Ar gali būti gyvybės dideliame Saturno Mėnulio titane? Uždavus klausimą, verčia astrobiologai ir chemikai kruopščiai ir kūrybingai mąstyti apie gyvenimo chemiją ir apie tai, kaip ji gali skirtis kituose pasauliuose, nei yra Žemėje. Vasario mėnesį Kornelio universiteto tyrėjų komanda, apimanti chemijos inžinerijos magistrantą Jamesą Stevensoną, planetų mokslininką Jonathaną Lunine'ą ir chemijos inžinierių Paulette Clancy, paskelbė novatorišką tyrimą, teigdama, kad ląstelės membranos gali susidaryti egzotiškomis cheminėmis sąlygomis, esančiomis šiame nuostabiame mėnulyje. .
Daugeliu atžvilgių „Titanas“ yra Žemės dvynys. Tai antras pagal dydį Saulės sistemos mėnulis ir didesnis nei Merkurijaus planeta. Kaip ir Žemė, jos atmosfera yra žymi, o paviršiaus atmosferos slėgis yra šiek tiek didesnis nei Žemės. Be žemės, „Titan“ yra vienintelis objektas mūsų saulės sistemoje, apie kurio paviršių žinoma skysčių sankaupų. NASA kosminis zondas „Cassini“ atrado gausų ežerų ir net upių Titano poliariniuose regionuose. Didžiausias ežeras arba jūra, vadinama Kraken Mare, yra didesnė už Žemės Kaspijos jūrą. Tyrėjai iš kosminių laivų stebėjimų ir laboratorinių eksperimentų žino, kad Titano atmosferoje gausu sudėtingų organinių molekulių, kurios yra gyvybės pagrindas.
Dėl visų šių savybių gali atrodyti, kad „Titan“ yra gąsdinančiai tinkamas gyvenimui. Pavadinimas „Kraken“, kuris nurodo legendinį jūrų pabaisą, išgalvotai atspindi nekantrias astrobiologų viltis. Tačiau Titanas yra ateivių Žemės dvynys. Būdamas beveik dešimt kartų toliau nuo saulės nei yra Žemė, jos paviršiaus temperatūra yra šalta –180 laipsnių šilumos. Skystas vanduo yra gyvybiškai svarbus, kaip mes jį žinome, tačiau Titano paviršiuje visas vanduo yra kietas. Vandens ledas įgauna vaidmenį, kurį Žemėje atlieka silicio turinčios uolienos, sudarydamos išorinius plutos sluoksnius.
Skystis, kuris užpildo Titano ežerus ir upes, yra ne vanduo, o skystas metanas, tikriausiai sumaišytas su kitomis medžiagomis, tokiomis kaip skystas etanas, kurios visos yra dujos Žemėje. Jei Titano jūrose yra gyvybė, tai nėra gyvenimas, kokį mes jį žinome. Tai turi būti svetima gyvybės forma, kai organinės molekulės yra ištirpintos skystame metane, o ne skystame vandenyje. Ar toks dalykas netgi įmanomas?
Kornelio komanda ėmėsi vienos svarbiausių šio iššūkio klausimo dalių, ištyrusi, ar skystame metane gali egzistuoti ląstelių membranos. Kiekviena gyva ląstelė iš esmės yra savarankiškas cheminių reakcijų tinklas, esantis ribojančiose membranose. Mokslininkai mano, kad ląstelių membranos atsirado labai ankstyvoje gyvenimo Žemėje istorijoje, ir jų formavimasis galėjo būti net pirmasis žingsnis į gyvybės kilmę.
Žemėje ląstelių membranos yra tokios pat pažįstamos kaip vidurinės mokyklos biologijos klasė. Jie pagaminti iš didelių molekulių, vadinamų fosfolipidais. Kiekviena fosfolipidų molekulė turi „galvą“ ir „uodegą“. Galvoje yra fosfato grupė, kurios fosforo atomas yra sujungtas su keliais deguonies atomais. Uodegą sudaro viena ar daugiau anglies atomų, paprastai 15–20 atomų, atomų, turinčių vandenilio atomus, sujungtus kiekvienoje pusėje. Galva dėl neigiamo savo fosfato grupės krūvio turi nevienodą elektros krūvio pasiskirstymą, ir mes sakome, kad jis yra poliarinis. Kita vertus, uodega yra elektriškai neutrali.
Šios elektrinės savybės lemia, kaip fosfolipidų molekulės elgsis ištirpusios vandenyje. Elektriniu požiūriu vanduo yra poliarinė molekulė. Vandens molekulėje esančius elektronus labiau traukia jos deguonies atomas, o ne du vandenilio atomai. Taigi molekulės pusėje, kur yra du vandenilio atomai, yra nedidelis teigiamas krūvis, o deguonies pusėje - nedidelis neigiamas krūvis. Dėl šių polinių vandens savybių jis pritraukia fosfolipidų molekulės, kuri, kaip teigiama, hidrofilinė, polinę galvą ir atstumia jos nepolinę uodegą, kuri, kaip sakoma, yra hidrofobinė.
