Возможна ли жизнь без воды: как экзотические растворители расширяют границы обитаемой Вселенной

Вся современная астробиология построена на одном правиле: для возникновения и поддержания жизни необходима жидкая вода. Этот принцип определяет цели всех космических миссий, архитектуру межпланетных зондов и критерии, по которым астрономы оценивают пригодность экзопланет для обитания. Если на планете нет условий для существования жидкой воды, она автоматически исключается из списка потенциально обитаемых миров.

Однако у воды есть физические ограничения. Она требует очень узкого диапазона температур и высокого атмосферного давления. В условиях космического вакуума или разреженной атмосферы вода мгновенно закипает и испаряется. При падении температуры она превращается в лед, увеличиваясь в объеме, что физически разрывает клеточные мембраны и разрушает сложные органические структуры. Так что, большая часть Вселенной является абсолютно враждебной средой для водно-углеродной формы жизни.

Группа исследователей из Массачусетского технологического института (MIT) во главе с астрофизиком Сарой Сигер опубликовала работу, которая предлагает пересмотреть этот базовый принцип. Ученые выдвинули гипотезу, согласно которой жизнь может существовать и развиваться на базе совершенно иных растворителей. Речь идет об ионных жидкостях и глубоких эвтектических растворителях. Эти вещества обладают физическими свойствами, которые позволяют им оставаться в жидком состоянии в экстремальных космических условиях, где вода не может существовать в принципе.

Физика экзотических растворителей

Для протекания сложных химических реакций, ведущих к образованию жизни, необходима жидкая среда. В твердом состоянии молекулы неподвижны, а в газообразном — рассеиваются слишком быстро для формирования устойчивых связей. Ионные жидкости (ИЖ) и глубокие эвтектические растворители (ГЭР) способны обеспечить такую среду.

Ионные жидкости представляют собой соли, которые находятся в жидком состоянии при температуре ниже 100 °C. Многие из них сохраняют текучесть при отрицательных температурах, вплоть до -93 °C. Глубокие эвтектические растворители — это смеси из нескольких твердых компонентов. Ими могут быть обычные сахара, аминокислоты или неорганические соли. При смешивании этих веществ в определенных пропорциях их температура плавления резко падает, и они образуют стабильную жидкость.

Главное физическое свойство ИЖ и ГЭР, которое делает их идеальными кандидатами на роль основы для внеземной биосферы — это критически низкое давление насыщенных паров. В отличие от воды, эти жидкости практически не испаряются. Если поместить каплю ионной жидкости на поверхность безвоздушного астероида, она не превратится в газ. Она останется в жидком состоянии. Эти вещества способны существовать в виде тонких пленок или микроскопических капель внутри пор горных пород на протяжении тысячелетий, не требуя для своего сохранения плотной атмосферы, стабильного климата или глобальных водоемов.

Проблема биологической совместимости

Способность вещества оставаться жидким в вакууме не имеет значения, если оно разрушает сложные органические молекулы. Концентрированные соли или вязкие смеси сахаров кажутся средой, в которой белки должны мгновенно терять свою форму и переставать функционировать. Однако лабораторные исследования этого не подтвердили.

Анализ десятков независимых экспериментов показал, что органические молекулы демонстрируют высокую степень выживаемости в таких условиях. В тестах, где использовались ионные жидкости с содержанием воды менее 5%, 71% протестированных белков сохранили свою правильную трехмерную структуру. Более 65% ферментов продолжили осуществлять химический катализ. Молекулы ДНК и РНК не только не распались, но в некоторых случаях продемонстрировали повышенную стабильность двойной спирали, будучи защищенными от деградации.

