Спутник для жизни: как на Титане могут возникнуть предшественники живых клеток

Спутник Сатурна Титан — возможно, лучшее место для поиска внеземной жизни. Он богат органикой, там есть атмосфера, а под слоем льда может скрываться океан жидкой воды. Недавняя работа астробиологов делает это небесное тело еще более интригующим.

Метановые реки в ледяных берегах

На Титане идут дожди и текут реки. Это единственное тело в Солнечной системе, кроме Земли, на поверхности которого есть жидкость. Но эта жидкость — метан. При местной температуре около -180 °С метан может существовать в любом из трех состояний: льда, жидкости и газа, как вода на Земле. Газообразный метан составляет от 2% до 5% атмосферы Титана. Жидкая смесь метана и этана собирается в облака, выпадает из них дождями, наполняет местные озера и моря, и, по данным некоторых исследований, образует «грунтовые воды».

Метан — простейшее органическое вещество. В верхних слоях местной атмосферы, под действием ультрафиолетовых лучей Солнца, формируется органика посложнее — ей мы обязаны оранжевой дымкой, вечно затягивающей хмурое небо Титана. Выпадая на поверхность, такие вещества образуют сугробы органического снега. Астрономы распознали на Титане 24 соединения, включая бензол и цианоацетилен. Но это капля в море пока не опознанной органики. 

К слову, на Титане очень много воды. На поверхности она, конечно, существует в виде льда, из которого в основном и состоит кора спутника. Но на глубине 55-80 км под слоем льда может скрываться огромный водный океан. По крайней мере, так получается по данным орбитальных измерений с зонда «Кассини». И если подледное море Титана так же богато органическими веществами, как его поверхность, то трудно найти более подходящее место для зарождения жизни.

Убийственная предосторожность

К гипотезе об обитаемости Титана ученые относятся очень серьезно. В 2005 году на загадочное небесное тело сел зонд «Гюйгенс», доставленный в систему Сатурна орбитальным аппаратом «Кассини». Это была первая и пока единственная посадка на спутник другой планеты. Зонд был собран в весьма стерильной среде, чтобы исключить заражение Титана земными микробами. Переданные «Гюйгенсом» данные так впечатлили экспертов, что было решено ни в коем случае не допустить падения «Кассини» на Титан.

В 2017 году у аппарата почти закончилось топливо для коррекции орбиты. Научные приборы все еще работали, солнечные батареи давали энергию. Можно было перевести «Кассини» на стабильную орбиту вокруг Сатурна и продолжать сбор данных. Но в этом случае он мог бы в конце концов упасть на Титан. Так что очень дорогой и вполне исправный зонд, первый и пока единственный искусственный спутник Сатурна, добиравшийся до места семь лет, отправили в самоубийственное падение на планету-гигант. Все ради того, чтобы он не загрязнил потенциально обитаемую луну, на которую мог даже не попасть, земными микробами. Которые вряд ли перенесли бы многолетний космический полет, едва ли выжили бы на поверхности Титана и уж тем более не просочились бы под десятки километров льда, в гипотетический водный океан. И все же специалисты предпочли не рисковать внеземной биосферой.

Пицца с майонезом

На поверхности Титана, при температуре -180 °С невозможна жизнь, какой мы ее знаем. Может ли в таких условиях существовать какая-то другая, особенная жизнь? Подойдет ли жидкий метан на роль воды? Могут ли из местной органики образоваться молекулы, по сложности подобные белкам или даже ДНК? Такое предположение отдает научной фантастикой хотя бы потому, что при столь низкой температуре любые химические реакции идут очень медленно. Трудно представить себе живое существо со столь неторопливым обменом веществ. И все же этот вариант нельзя сбрасывать со счетов. 

Кроме того, жизнь не появляется в одночасье. Считается, что биологической эволюции на Земле предшествовала химическая. В круговороте разнообразной органики появлялись все более сложные химические системы, пока какие-то из них не перешли грань между живым и неживым. Титан — тоже царство сложной органики. И хотя поверхность этой луны совсем не похожа на древнюю Землю, ученым очень интересно, идет ли там химическая эволюция и как далеко она могла бы зайти.