Kai fosfolipidų molekulės ištirpsta vandenyje, abiejų medžiagų elektrinės savybės veikia kartu, kad fosfolipidų molekulės organizuotųsi į membraną. Membrana užsidaro mažoje sferoje, vadinamoje lipoma. Fosfolipidų molekulės sudaro dvisluoksnį dviejų molekulių storį. Poliarinės hidrofilinės galvutės yra nukreiptos į išorę, tiek į vidinį, tiek į išorinį membranos paviršių. Hidrofobinės uodegos yra tarp jų, nukreiptos viena į kitą. Nors fosfolipidų molekulės lieka fiksuotos savo sluoksnyje, kai galvos nukreiptos į išorę, o uodegos nukreiptos į vidų, jos vis tiek gali judėti viena kitos atžvilgiu, suteikdamos membranai skysčio lankstumą, reikalingą gyvenimui.
Fosfolipidų dvisluoksnės membranos yra visų sausumos ląstelių membranų pagrindas. Netgi pati liposoma gali augti, daugintis ir palengvinti tam tikras gyvybei svarbias chemines reakcijas, todėl kai kurie biochemikai mano, kad liposomų susidarymas galėjo būti pirmasis žingsnis į gyvenimą. Bet kokiu atveju ląstelių membranų formavimasis tikrai turi būti ankstyvas žingsnis į gyvybės atsiradimą Žemėje.
Jei Titan'e egzistuoja kokia nors gyvybės forma, nesvarbu, ar tai jūros monstras, ar (labiau tikėtina) mikrobas, beveik neabejotinai reikės turėti ląstelių membraną, kaip ir kiekvienas gyvas daiktas Žemėje. Ar Titan'e skystame metane gali susidaryti fosfolipidų dvisluoksnės membranos? Atsakymas yra ne. Skirtingai nuo vandens, metano molekulė turi tolygų elektros krūvių pasiskirstymą. Jam trūksta vandens polinių savybių, todėl jis negalėjo pritraukti fosfolipidų molekulės polinių galvučių. Ši atrakcija reikalinga, kad fosfolipidai sudarytų Žemės tipo ląstelių membraną.
Atlikti eksperimentai, kai fosfolipidai ištirpinami nepoliniuose skysčiuose žemoje kambario temperatūroje. Esant tokioms sąlygoms, fosfolipidai sudaro „sluoksnio iš vidaus“ membraną. Fosfolipidų molekulių polinės galvutės yra centre, jas elektriniai krūviai traukia vienas į kitą. Neapolio uodegos yra nukreiptos į išorę iš abiejų membranos vidų, nukreiptos į nepolinį tirpiklį.
Ar Titanijos gyvenimas galėtų turėti fosfolipidų membraną iš vidaus? Kornelio komanda padarė išvadą, kad tai neveiks dėl dviejų priežasčių. Pirmasis yra tas, kad esant kriogeninei skysto metano temperatūrai fosfolipidų uodegos tampa nelanksčios, atimdamos bet kokią vidinę membraną, kuri gali sudaryti gyvybiškai reikalingą skysčio lankstumą. Antrasis - du pagrindiniai fosfolipidų ingredientai; fosforo ir deguonies, Titano metano ežeruose greičiausiai nėra. Ieškodami Titaniano ląstelių membranų, Kornelio komandai reikėjo išmėginti ne tik pažįstamą aukštosios mokyklos biologijos sritį.
Nors mokslininkai nesukūrė fosfolipidų, jie teigė, kad bet kuri Titanian ląstelių membrana vis dėlto bus panaši į laboratorijoje sukurtas fosfolipidų membranas iš vidaus. Tai sudarytų iš poliarinių molekulių, elektriškai susiliejančių nepolinio skysto metano tirpale. Kokios gali būti molekulės? Atsakymus tyrėjai ieškojo iš „Cassini“ erdvėlaivio ir laboratorinių eksperimentų, kuriuose atkurta Titano atmosferos chemija, duomenų.
Titano atmosfera, kaip žinoma, turi labai sudėtingą chemiją. Jis daugiausia pagamintas iš azoto ir metano dujų. Kai Cassini erdvėlaivis išanalizavo jo sudėtį, naudodamas spektroskopiją, jis rado pėdsakų įvairiems anglies, azoto ir vandenilio junginiams, vadinamiems nitriliais ir amiinais. Tyrėjai modeliavo „Titan“ atmosferos chemiją laboratorijoje, veikdami azoto ir metano mišinius su energijos šaltiniais, imituojančiais saulės spindulius „Titan“. Susidaro troškinys organinių molekulių, vadinamų „tholins“. Jį sudaro vandenilio ir anglies junginiai, vadinami angliavandeniliais, taip pat nitrilai ir aminai.
