могут формировать «азотосомы» в жидком метане. Азотосомы – это маленькие мембраны в форме сферы, напоминающие липосомы, сформированные из фосфолипидов, растворенных в воде. Компьютерное моделирование показывает, что азотосомы на основе акрилонитрила будут как стабильными, так и гибкими при криогенных температурах в жидком метане, что даёт им необходимые свойства для функционирования в качестве клеточных мембран для гипотетических титанианских живых организмов или любых других организмов на планете с жидким метаном на поверхности. Азотосома на изображении имеет размер 9 нанометров, что примерно составляет размер вируса. Голубой – атомы углерода, синий – атомы азота, белый – атомы водорода.

Ученые из Корнелльского университета рассматривают полученные данные в качестве первого шага к демонстрации того, что жизнь в жидком метане возможна, и к разработке методов обнаружения такой жизни на Титане будущими космическими зондами. Если жизнь в жидком азоте возможна, то следующие из этого выводы, выходят далеко за границы Титана.

В поисках условий пригодных для жизни в нашей галактике астрономы обычно ищут экзопланеты, орбиты которых находятся в рамках зоны обитаемости звезды , которая определяется узким диапазоном расстояний, в пределах которых температура на поверхности землеподобной планеты позволит существовать жидкой воде. Если жизнь в жидком метане возможна, тогда у звезд должна быть ещё и метановая обитаемая зона - область, где метан на поверхности планеты или ее спутника может находиться в жидкой фазе, создавая условия для существования жизни. Таким образом, количество обитаемых планет в нашей галактике резко возрастёт. Возможно, на некоторых планетах метановая жизнь развилась в сложные формы, которые мы себе едва ли сможем представить. Кто знает, может некоторые из них даже похожи на морских чудовищ.