Ионные жидкости как альтернатива воде для жизни

Группа астробиологов из Массачусетского технологического института под руководством доктора Сары Сигер представили на сервере препринтов arXiv революционную гипотезу, согласно которой основой для возникновения и существования жизни во Вселенной могут служить не только вода, но и ионные жидкости, а также глубокие эвтектические растворители, что способно расширить границы поиска внеземных организмов.

В течение десятилетий фундаментальный принцип астробиологии «следуй за водой» определял стратегию поиска жизни за пределами Земли. Вода считается универсальным растворителем, необходимым для биохимических процессов, знакомых нам по земным организмам. Однако недавнее теоретическое исследование ставит под сомнение исключительность водной среды. Ученые из MIT и Кардиффского университета, включая известного астробиолога доктора Сару Сигер, предложили обратить внимание на альтернативные растворители — ионные жидкости и глубокие эвтектические растворители.

Эти соединения обладают уникальными физико-химическими свойствами, которые могут позволить жизни существовать в условиях, ранее считавшихся абсолютно непригодными. В отличие от воды, ионные жидкости представляют собой соли, остающиеся жидкими при температурах ниже ста градусов Цельсия, а глубокие эвтектические растворители это смеси веществ с температурой плавления значительно ниже, чем у каждого компонента по отдельности.

Их ключевая особенность — экстремально низкое давление пара, означающее, что они практически не испаряются даже в вакууме или в разреженной атмосфере. Это позволяет им сохраняться в виде стабильных микрокапель или тонких пленок на поверхности планет, лишенных плотной газовой оболочки, а также оставаться в жидкой фазе при колоссальных перепадах температур. Например, одна из таких жидкостей способна не замерзать при температуре минус девяносто три градуса Цельсия.

Однако одной лишь физической стабильности недостаточно для поддержания жизни. Исследователи провели обширный обзор литературы и выяснили, что ключевые биологические молекулы способны функционировать в этих экзотических средах. Согласно их данным, семьдесят один процент изученных белков сохраняют свою трехмерную структуру в ионных жидкостях даже при минимальном присутствии воды. Более того, шестьдесят пять процентов ферментов продолжают выполнять свои каталитические функции в тех же условиях.

В качестве наиболее яркого примера приводится фермент целлюлаза, который остается стабильным при экстремально высокой температуре в сто пятнадцать градусов Цельсия. Эти данные подкрепляются наблюдениями за живыми организмами на Земле. Природа уже продемонстрировала прототипы подобной адаптации: бурые муравьи синтезируют ионную жидкость для нейтрализации яда огненных муравьев, а так называемые «воскресающие растения» в состоянии сильной засухи производят внутри своих клеток смесь сахаров и аминокислот (напоминающую глубокие эвтектические растворители), которая защищает их белки от разрушения при полном отсутствии воды.

Особую значимость гипотезе придает тот факт, что химические предшественники для формирования таких жидкостей широко распространены в Солнечной системе и за ее пределами. Само исследование было частично вдохновлено случайным лабораторным наблюдением: при смешивании серной кислоты, из которой состоят облака Венеры, с азотсодержащими органическими соединениями, образовалась ионная жидкость. На Марсе обнаружены огромные запасы перхлоратных и хлоридных рассолов, которые, хотя и токсичны для водной жизни, могут служить сырьем для синтеза подобных растворителей.

Даже кометы, нагревающиеся и остывающие во время движения по своим орбитам, могут содержать защищенные жидкие карманы, выступающие в роли естественных лабораторий для пребиотической химии. Наиболее интригующим следствием является то, что каменистые экзопланеты, полностью лишившиеся своей воды миллиарды лет назад, все еще могут сохранять микроскопические сети ионных жидкостей в глубинах коры. Этого объема может быть недостаточно для поддержания сложных форм жизни, но, как предполагают ученые, бактериеподобные организмы могли бы существовать там неограниченно долго.

В конечном итоге, данное исследование подводит к формулировке так называемой «гипотезы замещения воды». Согласно этой идее, по мере того как планета в течение миллионов лет теряет свои водные запасы, зародившаяся жизнь может постепенно эволюционировать, начиная синтезировать собственные ионные жидкости для защиты от обезвоживания, подобно земным растениям и насекомым. Со временем она может полностью адаптироваться к новому растворителю, который станет основной средой для протекания сложных органических реакций.

Хотя прямое обнаружение таких форм жизни на экзопланетах в обозримом будущем маловероятно, ученые предлагают конкретные шаги для проверки своей теории. Это включает попытки синтезировать ионные жидкости и растворители из ингредиентов, доступных на других планетах, а также изучение возможности формирования в этих средах фундаментальных биологических структур, таких как клеточные мембраны. Если гипотеза подтвердится, понятие «обитаемой зоны» вокруг звезд придется значительно расширить, а поиски внеземной жизни сосредоточить не только на поиске воды.