Bi lahko bilo življenje na Saturnovem velikem Luni Titan? Zastavljeno vprašanje prisili astrobiologe in kemike, da dobro in kreativno razmišljajo o kemiji življenja in kako je lahko na drugih svetovih drugače, kot je na Zemlji. Februarja je skupina raziskovalcev z univerze Cornell, vključno s študentom kemijskega inženiringa Jamesom Stevensonom, planetarnim znanstvenikom Jonathanom Lunineom in kemijskim inženirjem Paulette Clancy, objavila pionirsko študijo, v kateri trdijo, da bi se lahko celične membrane tvorile pod eksotičnimi kemičnimi pogoji, prisotnimi na tej izjemni luni .
Titan je v mnogih pogledih Zemljin dvojček. Je druga največja luna v osončju in večja od planeta Merkurja. Tako kot Zemlja ima tudi močno atmosfero s površinskim atmosferskim tlakom nekoliko višjim od Zemljinega. Poleg Zemlje je Titan edini predmet v našem osončju, za katerega je znano, da ima na svoji površini nakopičene tekočine. Nasina vesoljska sonda Cassini je v Titanovih polarnih regijah odkrila obilna jezera in celo reke. Največje jezero ali morje, ki se imenuje Kraken Mare, je večje od Zemljinega Kaspijskega morja. Raziskovalci tako iz opazovanj vesoljskih plovil kot laboratorijskih eksperimentov vedo, da je Titanovo ozračje bogato s kompleksnimi organskimi molekulami, ki so gradniki življenja.
Zaradi vseh teh lastnosti se zdi, kot da je Titan nadvse primeren za življenje. Ime „Kraken“, ki se nanaša na legendarno morsko pošast, čudovito odraža željne astrobiologe. Toda Titan je Zemljin tujec dvojček. Ker je skoraj desetkrat več od sonca kot Zemlja, je njegova površinska temperatura hladnih -180 stopinj Celzija. Tekoča voda je ključnega pomena za življenje, kot ga poznamo, toda na Titanovi površini je vsa voda trdna. Vodni led prevzame vlogo, ki jo ima skala, ki vsebuje silicij, na Zemlji in tvori zunanje plasti skorje.
Tekočina, ki napolni Titanova jezera in reke, ni voda, ampak tekoči metan, ki se verjetno meša z drugimi snovmi, kot je tekoči etan, vse pa so plini tukaj na Zemlji. Če je v Titanovih morjih življenje, to ni življenje, kot ga poznamo. To mora biti tuja oblika življenja, z organskimi molekulami, raztopljenimi v tekočem metanu, namesto v tekoči vodi. Je kaj takega sploh mogoče?
Cornell-ova ekipa je prevzela ključni del tega izzivnega vprašanja, tako da je raziskala, ali lahko v tekočem metanu obstajajo celične membrane. Vsaka živa celica je v bistvu samooskrbna mreža kemičnih reakcij, vsebovana znotraj omejujočih membran. Znanstveniki menijo, da so se celične membrane pojavile zelo zgodaj v zgodovini življenja na Zemlji in njihova tvorba bi bila morda celo prvi korak v nastanku življenja.
Tu na Zemlji so celične membrane tako znane kot srednješolski razred biologije. Izdelane so iz velikih molekul, imenovanih fosfolipidi. Vsaka fosfolipidna molekula ima „glavo“ in „rep“. Glava vsebuje fosfatno skupino z atomom fosforja, povezanim z več atomi kisika. Rep je sestavljen iz enega ali več nizov ogljikovih atomov, navadno dolgih od 15 do 20 atomov, z atomi vodika na vsaki strani. Glava ima zaradi negativnega naboja svoje fosfatne skupine neenakomerno porazdelitev električnega naboja in pravimo, da je polarna. Rep je na drugi strani električno nevtralen.
Te električne lastnosti določajo, kako se bodo obnašale fosfolipidne molekule, ko se raztopijo v vodi. Električno gledano je voda polarna molekula. Elektroni v molekuli vode močneje privlačijo njen atom kisika kot njegova dva vodikova atoma. Torej ima stran molekule, kjer sta oba vodikova atoma, rahlo pozitiven naboj, kisikova stran pa majhen negativen naboj. Te polarne lastnosti vode povzročijo, da privabi polarno glavo fosfolipidne molekule, ki naj bi bila hidrofilna, in odbija njen nepolarni rep, ki naj bi bil hidrofoben.
