ВОЗМОЖНЫЕ БИОХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЖИЗНИ В КОСМОСЕ

Полный текст

Вопрос о существовании жизни вне в десятки раз [2]. Так как физические условия в Земли волновал человечество с древнейших космосе (давление, температура, их временные времён. Ещё Джордано Бруно высказывал изменения) меняются в чрезвычайно широких мысли о «множественности обитаемых ми- пределах, подавляющая часть планет, откры- ров». В начале XX века общество было взбудо- тых телескопом «Кеплер», непригодна для зем- ражено открытием «каналов» на Марсе и их ин- ной жизни. Жидкая вода существует в доста- терпретацией как искусственных ирригацион- точно узком диапазоне температур и давлений, ных сооружений. С началом эры регулярных поэтому совершенно неудивительно что усло- радиопередач, а затем и космической эры, ис- вия на большей части открытых экзопланет тория с внеземной жизнью обрела новые обо- планет не попадают в узкие рамки, задаваемые роты. С помощью радиосвязи мы могли прак- присутствием жидкой воды. В связи в этим, за- тически безошибочно отличить сигнал разум- манчивым выглядит поиск другой биохимиче- ной цивилизации от естественных процессов ской основы для жизни. Именно этому вопросу (точно так же, как и другие цивилизации могут посвящена данная статья. безошибочно отличить наши телепередачи от естественных процессов). С помощью косми- Возможна ли иная биохимическая основа ческих полётов мы можем надеяться на непо- жизни? средственную встречу, соприкосновение с вне- Определение жизни. Для того чтобы земной жизнью. Начало космической эры поро- заниматься поиском иных биохимических ос- дило огромный энтузиазм в этих направлениях, нов для жизни, необходимо дать определение в том числе в попытках найти и связаться с ра- самому понятию «жизнь». Жизнь, согласно зумной жизнью вне Земли [1]. Космический те- [3], это «самоподдержива-ющаяся химиче- лескоп «Кеплер» открыл новую эру в исследо- ская система, способная к Дарвиновой эволю- вании экзопланет (планет вне Солнечной си- ции». Из этого определе-ния вытекают все стемы), увеличив число известных экзопланет остальные признаки жизни, которые © Власова Б. Б., Власов А. Д., 2019. Власова Богуслава Божидарова (boggiebug@gmail.com), студент III курса лечебного факультета Самарского государственного медицинского университета, 443099, Россия, г. Самара, ул. Чапаевская, 89. Власов Андрей Дмитриевич (smi.vlasov.andrey@yandex.ru), старший преподаватель Самарского университета, 443086, Россия, г. Самара, Московское шоссе, 34. Вестник молодых учёных и специалистов Самарского университета. 2019. № 2 (15) 13 традиционно использовались для этого: адап- Если взглянуть на этот список более тивность (как следствие дарвино-вой эволю- общо, то можно сформулировать следующие ции), обмен веществ с окружающей средой, требования к биохимической основе жизни: способность к размножению, потреб-ление 1) наличие растворителя, в котором часть энергии (точнее, преобразование энер-гии из биохимических молекул будет хорошо рас- высокоорганизованных форм в низко-органи- творяться, а часть - нет; 2) наличие длинных зованные), и т. д. ветвистых цепочек и колец из атомов. Биохимические основы земной жизни Все три типа биополимеров, перечис- как пример. Жизнь земного типа основана на ленные ранее как основы биохимии земной следующих химических соединениях. жизни, можно объединить под одним требо- 1. Вода - универсальный растворитель ванием: наличие длинных разветвляющихся и среда для земной жизни. Все живые орга- цепочек с возможностью образования ко- низмы на Земле состоят более чем на 60-70 % лец. В случае земной жизни, эти цепочки и из воды по массе. кольца имеют в своей основе углерод (хотя 2. ДНК (дезоксирибонуклеиновая кис- и в состав всех вышеперечисленных биопо- лота) и РНК (рибонуклеиновая кислота) - лимеров входят ещё кислород, азот, водо- способ шифрования и передачи информации, род, в некоторые - сера). Посмотрим теперь молекулярный механизм наследования. на элементный состав земной жизни с точки 3. Белки (полипептиды) - выполняют в зрения распространённости элементов. На клетке 99 % специфических функций. Боль- рисунке 1 приведён график относительной шая часть белков выполняют функцию уско- распространённости элементов в Солнеч- рения (катализа) реакций. ной Системе. Относительная распростра- 4. Липиды и фосфолипиды. Липиды нённость элементов во Вселенной довольна выполняют функцию запасания энергии, фос- сходна, так как распространённости элемен- фолипиды образуют клеточные мембраны, тов везде во Вселенной определяются зако- необходимые для поддержания гомеостаза нами ядерной физики, одинаковыми для (отделения внутренней среды клетки от внут- всей Вселенной, не считая местных вариа- ренней среды многоклеточного организма ций из-за истории звёздообразования, тем- или же от внешней среды). пературных условий и т. д. Рис. 1. Относительная распространённость элементов в Солнечной Системе [4] 14 Биология Рисунок 1 показывает, что в Солнечной поколения в поколение [5]. Это сразу же ис- Системе больше всего водорода и гелия, за- ключает несколько на первый взгляд привле- тем распространённость уменьшается в ряду: кательных возможностей. Например, инфор- кислород, углерод, инертный газ неон, азот, мация не может быть закодирована в таких, кремний, магний, железо, сера. казалось бы, упорядоченных и «правильных» Из рисунка 1 мы видим, что наша зем- структурах, как