Будущие миссии смогут собирать образцы из потенциально обитаемых сред, таких как Энцелад, один из спутников Сатурна: пространственная ориентация молекул и разнообразие между простыми и сложными формами являются одними из возможных подсказок, которые легче всего получить. https://www.terra.com.br/noticias/cientistas-propoem-metodo-da-ecologia-para-saber-se-luas-geladas-do-sistema-solar-podem-abrigar-vida,a55db6fb5b96f56aa190b87cbf141ac142zzo289.html?utm_source=clipboard Jason Major, Cassini spacecraft/Flickr, CC BY-NC-SA Новые обсерватории и космические миссии исследуют среды в нашей Солнечной системе, которые потенциально могут поддерживать жизнь, но долгое время оставались скрытыми.
Ледяные спутники, такие как Энцелад у Сатурна и Европа у Юпитера, вероятно, имеют огромные океаны под своими замерзшими внешними корками. Но толстые слои льда мешают космическим зондам собирать образцы напрямую.
Исследование этих ледяных лун — работа практически криминалистическая: их поверхности сохраняют частичную запись недоступных недр. Поэтому ученым нужны инструменты, которые помогут им выяснить, есть ли признаки жизни в средах глубоко под поверхностью, не наблюдая за ними напрямую. Я планетолог, и мои коллеги вместе со мной разработали инструмент, который может помочь оценить, обладает ли та или иная среда условиями, подходящими для жизни, основываясь на паттернах типов молекул, обнаруженных в образце. Отпечатки пальцев жизни Поиски жизни обычно начинаются с органических молекул: молекул на основе углерода, из которых строится жизнь на Земле.
Двумя особенно важными семействами молекул являются аминокислоты, которые клетки используют для построения белков, и жирные кислоты, которые помогают формировать клеточные мембраны. Теперь на g1 Но эти молекулы не уникальны для жизни — они также могут образовываться в результате небиологических или абиотических химических процессов.
Ученые уже обнаруживали их ранее в астероидах и метеоритах. Поскольку само по себе обнаружение аминокислот или жирных кислот в планетарной среде не говорит исследователям, были ли они созданы жизнью или небиологическими процессами, им приходится искать дополнительные доказательства. Одной из подсказок является пространственная ориентация молекулы, или ее «хиральность».
Определенные аминокислоты существуют в двух зеркальных формах. Небиологические процессы часто производят обе формы в схожих количествах, в то время как жизнь на Земле использует почти исключительно левовращающие формы. Сильный избыток одной из форм может указывать на присутствие жизни. Другую подсказку можно найти в балансе между более тяжелыми и более легкими формами одного и того же химического элемента внутри молекул — так называемыми изотопами. Как правило, жизнь предпочитает использовать более легкие формы.
Обе подсказки являются мощными индикаторами, но их трудно измерить в космосе. Для этого требуются чувствительные приборы, чистые образцы и часто больше материала, чем космический аппарат может получить. Тем не менее, текущие и планируемые на будущее миссии могут предоставить более ограниченный, но все же ценный тип измерений: список молекул и пропорции, в которых они встречаются. Наше исследование демонстрирует, как исследователи могут использовать эту более простую информацию, чтобы узнать больше о химическом происхождении молекул. Изучение разнообразия Жизнь не ограничивается созданием определенных молекул — она производит их в уникальных паттернах расположения.
Живые системы вкладывают энергию в производство молекул, выполняющих специфические функции, даже когда эти молекулы сложны и их труднее сформировать. Белки, например, требуют широкого набора аминокислот, включая некоторые относительно сложные. Небиологическая химия также может производить аминокислоты, но обычно производит самые простые из них. В нашем исследовании мы изучили, оставляют ли эти молекулы статистический паттерн, который мог бы служить биосигнатурой: измеримый признак, способный указать на присутствие жизни. Чтобы количественно оценить эту идею, мы использовали метод экологии, называемый теорией разнообразия. Экологи не ограничиваются вопросом о том, сколько видов обитает в данной экосистеме, но также изучают, как эти виды распределены: доминирует ли в сообществе несколько очень распространенных видов или множество видов, встречающихся в сопоставимых количествах.