Ko se fosfolipidne molekule raztopijo v vodi, električne lastnosti obeh snovi delujejo skupaj, da povzročijo, da se molekule fosfolipida organizirajo v membrani. Membrana se zapre v sebe v majhno kroglo, imenovano liposom. Molekule fosfolipida tvorijo dvoslojni debeli dve molekuli. Polarne hidrofilne glave so usmerjene navzven proti vodi na notranji in zunanji površini membrane. Hidrofobni repi se zasipajo med seboj, obrnjeni drug proti drugemu. Medtem ko molekule fosfolipidov ostanejo pritrjene v svoji plasti, z glavo obrnjenimi navzven in z repi obrnjenimi navzven, se lahko še vedno premikajo naokoli, kar daje membrani tekočino prožnost, potrebno za življenje.
Fosfolipidne dvoslojne membrane so osnova vseh zemeljskih celičnih membran. Tudi liposom lahko sam raste, se razmnožuje in pomaga pri določenih pomembnih za življenje kemičnih reakcijah, zato nekateri biokemiki menijo, da bi bil lahko nastanek liposomov prvi korak k življenju. V vsakem primeru mora biti oblikovanje celičnih membran zagotovo zgodnji korak v nastanku življenja na Zemlji.
Če na Titanu obstaja neka oblika življenja, ne glede na to, ali je morska pošast ali (bolj verjetno) mikrobi, bi skoraj zagotovo morala imeti celično membrano, kot to počne vsako živo bitje na Zemlji. Ali lahko fosfolipidne dvoslojne membrane tvorijo v tekočem metanu na Titanu? Odgovor je ne. Za razliko od vode ima molekula metana enakomerno porazdelitev električnih nabojev. Manjka ji polarne lastnosti vode in zato ne bi mogel pritegniti polarnih glav molekule fosfolipida. Ta privlačnost je potrebna, da fosfolipidi tvorijo celično membrano v zemeljskem slogu.
Opravljeni so poskusi, pri katerih se fosfolipidi raztopijo v nepolarnih tekočinah pri zemeljski sobni temperaturi. Pod temi pogoji fosfolipidi tvorijo dvoslojno membrano "navzven". Polarne glave molekul fosfolipidov so v središču, ki jih medsebojno privlačijo njihovi električni naboji. Nepolarni repi so obrnjeni navzven na vsaki strani membrane znotraj navzven, obrnjeni proti nepolarnemu topilu.
Ali bi lahko ime Titanije imelo znotraj fosfolipidne membrane navzven? Cornellova ekipa je sklenila, da to ne bo delovalo iz dveh razlogov. Prvi je ta, da pri kriogenih temperaturah tekočega metana repi fosfolipidov postanejo togi, kar odvzame vsakršno membrano znotraj, ki bi lahko oblikovala prožnost tekočine, ki je potrebna za življenje. Drugo je, da sta dve ključni sestavini fosfolipidov; fosfor in kisik verjetno nista na voljo v metanskih jezerih Titana. Pri iskanju celičnih membran Titanije se je Cornellova ekipa morala preizkusiti zunaj znanega področja srednješolske biologije.
Čeprav niso sestavljeni iz fosfolipidov, so znanstveniki trdili, da bo katera koli titanska celična membrana kljub temu podobna fosfolipidnim membranam navzven, ustvarjenim v laboratoriju. Sestavljen bi bil iz polarnih molekul, ki se električno spojijo v raztopini nepolarnega tekočega metana. Katere molekule so to lahko? Za odgovore so raziskovalci iskali podatke s vesoljskega plovila Cassini in iz laboratorijskih poskusov, ki so reproducirali kemijo Titanove atmosfere.
Za Titanovo ozračje je znano, da ima zelo zapleteno kemijo. Izdelana je večinoma iz dušika in metana. Ko je vesoljsko plovilo Cassini analiziralo njegovo sestavo s spektroskopijo, je našlo sledi različnih spojin ogljika, dušika in vodika, imenovanih nitrila in aminov. Raziskovalci so simulirali kemijo Titanove atmosfere v laboratoriju z izpostavljanjem mešanic dušika in metana virom energije, ki simulirajo sončno svetlobo na Titanu. Nastane enolončnica organskih molekul, imenovanih „tolini“. Sestavljen je iz spojin vodika in ogljika, imenovanih ogljikovodiki, kot tudi nitrila in aminov.