кристаллическая решётка. ная жизнь явно предпочитает самые распро- Свойства кристаллической решётки опреде- странённые элементы - H, C, N, O и ещё 3 эле- ляются только типом атомов входящих в неё, мента из первой десятки по распространён- и не могут быть изменены. Кристаллы обла- ности - Fe (самый главный микроэлемент в дают способностью к самовоспроизведению: наших клетках), S (которая входит в состав если разбить кристалл вещества молотком и белков и ряда витаминов) и Mg (металл, кото- положить его осколки в насыщенные рас- рый всегда сопровождает ДНК и РНК, в кле- творы того же вещества, через некоторое точных условиях ДНК и РНК всегда связаны время обломки могут вырасти до размеров с солями магния). Из первой десятки по рас- первоначального кристалла. Однако ошибки пространённости наша жизнь не использует одного кристалла не передаются его «потом- только 3 элемента, 2 из них использовать кам» и не накапливаются: поэтому наслед- нельзя совсем - это инертные газы He и Ne. ственная информация не может быть закоди- Не используется также кремний, о чём речь рована в концентрациях или температурах ка- пойдёт дальше. Из абсолютно критичных для ких-либо растворах, как жидких, так и твёр- жизни элементов только фосфор выпадает за дых. Дело в том, что для того, чтобы функци- пределы первой десятки. онировать, жизнь должна потреблять много В таблице Д. И. Менделеева основные энергии (как минимум, чтобы самовоспроиз- элементы нашей земной биохимии тяготеют к водиться). Потребление энергии и другая правому верхнему углу и если посмотреть на жизнедеятельность будет приводить к коле- размеры атомов, то оказывается, на Земле ис- баниям температуры и концентрации, кото- пользуются самые маленькие атомы какие рые (как можно доказать, например, см. [5]) только можно было взять: водород самый ма- превысят допустимый для сохранения и пере- ленький с валентностью 1, кислород самый дачи наследственной информации уровень. маленький с валентностью 2, азот самый ма- Остаётся только возможность, уже реализо- ленький с валентностью 3, углерод самый ма- ванная в земной жизни: передавать наслед- ленький с валентностью 4, фосфор самый ма- ственность с помощью биохимических моле- ленький с валентностью 5. Наша земная био- кул, как различные комбинации малых «эле- химия предпочитает самые маленькие атомы ментарных кирпичиков». Тогда эти молекулы какие только есть, не считая инертных газов и будут устойчивы к термодинамическим фтора, которого в космосе просто мало. флуктуациям (в отличие от концентраций Теперь на примере биохимии земной растворов) и информация будет накапли- жизни попытаемся понять, какие свойства ваться и передаваться из поколения в поколе- жизни необходимы, исходя только из опреде- ние (в отличие от кристаллов). В случае зем- ления жизни, и может ли жизнь сильно отли- ной жизни, передача наследственности осу- чаться от земной. ществляется биополимерными молекулами ДНК и РНК. Мы не видим других механизмов Необходимые требования жизни к передачи наследственности, совместимых с своей биохимической основе. Повторим определением жизни, и поэтому принимаем определение жизни из [3]: жизнь - это хими- данный механизм за требование для суще- ческая система, способная к дарвиновской ствования жизни - наличие разветвлён- эволюции. Дарвиновская эволюция подразу- ных цепочек, которые будут служить для пе- мевает возможность самовоспроизведения, редачи наследственности. Как мы видим на но самовоспроизведения не точного. Каждые примере земной жизни, разветвлённые це- следующее поколение должно чуть-чуть от- почки нужны не только для ДНК или РНК, но личаться от своих родителей, причём отличия и для белков - молекул, которые выполняют должны передаваться и накапливаться из специфические функции. Вестник молодых учёных и специалистов Самарского университета. 2019. № 2 (15) 15 Раз уж эти цепочки не будут просто ле- реакциями несовместима. При попытке де- жать на дне, а будут как минимум воспроиз- лать какие-то интересные химические реак- водиться, да ещё и считываться, то они ции с кремнием в присутствии воды получа- должны участвовать в реакциях. В твёрдой ются только оксиды кремния. Различий фазе химические реакции слишком медлен- между углеродом и кремнием довольно ные: простое перемещение одного реагента много. Многие вещества на основе кремния до точки, где он будет вступать в реакцию бу- гораздо более химически активны, чем их уг- дет занимать больше, чем характерное время леродные аналоги. Метан (CH4) как природ- изменения внешних условий, в которых су- ный газ горит, но его надо поджигать. Силан ществует эта жизнь. Поэтому твёрдая фаза не (SiH4) самовозгорается при комнатной темпе- подходит для жизни. Не подходит и газооб- ратуре. Метан с водой никак не реагирует, а разная фаза: сложные молекулы не могут пе- силан с водой реагирует достаточно бурно. В рейти в газообразную фазу. Если нагреть оксиде кремния атомы кислорода образуют сложные молекулы до температуры, доста- мостики между атомами кремния и в резуль- точной до выведения их в газообразную фазу, тате получается большая прочная кристалли- то сложные молекулы разваливаются и в га- ческая решётка. Кристаллы оксида кремния зообразной фазе от них мало что останется. очень твёрдые, устойчивые и тугоплавкие и Поэтому только жидкая фаза подходит для почти ни с чем не реагируют. Углерод легко жизни, и любая земная жизнь реализована образует двойные