Самосборка протоклеточных мембран на Титане оказалась невозможна

Компьютерное моделирование гипотетически существующих на Титане мембран показало их термодинамическую нестабильность. Это означает, что даже с учетом установленной кинетической и динамической устойчивости таких структур, их самопроизвольное возникновение исчезающе маловероятно. Однако не исключено, что гипотетической жизни на Титане не требуются мембраны, пишут авторы в журнале Science Advances.

Известная на Земле жизнь может существовать только благодаря мембранам. Как правило, сложные живые организмы используют билипидные мембраны, то есть замкнутые поверхности, состоящие из двух слоев белков и липидов, которые расположены гидрофобными концами внутрь, а гидрофильными — наружу. У биологических мембран выделяют множество функций, в том числе, селективное пропускание веществ, обеспечение межклеточного взаимодействия, удержание высокой концентрации нужных метаболитов внутри ограниченного объема и другие.

Титан является одним из самых перспективных с точки зрения астробиологии тел. Несмотря на низкие поверхностные температуры около 90 кельвин, на этом спутнике присутствует газовая оболочка, есть значимая сила тяжести, имеются обширные объемы веществ в жидком виде, а также происходят заметные сезонные изменения поверхности, связанные с осадками и происходящим круговоротом углеводородов. Также под действием солнечного света в атмосфере Титана могут протекать многие реакции, в результате которых образуются вещества (например, молекулярный водород, ацетилен и цианистый водород), обладающие существенной химической энергией.

Согласно гипотезе Опарина, примитивные мембраны возникли до появления полноценной жизни и обеспечили ее возникновение и развитие. Следуя подобной логике, ученые предположили возможность самостоятельного возникновения подобных структур и на Титане. 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. Более того, заметные количества акрилонитрила были найдены на этом спутнике.

Химики из Швеции под руководством Мартина Рама (Martin Rahm) из Технического университета Чалмерса изучили строение азотосом с точки зрения термодинамики. Известно, что как биологические, так и абиотические мембраны и мицеллы на Земле могут формироваться самостоятельно, так как оказываются состоянием с меньшей суммарной энергией, чем раствор своих компонентов. Авторы показали, что для азотосом это не так: молекулярный лед из акрилонитрила обладает более низкой энергией.

Молекулярный лед оказывается основным претендентом на наиболее термодинамически предпочтительную конфигурацию, так как небольшие полярные молекулы плохо растворяются в жидком метане (основном компоненте озер и морей на Титане), а ожидаемое основное состояние для любых молекул сложнее этана — это в любом случае твердый кристалл.

В новой работе химики воспользовались подходом на основе теории функционала плотности для расчета удельных энергий для четырех найденных в предыдущих экспериментах фаз акрилонитрилового льда. Авторам удалось подтвердить динамическую стабильность азотосом и обосновать их относительную стабильность — они соответствуют локальному минимуму потенциальной энергии. Однако молекулярный лед со строением Pna21 оказался на 8–11 килоджоулей на моль выгоднее азотосом при температуре в 90 кельвин и при учете растворения в жидком метане. В целом исследователи назвали самосборку азотосомы из тысячи молекул акрилонитрила статистически невозможной исходя из распределения Гиббса для состояний вещества в случае столь низких температур.

Тем не менее, ученые не считают, что их работа ставит крест на гипотезе об обитаемости Титана. Они отмечают, что одна из ключевых ролей мембран на Земле — обеспечение локального уменьшения энтропии и удержание ценных растворимых веществ от разбавления в огромном объеме окружающей воды — не релевантна в контексте Титана. Любые макромолекулы гипотетической жизни в таких условиях, а подобные соединения сегодня считаются абсолютно необходимыми для жизни, будут находиться в твердом виде и не рискуют быть растворенными. Химики также поясняют, что гипотетическая жизнь на Титане должна полагаться на транспорт небольших молекул, таких как водород, ацетилен или цианистый водород, а мембрана может помешать их диффузии. Поэтому они считают (хотя и честно называют всю эту часть работы сугубо спекулятивной), что жизни на Титане мембраны не нужны вовсе.

Ранее ученые добились незамерзания воды при -263 градусах Цельсия при помощи липидных мембран, просверлили клеточную мембрану посредством молекулярных машин и выделили в истории Луны два промежутка времени, когда на ее поверхности теоретически могла бы существовать жизнь.