Cornellovi preiskovalci so nitrile in amine videli kot potencialne kandidate za njihove titanske celične membrane. Obe sta polarni molekuli, ki bi se lahko združili in tvorili membrano v nepolarnem tekočem metanu zaradi polarnosti skupin, ki vsebujejo dušik, ki jih najdemo v obeh. Sklenili so, da morajo biti molekule kandidatov veliko manjše od fosfolipidov, da lahko pri tekočih metanih tvorijo tekoče membrane. Veljali so za nitrila in amine, ki vsebujejo strune med tremi in šestimi atomi ogljika. Skupine, ki vsebujejo dušik, se imenujejo skupine "azoto", zato je skupina imenovala njihov hipotetični titanski kolega liposoma "azotosom".
Sintetiziranje azotosomov za eksperimentalno preučevanje bi bilo težko in drago, saj bi morali eksperimente izvajati pri kriogenih temperaturah tekočega metana. Ker pa so bile kandidatne molekule iz drugih razlogov obsežno raziskane, so se Cornellovi raziskovalci počutili upravičeno, ko so se obrnili na orodja računalniške kemije, da bi ugotovili, ali se lahko njihove kandidatne molekule kohezirajo kot prožna membrana v tekočem metanu. Računalniški modeli so bili uspešno uporabljeni za preučevanje običajnih fosfolipidnih celičnih membran.
Računalniške simulacije skupine so pokazale, da se nekatere snovi, ki jih kandidirajo, ne morejo izključiti, ker se ne bi spojile kot membrana, bi bile preveč toge ali bi tvorile trdno snov. Kljub temu so simulacije pokazale tudi, da bodo številne snovi tvorile membrane z ustreznimi lastnostmi. Ena od primernih snovi je akrilonitril, za katerega je Cassini pokazal, da je prisoten v Titanovi atmosferi s koncentracijo 10 delov na milijon. Kljub veliki temperaturni razliki med kriogenimi azotozomi in liposomi sobne temperature so simulacije pokazale, da kažejo presenetljivo podobne lastnosti stabilnosti in odziva na mehanski stres. Celične membrane so torej možne za življenje v tekočem metanu.
Znanstveniki iz Cornella vidijo svoje ugotovitve le kot prvi korak k dokazovanju, da je življenje v tekočem metanu možno in k razvoju metod, ki jih bodo bodoča vesoljska plovila potrebovala za iskanje na Titanu. Če je življenje v tekočem metanu možno, se posledice končno segajo dlje od Titana.
Pri iskanju pogojev, primernih za življenje v galaksiji, astronomi običajno iščejo eksoplanete znotraj zvezdnega območja, ki ga ima zvezda, opredeljenega kot ozek razpon razdalj, čez katere bi planet z zemeljsko atmosfero imel površinsko temperaturo, primerno za tekočo vodo. Če je življenje metana mogoče, bi imele zvezde tudi cono, v kateri živi metan, območje, kjer bi metan lahko obstajal kot tekočina na planetu ali luni, kar bi omogočilo življenje metana. Število bivalnih svetov v galaksiji bi se močno povečalo. Morda se v nekaterih svetovih življenje metana razvija v zapletene oblike, ki si jih komaj predstavljamo. Mogoče so nekatere celo podobne morskim pošasti.
Literatura in nadaljnje branje:
N. Atkinson (2010) Alien Life on Titan? Počakajte le minuto, vesoljska revija.
N. Atkinson (2010) Življenje na Titanu je lahko smrdljivo in eksplozivno, vesoljska revija.
M. L. Cable, S. M. Horst, R. Hodyss, P. Beauchamp, M. A. Smith, P. Willis, (2012) Titan tholins: Simulating Titan organic chemistry in the Cassini-Huygens era, Chemical Reviews, 112: 1882-1909.
E. Howell (2014) Veličasti zrcali, podobni Titanu, bodo ta teden pod Cassinijevim nadzorom, vesoljski reviji.
J. Major (2013) Severni pol Titana je obremenjen z jezeri, vesoljska revija.
C. P. McKay, H. D. Smith, (2005) Možnosti metanogenskega življenja v tekočem metanu na površini Titana, Icarus 178: 274-276.
J. Stevenson, J. Lunine, P. Clancy, (2015) Membranske alternative v svetovih brez kisika: Ustvarjanje azotosoma, Science Advances 1 (1): e1400067.
S. Oleson (2014) Podmornica Titan: Raziskovanje globin Kraken, NASA Glenn Research Center, Sporočilo za javnost.
Cassini Solstice Mission, NASA Laboratorij za reaktivni pogon
NASA in ESA praznujeta 10 let od pristanka Titana, NASA 2015