Авторы недавнего исследования считают, что в метановых озерах Титана могут возникать далекие предшественники живых клеток. Это везикулы — полости, отгороженные от мира мембраной из органических веществ.

Возникновение везикул считается одним из самых ранних этапов зарождения жизни на Земле. Это не случайно. Даже самая примитивная протоклетка — это система из разнообразных молекул, сообща делающих сложную химическую работу. Ее нужно как-то отгородить от внешней среды, чтобы накопленные «плоды трудов» оставались на месте, а не рассеивались по всему водоему.

В современных клетках эту проблему решают липиды — вещества, похожие на жиры. Молекулы липидов, если изобразить их схематически, напоминают головастиков. «Хвосты» избегают контакта с водой, а «головы», напротив, стремятся к нему. В результате молекулы липидов выстраиваются в пленку из двух слоев, повернутых друг к другу «хвостами». Внешний слой обращен «головами» к влаге внешней среды, а внутренний — к внутриклеточной влаге. Эта двойная липидная пленка — основа клеточной мембраны. Теорию, согласно которой липидные везикулы появились раньше других компонентов жизни, поэтично называют моделью первичного майонеза — из-за шариков жира, плавающих в этом популярном соусе. Есть еще модель первичной пиццы, гласящая, что жизнь зародилась в тонких слоистых породах, например, в глине. Полости в породе и стали уютными гнездышками, отгораживающими «лабораторию по изобретению жизни» от остального мира. Две версии не исключают друг друга: липидные пузырьки легко образуются вокруг частиц глины.

Инструкция по созданию протоклетки

Однако вернемся на Титан. Каким образом там могли бы образоваться везикулы? Авторы недавнего исследования написали настоящую пошаговую инструкцию.

Все начинается с образования амфифильных соединений, или амфифилов. Так называются вещества, у которых, как и у липидов, сложное отношение к окружающей жидкости: одна часть молекулы к ней тяготеет, а другая избегает. В атмосфере Титана действительно найдены такие соединения. Авторы предполагают, что они оседают на поверхность метановых озер, образуя тончайшую пленку. Такая пленка состоит из нескольких слоев, каждый толщиной в одну молекулу.

Дальше, по сценарию, идет метановый дождь или даже град. Он падает на поверхность озера, разбрызгивая жидкий метан. В воздух поднимаются мельчайшие капли жидкости, заключенные в мономолекулярный слой амфифилов, как в кожицу. Вскоре они падают обратно в озеро. Два слоя амфифилов — на поверхности капли и на поверхности озера — сталкиваются, взаимодействуют и… образуют двойной слой, как липиды в клеточной мембране. Вот и готова везикула!

Но это еще не все. Везикуле нужно не только образоваться, но и сохраниться на достаточное время, чтобы внутри нее успело произойти что-нибудь интересное. По мысли исследователей, оболочка везикулы, как липучка, собирает на себя молекулы амфифилов из окружающей среды. «Пополнения» делают ее более прочной и стабильной.

Мало того, в различных местах озера могут образоваться везикулы с разным составом оболочки. Они будут конкурировать друг с другом за свободные амфифилы. А это уже естественный отбор и, следовательно, эволюция — хотя еще и не биологическая. Авторы не исключают, что в конце концов подобные образования разовьются в настоящие протоклетки.

Подчеркнем, что эта работа — теоретическая. Однако авторы отмечают, что каждый этап придуманного ими процесса можно проверить в лаборатории. Кроме того, они предлагают способ искать везикулы и определять их состав непосредственно на Титане. Необходимый прибор достаточно компактен, чтобы оказаться на борту «Стрекозы» (Dragonfly). Это зонд NASA для посадки на Титан и полетов в его атмосфере, старт которого намечен на 2028 год.