связи между своими ато- именно в жидкой фазе, а конкретно, в воде. мами, а также с азотом и кислородом. Крем- Итак, мы приходим к выводу что для жизни ний двойные связи практически не образует. совершенно необходим растворитель, кото- Главное то, что цепочки из атомов кремния рый и будет образовывать жидкую среду для можно получить только в отсутствии воды, в жизни. отсутствие аммиака и многих других распро- Итак, рассмотрев требования к жизни странённых в космосе веществ, которые исходя из определения жизни, мы пришли к очень мешают получать эту интересную выводу что главные особенности земной кремниевую структуру. Хотя на Земле угле- жизни - наличие разветвлённых цепочек рода гораздо меньше, чем кремния и кремний из атомов и наличие растворителя - обяза- на поверхности Земли легко доступен, но по- тельны для любой жизни, по крайней мере, чему-то в биохимии он не используется. Есть в том определении, которое мы приняли («са- все основания полагать [5], что это следствие моподдерживающаяся химическая система, крайне низкой реакционной активности диок- способная к дарвиновой эволюции»). сида кремния. В лаборатории получить крем- ний из диоксида кремния можно плавиковой Иная биохимия: поиск разветвлён- кислотой, но для неё нужен фтор, который ных цепочек. Какие химические элементы, слишком редок в космосе. Океанов плавико- кроме углерода, могут образовывать прочные вой кислоты мы ни на какой планете, ни в ка- связи сами с собой, длинные цепочки и кой далёкой галактике не можем ожидать кольца? Их весьма немного и все они соседи встретить, потому что ядерная физика во всей углерода по таблице Д. И. Менделеева - бор, Вселенной работает одинаково. кремний и азот [5]. Длинные цепочки обра- Соединения углерода и соединения зует ещё и сера, но эти цепочки не могут вет- кремния встречаются в межзвёздных газовых виться и на них нельзя «повесить» никакие облаках, и с помощью радиоастрономии их боковые группы. Поэтому сера как основа для можно легко найти [5]. В этих облаках есть биологических молекул не подходит. более сотни молекул с углеродом, в том числе На основе кремния получено много ин- такие, которые используются живыми орга- тересных молекул [6; 7]. Например, декаме- низмами на Земле - этиловый спирт, уксусная тилциклопентасилоксан входит в состав мно- кислота, мочевина, глицин, муравьиная кис- гих увлажняющих кремов для кожи, так как лота, метанол, формальдегид. А молекул с хорошо удерживает воду. Но все органиче- кремнием в космосе нашли только 11 видов, ские вещества на основе кремния синтезиру- причём половина из них содержит ещё и уг- ются в отсутствии воды [5-7]. Вода с этими лерод. Цепочек из атомов кремния там нет, а 16 Биология цепочки из атомов углерода в космосе есть, планет-гигантов происходит какая-то жизнь, причём длиной до пяти атомов. Таким обра- найти её будет очень трудно. Ещё одна труд- зом, в самых разных условиях галактики по- ность жизни на таких огромных глубинах чему-то углерод цепочки из своих атомов об- внутри планет - это получение энергии. разует, а кремний - нет. Исходя из этих дан- В целом, заменить углерод оказывается ных, жизнь на основе кремния во Вселенной сложно - бора слишком мало, для азота маловероятна, практически исключена. нужны сверхвысокие давления, а недостаток Бор - также элемент с очень интересной кремния в том, что он прочно связывается с химией, образующий цепочки и кольца как сам кислородом и эту связь уже практически не- по себе, так и в паре с азотом [8]. Сочетая бор с возможно ослабить. Кремний и на планетах, азотом, можно сымитировать многие молекулы и в межзвёздных газовых облаках находится на основе углерода. Например, борозол и бен- в основном в устойчивых соединениях с кис- зол по свойствам очень похожи. Но бора во лородом, но иногда с углеродом (карбид Вселенной слишком мало, в миллион раз кремния - тоже очень устойчивое, прочное и меньше, чем углерода. Можно попробовать со- тугоплавкое вещество). Если не было бы во здать жизнь на основе бора в лаборатории, но Вселенной кислорода, тогда на основе крем- за стенами лаборатории эта жизнь не найдет ния, наверное, можно было бы создать жизнь. для себя бора в достаточных количествах. Но поскольку кислород есть, и он очень рас- Рассмотрим теперь химию цепочек и пространён, так как и широко распространена колец из азота. В обычной химии цепочки из вода в космосе, то углерод заменить нечем. атомов азота бывают длиной максимум 4 Иная биохимия: поиск растворителя. атома и эти вещества сильно взрывчатые [9]. Если жизнь возможна без воды, то какими жид- Если давление очень большое, то цепочки из кими веществами можно заменить воду при не азота и даже кольца становятся устойчивыми, очень высоких температурах? Поскольку жид- однако сейчас эти вещества не получены, и кость должна образовывать жидкую среду, это данные выводы основаны только на результа- должно быть вещество, которое в космосе до- тах квантовомеханического моделирования статочно распространено. Оно должно состо- [9]. При сверхвысоких давлениях у азота по- ять только из самых распространённых элемен- является такая же интересная химия, как и у тов - H, C, N, O и S. Жидкостей на основе С, углерода, но это - давление в сотни тысяч ат- Mg, Sn, Ne, Fe просто так невозможно полу- мосфер больше, и создать его в лаборатории чить, поэтому вариантов немного. Ближайшие очень трудно. В Солнечной Системе такие аналоги воды - аммиак и метан - жидкие при условия - много азота и сверхвысокие давле- более низких температурах. При ещё более ния - необходимо искать на таких планетах, низких температурах сжижается и азот. Если как Уран и Нептун. В их составе довольно добавить серу, то получаем еще 3 потенциаль- много аммиака, который при сверхвысоких ных жидкости - сероводород (H2S), диоксид давлениях в их глубине может превращаться серы (SO2) и серная кислота (H2SO4). Темпера- в цепочки и кольца. Однако даже если на та- тура кипения и замерзания всех этих жидкостей кой химической основе в этих глубинах приведены в табл. 1. Таблица 1 Жидкости, составленные из атомов самых распространённых во Вселенной элементов Температура Температура кипения Жидкость замерзания, °С (при обычном давлении) Вода (H2O) 0 100 Аммиак (NH3) -78 -33 Метан (CH4) -182 -161 Азот (N2) -210 -196 Сероводород (H2S) -82 -60 Диоксид серы (SO2) -75 -10 Серная кислота (H2SO4) -10 337 Вестник молодых учёных и специалистов Самарского университета. 2019. № 2 (15) 17 Одна из этих жидкостей явно совер- ДНК и РНК там не будет или же они будут шенно не подходит для жизни - это серная сильно модифицированы. Рассмотрим все кислота. Она - настолько сильный окисли- жидкости из табл. 1 (кроме серной кислоты) тель, настолько реакционноспособна, что бу- по порядку вместе с местами Солнечной си- дет разрушать все сложные молекулы, кото- стемы, где они находятся и где может обитать рые жизненно важны для биохимии. Также, жизнь на их основе. один из важных факторов, которые необхо- Вода. Жидкая вода есть на Марсе. Её от- димо рассмотреть - это полярность раствори- крыли в 2018 году [10], но к этому открытию теля. Среди вышеназванных растворителей человечество шло годы [11]. Тщательный есть полярные (вода, аммиак, H2S, SO2, анализ данных экспедиции Марс-Одиссей H2SO4) и неполярные (азот, метан). Ясно, что (2002 г.) показывает, что на небольшой глу- жизнь, существующая в полярном раствори- бине на поверхности Марса залегает слой, теле, будет в основном состоять из полярных обогащённый водородом, причём по мере молекул (как наша жизнь), а жизнь, живущая увеличения географической широты он всё в неполярном растворителе, будет состоять из больше приближается к поверхности [11]. Он неполярных молекул, и здесь никаких труд- присутствует глубже, чем примерно 1 м в ностей не возникает. Однако в неполярных средних широтах и глубже 0,3 м в полярных растворителях невозможно существование областях. Как раз ниже таких глубин может ионов, а значит, реакций ионного обмена, устойчиво существовать замёрзшая вода. По- ионных каналов, возбудимых мембран в этому представляется вероятным, что водо- нашем понимании и много чего другого. В не- род входит в состав молекул воды - в лёд, на полярный растворитель чрезвычайно сложно который приходится около половины всего перенести атом какого бы то ни было ме- объёма материала, находящегося на этих глу- талла - соответственно, жизнь в неполярных бинах, в средних широтах и до 90 % его в вы- растворителях не сможет так широко исполь- соких широтах. Данные спектрометров поз- зовать металлы для своих нужд, как наша. воляют сделать также вывод, что в интервале В то же время, многие даже самые простей- от средних до экваториальных широт, где лёд шие формы жизни на Земле (Bacteria и залегает слишком глубоко, вне досягаемости Protozoa) немыслимы без ионных мембран- космических лучей, всё еще присутствует ка- ных насосов и возбудимых мембран. Замена кой-то водород. Если это так, то он, вероятно, этим необходимым механизмам в неполяр- химически связан с такими минералами, как ных средах не очевидна. глины, в виде молекул Н2О или как ОН. Ре- В поиске растворителей для жизни мы зультаты наблюдений в ближней инфракрас- будем отталкиваться от вывода предыдущего ной области спектра с помощью Космиче- «Хаббл» также на раздела, что разветвлённые цепочки для ского телескопа указывают жизни, скорее всего, существуют только из то, что по крайней мере на некоторых участ- углерода. Даже больше, мы попробуем рас- ках марсианской поверхности присутствуют смотреть, возможно ли функционирование минералы, в состав которых входит вода или земной биохимии в других растворителях. группа ОН. Сразу же ясно, что в неполярных растворите- В 2018 году команда космического ап- лях (азот и метан) нашим биополимерам де- парата Марс-Экспресс сообщила об обнару- лать нечего - они не будут растворяться, бу- жении подлёдного озера жидкой воды под дут сбиваться в агломераты из-за гидрофиль- южной полярной шапкой Марса [10]. К сожа- ного взаимодействия и т. д. Другой важный лению, жидкая вода, обнаруженная на Марсе, момент, который необходимо подметить - из не очень пригодна для жизни. Её температура всех биополимеров молекулы ДНК и РНК - лежит в пределах от -10 до -30 °С. Тот факт, самые «капризные». Для того, чтобы компле- что вода всё-таки жидкая при таких темпера- ментарное взаимодействие работало, кислот- турах говорит о том, что в воде растворено ность среды должна находиться в довольно много солей или что она находится под боль- узких рамках. Поэтому ещё до начала рас- шим давлением. Оба фактора препятствуют смотрения понятно, что, если жизнь воз- развитию жизни в нашем понимании. Кроме можна на основе других растворителей, то того, обнаружение воды подо льдом 18 Биология свидетельствует о сильно ослабленном необ- марсианская атмосфера в камере претерпе- ходимом для фотосинтеза солнечном