Czy może istnieć życie na dużym księżycu Saturna Tytanie? Zadanie pytania zmusza astrobiologów i chemików do uważnego i twórczego przemyślenia chemii życia i tego, jak może wyglądać inaczej na innych światach niż na Ziemi. W lutym zespół naukowców z Cornell University, w tym absolwent inżynierii chemicznej James Stevenson, planetolog Jonathan Lunine i inżynier chemik Paulette Clancy, opublikowali pionierskie badanie, w którym twierdzili, że błony komórkowe mogą tworzyć się w egzotycznych warunkach chemicznych obecnych na tym niezwykłym księżycu .
Pod wieloma względami Titan jest bliźniakiem Ziemi. Jest drugim co do wielkości księżycem w Układzie Słonecznym i większym niż planeta Merkury. Podobnie jak Ziemia, ma znaczną atmosferę, a ciśnienie atmosferyczne na powierzchni jest nieco wyższe niż na Ziemi. Oprócz Ziemi Tytan jest jedynym obiektem w naszym Układzie Słonecznym, o którym wiadomo, że gromadzi się na nim ciecz. Sonda kosmiczna Cassini NASA odkryła obfite jeziora, a nawet rzeki w regionach polarnych Tytana. Największe jezioro lub morze, zwane Kraken Mare, jest większe niż Ziemskie Morze Kaspijskie. Z obserwacji statków kosmicznych i eksperymentów laboratoryjnych naukowcy wiedzą, że atmosfera Tytana jest bogata w złożone cząsteczki organiczne, które są budulcem życia.
Wszystkie te cechy mogą sprawiać wrażenie, że Titan jest kusząco odpowiedni do życia. Nazwa „Kraken”, która odnosi się do legendarnego potwora morskiego, w fantazyjny sposób odzwierciedla żarliwe nadzieje astrobiologów. Ale Titan jest kosmicznym bliźniakiem Ziemi. Będąc prawie dziesięć razy dalej od Słońca niż Ziemia, jego temperatura powierzchni jest mroźna -180 stopni Celsjusza. Płynna woda jest niezbędna do życia, jakie znamy, ale na powierzchni Tytana cała woda jest zamrożona. Lód wodny pełni rolę skały zawierającej krzem na Ziemi, tworząc zewnętrzne warstwy skorupy.
Cieczą, która wypełnia jeziora i rzeki Tytana, nie jest woda, ale ciekły metan, prawdopodobnie zmieszany z innymi substancjami, takimi jak ciekły etan, z których wszystkie są gazami tutaj na Ziemi. Jeśli na morzach Tytana jest życie, to nie jest to życie, jakie znamy. Musi to być obca forma życia, z cząsteczkami organicznymi rozpuszczonymi w ciekłym metanie zamiast w ciekłej wodzie. Czy coś takiego jest w ogóle możliwe?
Zespół Cornell podjął jedną kluczową część tego trudnego pytania, badając, czy błony komórkowe mogą istnieć w ciekłym metanie. Każda żywa komórka jest w gruncie rzeczy samowystarczalną siecią reakcji chemicznych zawartych w otaczających błonach. Naukowcy uważają, że błony komórkowe pojawiły się bardzo wcześnie w historii życia na Ziemi, a ich powstanie mogło być nawet pierwszym krokiem do powstania życia.
Na Ziemi błony komórkowe są tak samo znane jak liceum z biologii. Są zbudowane z dużych cząsteczek zwanych fosfolipidami. Każda cząsteczka fosfolipidu ma „głowę” i „ogon”. Głowa zawiera grupę fosforanową z atomem fosforu połączonym z kilkoma atomami tlenu. Ogon składa się z jednego lub więcej łańcuchów atomów węgla, zwykle o długości od 15 do 20 atomów, z atomami wodoru połączonymi z każdej strony. Głowa, z powodu ujemnego ładunku swojej grupy fosforanowej, ma nierównomierny rozkład ładunku elektrycznego i mówimy, że jest biegunowa. Z drugiej strony ogon jest elektrycznie neutralny.
Te właściwości elektryczne określają, jak zachowają się cząsteczki fosfolipidów po rozpuszczeniu w wodzie. Z elektrycznego punktu widzenia woda jest cząsteczką polarną. Elektrony w cząsteczce wody są silniej przyciągane do atomu tlenu niż do dwóch atomów wodoru. Tak więc strona cząsteczki, w której znajdują się dwa atomy wodoru, ma niewielki ładunek dodatni, a strona tlenu ma niewielki ładunek ujemny. Te polarne właściwości wody powodują, że przyciąga polarną głowę cząsteczki fosfolipidu, o której mówi się, że jest hydrofilowa, i odpycha jej niepolarny ogon, o którym mówi się, że jest hydrofobowy.