Важно отметить, что земная биология уже использует этот механизм. Некоторые виды растений и насекомых способны переживать периоды экстремальной засухи или заморозки, теряя практически всю воду из своего организма. В процессе обезвоживания их клетки синтезируют природные аналоги глубоких эвтектических растворителей. Внутриклеточное пространство заполняется вязкой жидкой фазой, состоящей из сахарозы, трегалозы и органических кислот. Эта среда консервирует белки и клеточные мембраны, предотвращая их разрушение на месяцы и годы. Когда влажность восстанавливается, организмы возвращаются к нормальному метаболизму. Следовательно, использование неводных растворителей для поддержания сложных биологических структур уже реализовано в природе.

Новые зоны потенциальной обитаемости

Отказ от необходимости искать жидкую воду расширяет границы потенциальной обитаемости. Ингредиенты, необходимые для формирования ИЖ и ГЭР — хлориды, нитраты, перхлораты, аммиак и простые органические соединения — в избытке присутствуют на множестве небесных тел.

Кометы и астероиды

Долгое время эти объекты рассматривались исключительно как переносчики замороженной органики. Приближаясь к Солнцу, лед на кометах сублимируется — переходит из твердого состояния сразу в газообразное. Однако ионные жидкости, находящиеся в микротрещинах породы, остаются жидкими. С каждым оборотом вокруг звезды эти микроскопические резервуары проходят циклы медленного нагрева и охлаждения. В этих условиях происходит концентрация растворенных органических веществ. Микропоры комет могут функционировать как стабильные химические реакторы, способствуя усложнению молекул и пребиотическому синтезу задолго до того, как этот материал попадет на поверхность планет.

Марс

Современные климатические условия на Марсе делают невозможным существование чистой воды на поверхности. Тем не менее орбитальные аппараты и марсоходы регулярно фиксируют наличие перхлоратов и хлоридов в грунте. Эти соединения способны поглощать влагу из атмосферы и образовывать высококонцентрированные рассолы или эвтектические смеси глубоко в реголите. Такие жидкие фазы могут поддерживать локальную химическую или даже биологическую активность прямо сейчас.

Засушливые экзопланеты

Планеты, которые находятся близко к своим звездам, обладают тонкой атмосферой или полностью потеряли воду в ходе своей эволюции, традиционно считаются стерильными. Но если биология способна базироваться на ионных жидкостях, жизнь на таких планетах может существовать в виде микроскопических капель внутри пористых скальных пород. Эти процессы скрыты от современных телескопов, так как не формируют глобальных океанов и не выделяют достаточного количества газов в атмосферу для их дистанционной фиксации.

Эволюция растворителя и автономность биосферы

Наиболее глубокое следствие выдвинутой гипотезы касается механизмов эволюции. Земная биология полностью зависит от воды. Жизнь жестко адаптируется под ее неизменные физические свойства. Вода выступает как внешняя константа.

Если жизнь функционирует на базе ионных жидкостей или эвтектических растворителей, ситуация меняется. Живые системы сами синтезируют химические компоненты для своих внутриклеточных жидкостей из доступных элементов. Это означает, что растворитель может меняться в процессе естественного отбора.

Исследователи предполагают возможность полной «замены растворителя» в масштабах биосферы. Если планета постепенно теряет свои поверхностные водоемы из-за климатических изменений, микроорганизмы могут адаптироваться, постепенно переходя на внутренние запасы синтезированных эвтектических жидкостей. Со временем биосфера может стать полностью автономной. Клеткам больше не потребуются внешние резервуары или дожди — весь необходимый для химии растворитель они будут носить внутри себя, обновляя и усложняя его состав по мере необходимости.

Гипотеза ученых из MIT требует пересмотра стратегий космических исследований. Если жизнь и пребиотическая химия не привязаны к воде, будущие миссии должны фокусироваться на поиске микроскопических жидких включений в скальных породах и льдах, а также на анализе сложных солевых смесей на астероидах и кометах. Понимание того, что жидкая среда может существовать без водоемов, открывает целый спектр химических возможностей, которые до сих пор оставались за пределами нашего внимания.

Источник:arXiv