Kornelio tyrėjai matė nitrilus ir aminus kaip galimus kandidatus į savo Titaniano ląstelių membranas. Abi yra polinės molekulės, kurios gali sukibti ir sudaryti nepolinio skysto metano membraną dėl azoto turinčių grupių, esančių abiejose, poliškumo. Jie pagrindė, kad kandidatės molekulės turi būti daug mažesnės nei fosfolipidai, kad skysto metano temperatūroje jos galėtų sudaryti skysčių membranas. Jie svarstė nitrilus ir aminus, kuriuose yra nuo trijų iki šešių anglies atomų. Azoto turinčios grupės yra vadinamos „azoto“ grupėmis, todėl komanda hipotetinį „Titanian“ pavadino liposoma „azotosome“.
Sintezuoti azotosomas eksperimentiniam tyrimui būtų buvę sunku ir brangu, nes eksperimentus reiktų atlikti skysto metano kriogeninėje temperatūroje. Kadangi kandidatės molekulės buvo išsamiai ištirtos dėl kitų priežasčių, Kornelio tyrinėtojai jautėsi pateisinti, kad pasuko į skaičiavimo chemijos įrankius, kad nustatytų, ar jų kandidatės molekulės gali susilyginti kaip lanksti membrana skystame metane. Skaičiavimo modeliai buvo sėkmingai naudojami tiriant įprastas fosfolipidų ląstelių membranas.
Grupės atliktas skaičiavimų modeliavimas parodė, kad kai kurias medžiagas kandidates galima atmesti, nes jos netaps membranomis, nebus per griežtos arba sudarys kietas medžiagas. Nepaisant to, modeliavimas taip pat parodė, kad nemažai medžiagų sudarys tinkamų savybių membranas. Tinkama medžiaga yra akrilonitrilas, kuris, kaip parodė Cassini, yra Titano atmosferoje ir jo koncentracija yra 10 milijonų dalių. Nepaisant didžiulio temperatūros skirtumo tarp kriogeninių azotozomų ir kambario temperatūros liposomų, modeliavimas parodė, kad jie pasižymi stulbinamai panašiomis stabilumo ir reagavimo į mechaninį stresą savybėmis. Ląstelių membranos gali būti gyvos skystame metane.
Kornelio mokslininkai savo išvadas vertina kaip ne pirmąjį žingsnį link parodyti, kad gyvenimas skystame metane yra įmanomas, ir kurti metodus, kurių būsimiems erdvėlaiviams reikės jo ieškoti Titane. Jei skystame metane gyvybė yra įmanoma, tai galiausiai apima toli už Titaną.
Ieškodami gyvenimo aplinkai galaktikoje sąlygų, astronomai paprastai ieško egzoplanetų žvaigždės gyvenamojoje zonoje, apibrėžtoje kaip siauras atstumų diapazonas, per kurį planetos su Žemės atmosfera paviršiaus temperatūra būtų tinkama skystam vandeniui. Jei įmanoma metano gyvybė, žvaigždės taip pat turėtų metanui pritaikytą zoną - regioną, kuriame metanas galėtų egzistuoti kaip skystis planetoje ar mėnulyje, sudarydamas sąlygas metano gyvenimui. Gyvenamųjų pasaulių skaičius galaktikoje labai padidėtų. Galbūt kai kuriuose pasauliuose metano gyvenimas išsivysto į sudėtingas formas, kurias vos galime įsivaizduoti. Gal kai kurie iš jų netgi šiek tiek primena jūros monstrus.
Nuorodos ir tolesni skaitiniai:
N. Atkinson (2010) Svetimas gyvenimas ant titano? Pakabinkite tiesiog minutę „Space“ žurnale.
N. Atkinson (2010) „Titan“ gyvenimas gali būti smirdantis ir sprogus, žurnalas „Space“.
M. L. Kabelis, S. M. Horstas, R. Hodyssas, P. Beauchampas, M. A. Smithas, P. Willis, (2012) Titano tholinai: Titano organinės chemijos modeliavimas Cassini-Huygens eroje, Chemical Reviews, 112: 1882-1909.
E. Howell (2014 m.) „Titan‘o didingieji į veidrodį panašūs ežerai šią savaitę bus apžiūrimi Cassini“, žurnalas „Space“.
J. Majoras (2013) „Titano“ šiaurės ašigalis yra apkrautas ežerais, žurnalas „Space“.
C. P. McKay, H. D. Smith, (2005) Metanogeniško gyvenimo galimybės skystame metane Titano paviršiuje, Icarus 178: 274–276.
J. Stevensonas, J. Lunine'as, P. Clancy (2015) Membranos alternatyvos pasauliuose be deguonies: Azotosomos sukūrimas, Science Advances 1 (1): e1400067.
S. Olesonas (2014) „Titan“ povandeninis laivas: Krakeno gelmių tyrinėjimas, NASA Glenn tyrimų centras, pranešimas spaudai.
Cassini saulėgrįžos misija, NASA reaktyvinio varymo laboratorija
NASA ir ESA švenčia 10 metų nuo Titano nusileidimo, NASA 2015 m