Kiedy cząsteczki fosfolipidów rozpuszczają się w wodzie, właściwości elektryczne tych dwóch substancji działają razem, powodując, że cząsteczki fosfolipidów organizują się w błonę. Błona zamyka się w małą kulkę zwaną liposomem. Cząsteczki fosfolipidów tworzą dwuwarstwowe grubości dwóch cząsteczek. Polarne hydrofilowe głowy skierowane są na zewnątrz w kierunku wody na wewnętrznej i zewnętrznej powierzchni membrany. Hydrofobowe ogony są umieszczone między sobą, naprzeciw siebie. Podczas gdy cząsteczki fosfolipidów pozostają nieruchome w swojej warstwie, z głowami skierowanymi na zewnątrz i ogonami skierowanymi do wewnątrz, nadal mogą się poruszać względem siebie, zapewniając błonie płynność niezbędną do życia.
Fosfolipidowe błony dwuwarstwowe są podstawą wszystkich błon komórek lądowych. Nawet sam liposom może rosnąć, rozmnażać się i wspierać pewne reakcje chemiczne ważne dla życia, dlatego niektórzy biochemicy uważają, że tworzenie liposomów mogło być pierwszym krokiem do życia. W każdym razie tworzenie błon komórkowych z pewnością było wczesnym krokiem w rozwoju życia na Ziemi.
Jeśli na Tytanie istnieje jakaś forma życia, czy to potwór morski, czy (bardziej prawdopodobne) mikrob, prawie na pewno musiałaby mieć błonę komórkową, tak jak każda żywa istota na Ziemi. Czy fosfolipidowe membrany dwuwarstwowe mogą tworzyć się w ciekłym metanie na Tytanie? Odpowiedź brzmi nie. W przeciwieństwie do wody, cząsteczka metanu ma równomierny rozkład ładunków elektrycznych. Brakuje jej polarnych właściwości, więc nie mógł przyciągnąć polarnych głów cząsteczki fosfolipidów. Ta atrakcja jest potrzebna, aby fosfolipidy tworzyły błonę komórkową w stylu Ziemi.
Przeprowadzono eksperymenty, w których fosfolipidy są rozpuszczane w niepolarnych cieczach w ziemskiej temperaturze pokojowej. W tych warunkach fosfolipidy tworzą dwuwarstwową membranę „na lewą stronę”. Polarne głowy cząsteczek fosfolipidów znajdują się w centrum, przyciągane do siebie swoimi ładunkami elektrycznymi. Niepolarne ogony skierowane są na zewnątrz z każdej strony membrany wywróconej, skierowane w stronę niepolarnego rozpuszczalnika.
Czy życie Tytana może mieć wewnętrzną membranę fosfolipidową? Zespół Cornell stwierdził, że to nie zadziała z dwóch powodów. Po pierwsze, w kriogenicznych temperaturach ciekłego metanu ogony fosfolipidów stają się sztywne, co pozbawia każdą wewnętrzną membranę, która mogłaby formować płynną elastyczność potrzebną do życia. Po drugie, dwa kluczowe składniki fosfolipidów; fosfor i tlen są prawdopodobnie niedostępne w jeziorach metanowych w Tytanie. W poszukiwaniu błon komórkowych Titanii zespół Cornell musiał zbadać sferę poza znaną sferą biologii szkoły średniej.
Chociaż nie składa się z fosfolipidów, naukowcy doszli do wniosku, że jakakolwiek błona komórkowa Titanii byłaby jednak podobna do wewnętrznych membran fosfolipidowych wytworzonych w laboratorium. Składałby się on z cząsteczek polarnych przylegających do siebie elektrycznie w roztworze niepolarnego ciekłego metanu. Jakie to mogą być cząsteczki? Aby uzyskać odpowiedzi, badacze sprawdzili dane ze statku kosmicznego Cassini i eksperymenty laboratoryjne, które odtworzyły chemię atmosfery Tytana.
Atmosfera Tytana ma bardzo złożoną chemię. Składa się głównie z azotu i metanu. Kiedy sonda Cassini przeanalizowała swój skład za pomocą spektroskopii, odkryła ślady różnych związków węgla, azotu i wodoru, zwanych nitrylami i aminami. Naukowcy przeprowadzili symulację chemiczną atmosfery Tytana w laboratorium, wystawiając mieszaniny azotu i metanu na źródła energii symulujące światło słoneczne na Tytanie. Powstaje gulasz cząsteczek organicznych o nazwie „tholiny”. Składa się ze związków wodoru i węgla, zwanych węglowodorami, a także nitryli i amin.