свете. вала видоизменения - в неё добавляли СО2 и 14 До 2003 г. только посадочные блоки СО, содержавшие радиоизотоп С. На каж- «Викинг-1» и «Викинг-2» были специально дый образец воздействовали имитацией сол- нацелены для поиска жизни на Марсе [11]. нечного света и через некоторое время его В 1976 г. они прибыли в разные точки поверх- нагревали до 750 °С. Любые газы, выделяв- ности планеты в пределах низменных равнин, шиеся из образца, кроме СО2 и СО, проверя- 14 расположенных в северном полушарии. Ни лись на содержание радиоактивного С. Так одна из камер за несколько лет своей работы можно было бы выявить любые атомы угле- не обнаружила никаких макроскопических рода из СО2 и СО, которые объединились с форм жизни, ни даже признаков их деятель- биологическими материалами, как это проис- ности, но в каждом из этих мест были также ходит при фотосинтезе на Земле. взяты пробы вещества поверхности. Образцы Сначала все три биологических экспе- были перенесены в посадочный блок и под- римента дали положительные результаты, верглись четырём исследованиям: три из них совместимые с существованием живых орга- были специфически биологическими и осно- низмов. К сожалению, дальнейшие исследо- вывались на допущении, что на Марсе, как и вания привели учёных к почти единодуш- на Земле, в состав организмов входят глав- ному выводу, что жизнь не обнаружена. ным образом сложные соединения углерода и В эксперименте с газообменом выделялись жидкая вода; четвёртым был более общий хи- огромные количества кислорода, но было по- мический анализ [11]. казано, что это могло быть вызвано воздей- В эксперименте по газообмену образец ствием воды на неорганические соединения, помещался в камеру и увлажнялся водным которые в течение миллионов лет пребывали раствором питательных веществ, который в сухом состоянии. В эксперименте с мече- стал известен как «куриный бульон». Если бы ным выбросом было зарегистрировано много 14 какие-либо марсианские организмы усваи- С, но вскоре поняли, что он мог появиться вали эти питательные вещества, то в имити- из СО2, являвшегося продуктом реакции пи- руемой в камере марсианской атмосфере тательных веществ с веществами, богатыми должны были произойти некоторые измене- кислородом. Дальнейшая работа показала ния. Земные организмы вызвали бы измене- [11], что к последним могли относиться и - ния в количествах О2, СО2 или СН4, так как у ионы типа О2 , прикрепившиеся к поверхно- них происходит обмен веществ. Анализ атмо- стям минералов. Такие ионы могут возникать сферы проводился с помощью газового хро- в атмосфере, где отсутствует озон, при про- матографа. В эксперименте «Меченый вы- никновении в неё интенсивного солнечного брос» питательные вещества, которые вводи- ультрафиолета и сохраняться в холодных за- лись в марсианский образец, были помечены сушливых условиях окружающей среды. 12 путём замены части атомов углерода С на Европа - один из спутников Юпитера - 14 изотоп С. Это радиоактивный изотоп, и по- покрыта замёрзшей водой. Гравиметрические этому любой тип дыхания, характерный для данные, полученные по пролётным траекто- марсианских организмов и приводящий к вы- риям космических аппаратов, в частности делению СО2 или СН4, привёл бы к высво- «Галилео» с 1995 по 2001 г. позволили опре- 14 бождению С в атмосферу камеры. Для выяс- делить массу Европы, узнать её среднюю нения этого производился анализ газов на со- плотность и понять, что плотность возрастает 14 держание С. Эксперимента «Пиролитиче- с глубиной [5]. На основе этих данных, а ский выброс» не касались возможные про- также результатов спектроскопии, установив- блемы, связанные с тем, что марсианские ор- шей наличие на поверхности замёрзшей ганизмы, быть может, не привыкли употреб- воды, была предложена модель внутреннего лять водные растворы или что их биохимиче- строения. Ей соответствует наличие воды в ские особенности сильно отличаются и эти замёрзшем или жидком состоянии в наруж- питательные вещества для них неприемлемы, ном слое, толщиной порядка 80-170 км. Счи- даже губительны. Образцы вещества с по- тается, что под ледяной оболочкой имеется верхности сохранялись сухими, а океан из жидкой воды. О наличии углерода Вестник молодых учёных и специалистов Самарского университета. 2019. № 2 (15) 19 по массе известно из спектроскопического обнаруже- трое меньше нашей Луны, в десятки ния карбонатов на её поверхности. Таким об- раз меньше и выходит на орбиту вокруг Са- разом на Европе есть вода и углерод - состав- турна. Гейзеры Энцелада подпитывают самое ляющие, необходимые для существования внешнее и бледное кольцо Сатурна. жизни, но для жизни требуется также источ- Метан в жидкой форме встречается на ник энергии в виде фотосинтеза или хемосин- другом спутнике Сатурна - на Титане [12]. интересное место в теза по аналогии с земными условиями. Титан - это очень Солнеч- Ослабление солнечного света в ледяной ной Системе. Это самый крупный спутник толще должно ограничивать фотосинтез глу- Сатурна и вообще одна из самых крупных бинами, не превышающими примерно 10 м. спутников планет Солнечной системы. Он в Температура на таких малых глубинах, даже полтора раза больше нашей Луны и он - по самым оптимистичным оценкам не превы- единственное, кроме Земли, тело в Солнеч- шает -20 °С. Поэтому любые сообщества ор- ной Системе, где жидкость есть именно на по- ганизмов, жизнь которых основана на осу- верхности в виде рек и озёр, а не