Могут ли мембраны с обратной полярностью самособираться на спутнике Сатурна Титане?
Астробиологи исследуют химические и экологические пределы жизни, чтобы искать её возможные следы в атмосферах экзопланет и в Солнечной системе. Ключевым элементом земной жизни является липидный бислой. Ранее с помощью моделирования молекулярной динамики было предсказано, что на холодных мирах с жидкими углеводородами, таких как Титан, могут быть распространены мембраны с обратной полярностью — азотосомы, состоящие из небольших азотсодержащих молекул.
В новом исследовании, опубликованном в Science Advances, Х. Сандстрём и М. Рам из Технологического университета Чалмерса (Швеция) с помощью квантово-механических расчётов изучили термодинамическую возможность образования азотосом. Они пришли к выводу, что в отличие от липидных бислоев в воде, азотосомы не способны к самосборке в жидком метане на Титане. Учёные предполагают, что из-за экстремально низких температур (90–94 K) и отсутствия воды клеточные мембраны могут быть не нужны для гипотетической жизни на Титане. Эта работа важна для миссии Dragonfly, которая должна совершить посадку на Титан в 2034 году.
Условия на Титане:
- Температура поверхности: 90–94 K.
- Атмосфера и осадки: в основном метан и этан.
- Отсутствие жидкой воды и свободного кислорода на поверхности.
- Источник энергии для химии: солнечный свет (0.4 Вт/м²).
Что такое азотосомы?
Это мембраны из небольших молекул (например, акрилонитрила, C₂H₃CN) с азотсодержащей «головой» и углеводородным «хвостом». В них гидрофобные группы находятся снаружи (обратная полярность), в отличие от земных липидных мембран в воде. Ранее моделирование показало, что такие структуры в жидком метане могут обладать эластичностью, аналогичной липидным бислоям. В 2017 году акрилонитрил был обнаружен в атмосфере Титана с помощью телескопа ALMA.
Ключевые выводы исследования:
- Термодинамический барьер: Учёные использовали теорию функционала плотности (DFT) и моделирование молекулярной динамики. Расчёты показали, что для акрилонитрила кристаллическая фаза («молекулярный лёд») термодинамически более выгодна, чем образование мембраны-азотосомы. Это делает самосборку азотосом маловероятной.
- Кинетическая устойчивость: Хотя азотосомы на основе акрилонитрила могут быть кинетически устойчивыми и сохраняться долгое время при 90 K, путь их спонтанного образования не обнаружен.
- Альтернативные сценарии для жизни: В условиях Титана гипотетические биомолекулы, вероятно, будут существовать в твёрдом состоянии, не рискуя раствориться. Мембрана может даже мешать, затрудняя диффузию малых энергоносителей (например, ацетилена или цианистого водорода) и удаление продуктов метаболизма.
- Нужна ли мембрана? Из-за низкой температуры спектр химических реакций, способных повредить макромолекулы, на Титане уже, чем на Земле. Поэтому защитная функция клеточной мембраны может быть не столь критичной.
Значение работы:
Исследование подчёркивает важность проверки термодинамической и кинетической осуществимости структур, предсказанных в рамках вычислительной астробиологии. Сложность надёжного моделирования растёт с увеличением размера и сложности изучаемых молекул. Авторы призывают к тщательному вычислительному анализу предлагаемых пребиотических структур, чтобы направить будущие эксперименты по изучению химии Титана.