Badacze Cornell postrzegali nitryle i aminy jako potencjalnych kandydatów na błony komórkowe Tytanii. Obie są cząsteczkami polarnymi, które mogą się sklejać, tworząc membranę w niepolarnym ciekłym metanie ze względu na polarność grup zawierających azot w obu z nich. Uznali, że cząsteczki kandydujące muszą być znacznie mniejsze niż fosfolipidy, aby mogły tworzyć błony płynne w temperaturach ciekłego metanu. Rozważali nitryle i aminy zawierające łańcuchy o długości od trzech do sześciu atomów węgla. Grupy zawierające azot nazywane są grupami „azoto”, więc zespół nazwał swój hipotetyczny tytański odpowiednik liposomu „azotosomem”.
Synteza azotosomów do badań eksperymentalnych byłaby trudna i droga, ponieważ eksperymenty musiałyby zostać przeprowadzone w temperaturach kriogenicznych ciekłego metanu. Ponieważ jednak molekuły kandydujące zostały dogłębnie zbadane z innych powodów, badacze Cornell poczuli się słusznie, zwracając się do narzędzi chemii obliczeniowej, aby ustalić, czy ich cząsteczki kandydujące mogą być zwarte jako elastyczna membrana w ciekłym metanie. Modele obliczeniowe zostały z powodzeniem wykorzystane do badania konwencjonalnych błon komórkowych fosfolipidów.
Przeprowadzone przez grupę symulacje obliczeniowe wykazały, że niektóre substancje kandydujące można wykluczyć, ponieważ nie byłyby spójne jako membrana, byłyby zbyt sztywne lub tworzyłyby bryłę. Niemniej jednak symulacje wykazały również, że wiele substancji tworzy membrany o odpowiednich właściwościach. Jedną odpowiednią substancją jest akrylonitryl, który według Cassini jest obecny w atmosferze Tytana w stężeniu 10 części na milion. Pomimo ogromnej różnicy temperatur między kriogenicznymi azotozomami i liposomami w temperaturze pokojowej, symulacje wykazały, że wykazują one uderzająco podobne właściwości stabilności i reakcji na naprężenia mechaniczne. Błony komórkowe są zatem możliwe do życia w ciekłym metanie.
Naukowcy z Cornell uważają swoje odkrycia za nic więcej niż tylko pierwszy krok w kierunku wykazania, że życie w ciekłym metanie jest możliwe, oraz w kierunku opracowania metod, które będą potrzebne przyszłym statkom kosmicznym do poszukiwania go na Tytanie. Jeśli możliwe jest życie w ciekłym metanie, implikacje ostatecznie wykraczają daleko poza Tytana.
Szukając warunków odpowiednich do życia w galaktyce, astronomowie zwykle szukają egzoplanet w obrębie strefy zamieszkania gwiazdy, zdefiniowanej jako wąski zakres odległości, na których planeta z atmosferą podobną do Ziemi miałaby temperaturę powierzchni odpowiednią dla ciekłej wody. Gdyby życie metanu było możliwe, gwiazdy miałyby także strefę zamieszkiwaną przez metan, region, w którym metan mógłby istnieć jako ciecz na planecie lub księżycu, umożliwiając życie metanu. Liczba światów mieszkalnych w galaktyce zostałaby znacznie zwiększona. Być może na niektórych światach życie metanowe ewoluuje w złożone formy, których nie jesteśmy w stanie sobie wyobrazić. Może niektóre z nich przypominają nawet potwory morskie.
Referencje i dalsze czytanie:
N. Atkinson (2010) Alien Life on Titan? Poczekaj chwilę, Space Magazine.
N. Atkinson (2010) Life on Titan Could be Smelly and Explosive, Space Magazine.
M. L. Cable, S. M. Horst, R. Hodyss, P. Beauchamp, M. A. Smith, P. Willis, (2012) Titan tholins: Symulowanie chemii organicznej tytanu w erze Cassini-Huygens, Chemical Reviews, 112: 1882-1909.
E. Howell (2014) Majestatyczne lustrzane jeziora Tytana znajdą się pod kontrolą Cassiniego w tym tygodniu, czasopismo Space.
J. Major (2013) Biegun północny Titana jest pełen jezior, czasopismo Space Magazine.
C. P. McKay, H. D. Smith, (2005) Możliwości życia metanogennego w ciekłym metanie na powierzchni Tytana, Icarus 178: 274-276.
J. Stevenson, J. Lunine, P. Clancy, (2015) Alternatywy membran w światach bez tlenu: Creation of azotosome, Science Advances 1 (1): e1400067.
S. Oleson (2014) Okręt podwodny Titan: Odkrywanie głębin Kraken, NASA Glenn Research Center, Informacja prasowa.
Cassini Solstice Mission, NASA Jet Propulsion Laboratory
NASA i ESA świętują 10 lat od lądowania Titan, NASA 2015