Цель теории разнообразия состоит как в составлении списка видов, так и в оценке распространенности каждого из них. Мы применили ту же логику к молекулам. Внутри семейства, такого как аминокислоты, мы рассматривали каждую молекулу как вид в экологическом сообществе и измеряли ее распространенность. Мы хотели узнать: распределена ли конкретная смесь молекул равномерно среди различных типов или в ней доминирует лишь горстка из них? И может ли этот паттерн отражать процесс, который произвел эти молекулы, будь то биологический или небиологический? Тестирование структуры Чтобы проверить эту идею, мы составили намеренно широкий набор данных, включающий аминокислоты из различных источников: метеоритов, образцов космических миссий к астероидам, лабораторных симуляций небиологической химии, современных организмов, осадков, древних окаменелостей и образцов из различных сред на Земле. Впоследствии мы проделали то же самое с жирными кислотами. Для аминокислот мы обнаружили четкое различие.
Биологические образцы имели тенденцию содержать много сложных аминокислот в пропорциях, схожих с более простыми. В небиологических образцах эти сложные аминокислоты, как правило, были более редкими — то есть в них сильнее доминировали простые молекулы. Этот результат имеет смысл. Если биология способна преодолевать химические узкие места, необходимые для создания более сложных молекул, логично ожидать появления большего количества таких молекул. С другой стороны, небиологическая химия более ограничена и в ней доминируют молекулы, образующиеся случайным образом. Вероятность образования сложных молекул в небиологических условиях гораздо ниже.
Жирные кислоты продемонстрировали противоположный, но не менее информативный паттерн. Цепочки жирных кислот составляют внешние мембраны живых клеток. Мы обнаружили, что в биологических образцах цепочки жирных кислот имели примерно одинаковую длину. Напротив, небиологические образцы демонстрировали более широкое распределение длин цепей. Хотя, в отличие от результатов с аминокислотами, небиологические образцы показали большее разнообразие жирных кислот, это открытие, касающееся длины цепей, подтвердило основную идею нашего исследования: жизнь формирует молекулярные смеси в соответствии с функциями. В совокупности наши результаты предполагают, что молекулярное разнообразие может служить новым типом биосигнатуры.
Оно не может доказать присутствие само по себе и должно интерпретироваться в сочетании с другими измерениями. Но оно предлагает практический способ использования тех данных, которые космические зонды с наибольшей вероятностью смогут получить: пропорций молекул. В поисках жизни в Солнечной системе и за ее пределами Маловероятно, что будущие космические зонды обнаружат неповрежденный биологический материал, даже если он существует.
Гораздо вероятнее, что они найдут химические следы молекул, измененные суровыми условиями на планетарных поверхностях. Затем мы хотели узнать, как долго сигнал разнообразия может сохраняться в агрессивной среде, где ученые могут вести поиск, например, на поверхности Европы. Ее поверхность постоянно бомбардируется заряженными частицами, захваченными в магнитное поле Юпитера, которые могут разрушать различные органические молекулы с разной скоростью. Миссия NASA Europa Clipper совершит полет вокруг спутника Юпитера и выполнит измерения для выяснения того, может ли он поддерживать жизнь. NASA/JPL-Caltech Мы смоделировали, как эти молекулы будут разрушаться в таких условиях, и обнаружили, что сигнал разнообразия может оставаться узнаваемым в течение тысяч лет, когда молекулы зарыты под слоем льда толщиной в несколько сантиметров. Сигнал не является неразрушимым, но он не требует исключительно свежего образца. Наши результаты показывают, что в некоторых случаях паттерн, оставленный жизнью, все еще может быть узнаваем даже после того, как отдельные молекулы начинают разлагаться. Главный вывод нашего исследования заключается в том, что жизнь организует химические процессы таким образом, который может сохраняться даже после того, как эти ингредиенты претерпевают изменения.
Живые системы организуют молекулы в соответствии с биологическими потребностями, в то время как небиологическая химия обычно следует тому, что проще всего произвести. Если эта организация сможет сохраниться в планетарных материалах, будущие космические миссии смогут искать не только строительные блоки жизни, но и более глубокий статистический паттерн, который жизнь оставляет после себя. Гидеон Йоффе не консультирует, не работает, не владеет акциями и не получает финансирования от каких-либо компаний или организаций, которые могли бы извлечь выгоду из публикации этой статьи, и не раскрыл никаких соответствующих связей, кроме своей академической должности.
Войдите, чтобы комментировать.
Одобренных комментариев пока нет.