«Ионные жидкости» могут изменить представление об обитаемой зоне

Фото из открытых источников

«Следуй за водой» — это основополагающий принцип астробиологии и даже освоения космоса в целом на протяжении десятилетий. Если вы хотите найти жизнь, логично искать универсальный растворитель, который используют почти все виды жизни на Земле. Но что, если жизни на самом деле не нужна вода для жизни или даже эволюции? 

В недавней статье, доступной в виде препринта на arXiv, исследователи из Массачусетского технологического института и Кардиффского университета предлагают альтернативу воде как основе жизни — ионные жидкости (ИЖ) и глубокие эвтектические растворители (ГЭР). Эти жидкости могли бы позволить жизни существовать в средах, которые мы когда-то считали слишком горячими, слишком холодными или слишком бесплодными для поддержания жизни, и могли бы кардинально изменить наши поиски жизни во всей Вселенной.

Ионные жидкости (ИЖ) по сути представляют собой соли, которые остаются в жидкой фазе при низких температурах — обычно ниже 100 °C. Диэтилсульфидные эластомеры (ДЭС), с другой стороны, представляют собой смеси соединений, имеющих гораздо более низкую температуру плавления, чем их отдельные компоненты, и удерживаемых вместе электростатическими силами, такими как водородные связи и силы Ван дер Ваальса. Оба типа соединений обладают физическими свойствами, которые делают их интересными с точки зрения астробиологии.

Они обладают невероятной физической устойчивостью. В частности, их давление пара на порядки ниже, чем у воды. Поскольку это означает, что они практически никогда не испаряются, они могут сохраняться в виде микрокапель или тонких пленок в вакууме или на планетах с невероятно разреженной атмосферой. Если у планеты есть атмосфера, они также могут оставаться жидкими при невероятных перепадах температур. Например, одна конкретная ионная жидкость ([NBu3H][HFAC]) имеет температуру плавления -93°C.

Физические свойства — это замечательно, но они бесполезны, если строительные блоки жизни не могут к ним адаптироваться. Однако, согласно обзору литературы, проведенному исследователями, есть большая вероятность, что жизнь сможет это сделать. Они обнаружили, что 71% протестированных белков сохраняли свою свернутую структуру в ионных жидкостях с очень небольшим количеством воды. Кроме того, 65% ферментов сохраняли свою каталитическую активность в тех же растворителях. И в подтверждение своих слов, один конкретный фермент, целлюлаза, оставался стабильным при невероятно высокой температуре 115°C.

Ещё интереснее то, что есть некоторые свидетельства того, что сама природа использует эти растворители в экстремальных случаях. Один из видов муравьев, известный как бурый сумасшедший муравей, естественным образом синтезирует ионную жидкость для нейтрализации яда огненных муравьев. Кроме того, некоторые виды «воскрешающих растений», которые эволюционировали, чтобы выживать в условиях сильной засухи, производят внутри своих клеток смесь сахаров и аминокислот, подобную ДЭС, которая защищает их белки при полном исчезновении воды.

Более того, строительные блоки для этих растворителей доступны по всей Солнечной системе. Это исследование было частично вдохновлено недавней статьей, в которой лаборатория доктора Сигера случайно получила ионную жидкость, смешав серную кислоту (которая составляет значительную часть облаков Венеры) с азотсодержащими органическими соединениями. На Марсе находится огромное количество перхлоратных и хлоридных рассолов, которые, хотя и токсичны для жизни в том виде, в каком мы ее знаем, могут служить химическими прекурсорами для ионных жидкостей и DES.

Даже у комет есть примеры таких предшественников. По мере нагревания и охлаждения во время их эксцентрических орбит защищенные жидкие карманы могли служить тиглями для пребиотической химии. Но, пожалуй, наиболее интересно то, что каменистые экзопланеты, потерявшие всю воду, могут все еще сохранять микроскопические сети этих жидкостей в своей коре. Этого может быть недостаточно для поддержания целой развитой цивилизации, но нечто, эквивалентное бактериям, могло бы существовать неограниченно долго даже на небольших количествах этих растворителей.

Последнее открытие лежит в основе спекулятивной «гипотезы замещения воды». По мере того, как планета медленно теряет воду в течение миллионов лет, жизнь может эволюционировать, чтобы синтезировать собственную ионную жидкость, подобно тем рыжим безумным муравьям. В конечном итоге она может эволюционировать настолько, что полностью освоит новый растворитель, необходимый для осуществления сложных органических химических реакций.

Хотя в теории это замечательно, вряд ли мы сможем увидеть какие-либо формы жизни с такими характеристиками на экзопланете в ближайшее время. Но мы могли бы провести некоторые исследования, чтобы проверить, насколько эта гипотеза осуществима. Попытка сформировать ИЛ и ДЭС из основных строительных блоков других планет — это один шаг. Проверка возможности образования в них важных биологических структур, таких как клеточные мембраны, — другой. Но если теория подтвердится, «обитаемая зона» вокруг чужеродных звезд может оказаться намного больше, чем мы когда-либо предполагали. Возможно, нам просто нужно будет искать другие виды «лужиц».