под корой. ществляющих фотосинтез автотрофах, в луч- У Титана есть достаточно плотная атмосфера, шем случае будут находиться в анабиозе, в основном из азота. Давление на поверхно- ожидая наступления редких моментов ло- сти в полтора раза больше, чем у нас на Земле кального разогрева; например, когда под вли- и очень холодно -170 °С. На Титане есть ме- янием приливных напряжений в толще льда тановые озёра и моря. Самое крупное из них - образуются трещины и по ним снизу сможет море Кракена, по объёму сравнимо с озером подняться вода, чтобы омыть их. Маловеро- Байкал. Его глубина превышает 300 метров. ятно, что существуют какие-либо подобные На Титане очень странный мир с нашей точки сообщества. Скорее [5], первичная энергия зрения. Панорама Титана, которую передал получается в результате хемосинтеза в районе спускаемый аппарат зонда Кассини «Гюй- гидротермальных источников на дне океана. генс» выглядит более-менее как обычная ка- Существуют ли эти источники, а также ка- менистая пустыня на Земле, где-нибудь в Са- кова их распространённость и мощность, за- харе или в аравийских пустынях. Песок - раз- висит от того, где внутри Европы сосредото- нокалиберные булыжники и красноватый го- чен приливный разогрев. Это, в свою очередь, ризонт из-за пыли в воздухе. Но эти булыж- зависит от таких неизвестных факторов, как ники и этот песок состоят из водяного льда. прочность и другие свойства льда и камени- При такой низкой температуре он по твёрдо- стых недр Европы. сти вполне соответствует земным скалам. Аммиак в Солнечной Системе встреча- В атмосфере Титана из метана образуются ется на Сатурне. На спутниках Юпитера сложные органические молекулы, которые ближе к Солнцу аммиака в жидком виде прак- подвергаются воздействию солнечных лучей. тически нет. Сатурн находится дальше от В результате получается интересная атмо- Солнца, там холоднее и там аммиак встреча- сферная химия, где из метана и азота образу- ется не в чистом виде, а смешанный с водой. ются синильная кислота, ацетилен, цианоаце- Ледяные спутники Сатурна, такие как Энце- тилен и более сложные ацетиленовые углево- лад, состоят из водно-аммиачного льда, под дороды [12]. которым бывают полости с жидким водно-ам- Радарные съёмки показывают [12], что миачным раствором. Аммиака там не больше на Титане есть речные долины и скалистые 20 %. равнины, а форма рельефа очень похожа на Энцелад - один из спутников Сатурна - песчаные дюны, то есть там есть и ветер. Вода имеет жидкую водно-аммиачную прослойку. на Титане не жидкая, а очень твёрдая и обра- Обращаясь вокруг Сатурна, он деформиру- зует грунт. Вещество, из которого в жидком ется за счёт приливных сил. Эти деформации метане при этих температурах (-179 °С) обра- его нагревают, поддерживают жидкую воду зуются хорошие мембраны, - называется ак- внутри, вызывают трещины в ледяной коре и рилонитрил. Оно используется в химической выброс фонтанов из этих трещин. Фонтаны промышленности для производства пласти- достаточно мощные, чтобы вода преодоле- ков и молекула его палочковидная, но она го- вала притяжение Энцелада. Он по диаметру в раздо короче и мельче, чем молекулы 20 Биология фосфолипидов мембран клетки живых орга- себя чувствуют только кремний-органиче- низмов на Земле. Мембрана из акрилонит- ские соединения. Жидкий азот сам по себе - рила получается в десять раз тоньше, чем плохой растворитель. Почти все крупные мо- мембраны «земных» клеток, но при очень лекулы, кроме некоторых кремний-органиче- низких температурах она имеет вполне при- ских, в нём выпадают в осадок. Следова- личные свойства для мембран - она доста- тельно, если делать в лабораторию кремние- точно гибкая, текучая, прочная и не пропус- вую биохимию, то жидкий азот - подходящий кает крупные молекулы. Из акрилонитрила для неё растворитель. Но есть ли в жидким можно получить шарики, в которые не прони- азоте кремниевая жизнь - это очень большой кали дальше вещества, добавленные в рас- вопрос, потому что Тритон формировался, твор с этими шариками. Таким образом как и все другие тела Солнечней системы, из можно сделать вывод, что на Титане мем- газо-пылевого облака. В этом облаке кремний браны для жизни в принципе возможны. Од- уже находился в форме очень устойчивых ок- нако, как уже упоминалось, метан является сидов и карбидов. В таких условиях переве- неполярным растворителем, и поэтому не до- сти кремний в другие молекулы при темпера- пускает существование ионных растворов. турах жидкого азота невозможно никак - они Поэтому ионные насосы, возбудимые мем- будут абсолютно устойчивы. Следовательно, браны, ионы металлов как катализаторы био- в лаборатории кремниевую жизнь в жидком химических реакций не могут существовать в азоте можно попробовать сделать [5], а в при- жизни на Титане, по крайней мере в нашем роде - на Тритоне невозможно её найти. понимании. На Титане есть источник энергии Нелишне здесь напомнить о том, что жидкий для существования жизни. Метановые реки и азот тоже является неполярным растворите- озера испаряются, метан входит в состав ат- лем, и поэтому он не допускает ионных рас- мосферы, идут метановые дожди. Под дей- творов, ионных насосов, возбудимых мем- ствием космических лучей солнечного уль- бран и т. д. трафиолета метан превращается в разные Диоксид серы сжижается при темпера- другие молекулы, большей частью в ацети- турах чуть выше, чем азот и встречается лен, то есть метан распадается на ацетилен и ближе к Солнцу, чем жидкие метан, этан, ам- водород. Энергия при этом поглощается. Жи- миак и азот. Он существует в жидком виде вые организмы, которые будут проводит об- под поверхностью Ио - спутника Юпитера ратную реакцию из ацетилена и водорода, [5]. Ио по размеру похож на Луну и подверга- чтобы сделать метан смогут таким образом ется очень сильным приливным воздей- получать энергию. Ацетилен - это богатое ствиям со стороны Юпитера. Кора этого спут- энергией соединение. Спускаемый аппарат ника смещается на 100 метров вверх и вниз от «Гюйгенс» измерял содержание разных газов приливов. При этом выделяется очень много в атмосфере Титана на разных высотах [12] и тепла. Ио является самым вулканически ак- оказалось, что, чем ближе к поверхности, тем тивным телом в Солнечной Системе. Из-под меньше ацетилена и водорода, как будто на коры Ио бьют фонтаны расплавленной серы поверхности их что-то поглощает. Может на высоту до 300 км. К этой расплавленной быть, это жизнь в метановых озерах, а может сере примешан в большом количестве жид- быть, это какие-то небиологические про- кий диоксид серы, который при выбросе этих цессы. Метан при этих сверхнизких темпера- фонтанов закипает и фонтан превращается в турах - не очень хороший растворитель. гейзер. Диоксид серы - хороший раствори- Большинство крупных молекул на таком хо- тель в неорганической химии, но для органи- лоду будут выпадать в осадок. Поэтому при- ческой химии на основе углерода как раство- думать для метановой биохимии какие-то ритель он не подходит. Другой фактор, важ- аналоги белков и ДНК пока не получается [5]. ный для жизни на Ио (как и на Европе), - это Жидкий азот существует на Тритоне - его вращение внутри радиационных поясов это спутник Нептуна. Из-под ледяной по- Юпитера, и уровень радиации на этих спут- верхности Тритона выбрасываются азотные никах во много раз превышает таковой в меж- гейзеры, то есть под ледяной поверхностью планетном пространстве. Это затрудняет и есть жидкий азот. В жидком азоте хорошо возможность существования жизни на их Вестник молодых учёных и специалистов Самарского университета. 2019. № 2 (15) 21 поверхности (по крайней мере, в нашем пони- среда для жизни плоха тем, что раствори- мании), и изучение этих спутников: при та- мость всех веществ в ней очень сильно зави- ком уровне радиации никакая «земная» аппа- сит от давления и от температуры, то есть ста- ратура не может работать. бильные условия для жизни в сверхкритиче- Диоксид углерода не является жидко- ской жидкости получить трудно. Чтобы не стью при нашем атмосферным давлении. доводить СО2 до сверхкритического состоя- Чтобы он был жидким, надо повышать давле- ния, планета должна быть прохладнее чем ние минимум в пять раз. При высоких давле- Земля и желательно массивнее чем Земля, с ниях он - жидкий в довольно широких диапа- плотной атмосферой (для существования зонах температур, и он - прекрасный раство- жидкого СО2 необходимо большое атмосфер- ритель. Биотехнологи [13] обнаружили, что ное давление). На основе астрономических многие реакции, производимые ферментами, исследований показано [2], что самые распро- в жидком СО2 под давлением идут гораздо странённые типы планет в нашей Галактике - лучше, чем в воде в клеточных условиях. То это супер-Земли и мини-Нептуны. Это пла- есть наши обычные белки в жидкой углекис- неты, которые в несколько раз тяжелее Земли. лоте сохраняют свою структуру и имеют та- Супер-Земли имеют соответственно плот- кую же или даже более высокую активность. ность, похожую на нашу Землю, и состоят из Скорость реакции также выше за счёт того, скал и железного ядра, а мини-Нептуны при что СО2 в жидком виде гораздо менее вязкий той же массе имеют состав с преобладанием чем вода, молекулы в нём могут двигаться го- воды, возможно аммиака и метана, и плот- раздо свободнее. Это ускоряет многие хими- ность в 4 раза ниже и размеры, соответ- ческие реакции. Более того, СО2 в жидком ственно, больше. И те и другие часто нахо- виде встречается на нашей планете на океан- дятся довольно близко к своим звёздам и мо- ском дне. Есть некоторые горячие источники, гут быть очень горячими, но также могут как например Марианский жёлоб около Тай- находится дальше, чем Земля. Таким образом вани, где из морского дна выделяются ка- на прохладных супер-Землях в других звёзд- пельки жидкого СО2 и образуются углекис- ных системах мы вполне можем встретить лотные озёра [14]. В этих озёрах кипит жизнь, океан из жидкой углекислоты, в котором воз- там есть множество микробов, которые усва- можная биохимия похожа на нашу земную, ивают СО2 и метан [14]. Эти микробы отлича- даже с такими же белками, но с другими мем- ются от микробов, живущих в воде составом бранами и без ДНК. своей клеточной мембраны. Наши стандарт- ные клеточные мембраны будут растворятся Заключение и разрушатся под действием жидкого СО2, но В данной статье рассмотрены возмож- небольшими модификациями эту проблему ности существования жизни с иной биохи- вполне можно решить. Белки в жидком СО2 мией, отличной от привычной нам земной прекрасно работают. Проблемы в жидком жизни. Также проведён анализ мест в Солнеч- СО2 связаны только с ДНК. ДНК в такой ной системе, где встречаются предложенные среде не образует двойную спираль, а только альтернативные растворители. Исходя из одиночные нити. Комплементарные взаимо- определения жизни, поиск альтернативной действия между нуклеотидами, которые биохимии вёлся по двум направлениям: по- важны для ее копирования в жидком СО2 не иск замены углерода как основного элемента работают, потому что эта среда кислая. ДНК для биологических полимеров и поиск за- образует двойную спираль только в нейтраль- мены воды как основного растворителя в жи- ной среде. Но если поменять в ДНК все че- вых существах. Для углерода никаких до- тыре азотистые основания на какие-то дру- стойных замен не было найдено. Кроме угле- гие, то вполне может быть получится сделать рода, только три элемента могут образовы- биохимию и для жидкого СО2 [5]. вать длинные разветвлённые цепи и кольца: Какая должна быть планета, чтобы на бор, кремний и азот. Бор не подходит, потому ней встретить океан из жидкой углекислоты? что его во Вселенной очень мало. Кремний не Сверхкритический СО2 встречается при тем- подходит из-за того, что кремний-органиче- пературе выше 30 °С. Сверхкритическая ские соединения могут быть синтезированы 22 Биология только в отсутствие кислорода и воды - а та- Coughlin J. L., Hoffman K. // The Astrophysical кие условия вряд ли встретятся где-нибудь в Journal Supplement Series. 2018. Vol. 235 (2). космосе. Азотные цепочки длиной больше 5 P. 1-49. атомов пока что не открыты эксперимен- 3. Benner S. A. Defining Life // тально, а изучены лишь из квантовомехани- Astrobiology. 2010. Vol. 10. P. 1021-1030. ческих расчётов - они устойчивы лишь при 4. Lodders K., Palme H., Gail, H. P. сверхвысоких давлениях. Такие большие дав- Abundances of the elements in the Solar ления подразумевают существование жизни system // Landolt-Börnstein. New Series. глубоко внутри космических тел, что затруд- Vol. VI/4B. Berlin, Heidelberg, New York: няет получение энергии для такой жизни. Вы- Springer-Verlag, 2009. P. 560-630. вод: для основы цепочек биополимеров под- 5. Никитин М. Происхождение жизни. ходит только углерод. От туманности до клетки. М.: Альпина нон- С поиском замены воде как растворителю фикшн, 2016. 542 с. дела обстоят куда лучше. Явный фаворит здесь 6. Varaprath S. Frye C. L. Hamelink J. - это двуокись углерода, СО2. На самом деле, Aqueous solubility of permethylsiloxanes жизнь в присутствии жидкого СО2 уже суще- (silicones) // Environmental Toxicology and ствует на Земле на океанском дне [14]. Белки в Chemistry. 1996. Vol. 15 (8). P. 1263-1265. среде жидкого СО2 функционируют так же или 7. Stuart S. Organosilicon Chemistry: даже лучше, чем в воде, но мембраны и ДНК Special Lectures Presented at the International необходимо модифицировать. Все остальные Symposium on Organosilicon Chemistry. кандидаты на роль жидкой среды для жизни, Elsevier, 2013. 338 p. составленные из наиболее распространённых 8. Volkov V. V., Myakishev K. G., во Вселенной элементов, обладают существен- Ilinchik E. A. Borazine and Its Derivatives: ным недостатком: их температура кипения су- Synthesis, Mechanochemical Synthesis щественно ниже, чем у воды. Таким образом, Reactionsand Outlooks for Technological жизнь в этих средах будет вынуждена суще- Applications // Chemistry for Sustainable ствовать при гораздо меньшей температуре, а Development. 2009. Vol. 17. P. 225-234. значит, все процессы будут медленнее. Из рас- 9. Wiberg E., Wiberg N. Holleman A. F., смотрения также исключена серная кислота - Inorganic chemistry. San Diego: Academic хоть она и обладает температурой кипения Press; Berlin; New York: De Gruyter, 2001. больше чем у воды, но она разрушает все из- 1884 p. вестные и неизвестные сложные молекулы из- 10. Radar evidence of subglacial liquid за своей высокой реакционной способности. water on Mars / Orosei R., Lauro S. E., Часть потенциальных растворителей (неполяр- Pettinelli E. [et al.] // Science. 2018. Vol. 361 ные растворители, азот и метан) также имеют (6401). P. 490-493. трудности с возбудимыми мембранами и ис- 11. Chambers P. Life on Mars: the пользованием ионов металлов как катализато- complete story. London: Blandford. 1999. 222 p. ров. Другими словами, приходится констатиро- 12. Titan as revealed by Cassini Radar / вать, что нет достойной замены углероду как Lopes R. M., Wall S. D., Elachi C. [et al.] // Space основному элементу биополимеров, но вместо Science Reviews. 2019. Vol. 215 (4). P. 1-63. воды жизнь может существовать в среде жид- 13. A Review on the Effects of кого СО2, остальные кандидаты в растворители Supercritical Carbon Dioxide on Enzyme для жизни гораздо менее привлекательны. Activity / Wimmer Z., Zarevúcka M. // Int. J. Mol. Sci. 2010. Vol. 11(1). P. 233-253. Литература 14. Microbial community in a sediment- 1. Шкловский И. С. Вселенная, hosted CO2 lake of the southern Okinawa Trough Жизнь, Разум. М.: Издательство Академии hydrothermal system / Inagaki F., M. M. Kuypers Наук СССР, 1962. 240 с. M. M. M., Tsunogai U. // Proceedings of the 2. Planetary Candidates Observed by National Academy of Sciences of the United Kepler. VIII. A Fully Automated Catalog with States of America. 2006. Vol. 103. № 38. P. Measured Completeness and Reliability Based 14164-14169. on Data Release 25 / Thompson S. E., Вестник молодых учёных и специалистов Самарского университета. 2019. № 2 (15)

Об авторах

Богуслава Божидарова Власова

Самарский государственный медицинский университет

Email: boggiebug@gmail.com
Россия, г. Самара

Андрей Дмитриевич Власов

Самарский университет

Email: smi.vlasov.andrey@yandex.ru
Россия, г. Самара

Список литературы

Дополнительные файлы