Kan det finnas liv på Saturnus stora måne Titan? Att ställa frågan tvingar astrobiologer och kemister att tänka noggrant och kreativt över livets kemi och hur det kan vara annorlunda i andra världar än på jorden. I februari publicerade ett team av forskare från Cornell University, inklusive kemiingenjörsstudenten James Stevenson, planetforskaren Jonathan Lunine och kemiingenjören Paulette Clancy, en banbrytande studie som hävdade att cellmembran kan bildas under de exotiska kemiska förhållanden som finns på denna märkliga måne. .
På många sätt är Titan jordens tvilling. Det är den näst största månen i solsystemet och större än planeten Merkurius. Liksom jorden har den en betydande atmosfär, med ett atmosfärstryck på ytan som är lite högre än jordens. Förutom jorden är Titan det enda objektet i vårt solsystem som är känt för att ha ansamlingar av vätska på sin yta. NASA:s rymdsond Cassini upptäckt rikliga sjöar och även floder i Titans polarområden. Den största sjön, eller havet, kallas Kraken Mare , är större än jordens Kaspiska hav. Forskare vet från både rymdskeppsobservationer och laboratorieexperiment att Titans atmosfär är rik på komplexa organiska molekyler, som är livets byggstenar.
Alla dessa funktioner kan få det att verka som om Titan är lockande lämplig för livet. Namnet ' spricka ’, som hänvisar till ett legendariskt havsmonster, återspeglar fantasifullt astrobiologernas ivriga förhoppningar. Men Titan är jordens utomjordiska tvilling. Eftersom den är nästan tio gånger längre från solen än jorden är dess yttemperatur en iskall -180 grader Celsius. Flytande vatten är avgörande för livet som vi känner det, men på Titans yta är allt vatten fruset fast. Vattenis tar på sig den roll som kiselhaltig sten gör på jorden och utgör de yttre lagren av jordskorpan.
Vätskan som fyller Titans sjöar och floder är inte vatten, utan vätska metan , förmodligen blandat med andra ämnen som vätska etan , som alla är gaser här på jorden. Om det finns liv i Titans hav är det inte livet som vi känner det. Det måste vara en främmande form av liv, med organiska molekyler lösta i flytande metan istället för flytande vatten. Är något sådant ens möjligt?
Cornell-teamet tog upp en viktig del av denna utmanande fråga genom att undersöka om cellmembran kan existera i flytande metan. Varje levande cell är i grunden ett självförsörjande nätverk av kemiska reaktioner, inneslutna i avgränsande membran. Forskare tror att cellmembran uppstod mycket tidigt i livets historia på jorden, och deras bildande kan till och med ha varit det första steget i livets uppkomst.
Här på jorden, cellmembran är lika bekanta som gymnasiets biologiklass. De är gjorda av stora molekyler som kallas fosfolipider . Varje fosfolipid molekylen har ett 'huvud' och en 'svans'. Huvudet innehåller en fosfatgrupp, med en fosforatom kopplad till flera syreatomer. Svansen består av en eller flera strängar av kolatomer, vanligtvis 15 till 20 atomer långa, med väteatomer kopplade på varje sida. Huvudet, på grund av den negativa laddningen av sin fosfatgrupp, har en ojämn fördelning av elektrisk laddning, och vi säger att det är polärt. Svansen är å andra sidan elektriskt neutral.
Här på jorden är cellmembranen sammansatta av fosfolipidmolekyler lösta i flytande vatten. En fosfolipid har en ryggrad av kolatomer (grå), och innehåller även väte (himmelblå), fosfor (gul), syre (röd) och kväve (blå). På grund av den positiva laddningen associerad med den kvävehaltiga kolingruppen och den negativa laddningen associerad med fosfatgruppen, är huvudet polärt och drar till sig vatten. Den är därför hydrofil. Kolvätesvansen är elektriskt neutral och hydrofob. Strukturen hos ett cellmembran beror på dessa elektriska egenskaper hos fosfolipider och vatten. Molekylerna bildar ett dubbelt lager, med de hydrofila huvudena vända utåt, mot vattnet, och de hydrofoba svansarna vända inåt, mot varandra. Kredit: Ties van Brussel
Dessa elektriska egenskaper avgör hur fosfolipidmolekyler kommer att bete sig när de löses upp i vatten . Elektriskt sett är vatten en polär molekyl. Elektronerna i vattenmolekylen attraheras starkare till dess syreatom än till dess två väteatomer. Så den sida av molekylen där de två väteatomerna är har en liten positiv laddning, och syresidan har en liten negativ laddning. Dessa polära egenskaper hos vatten gör att det attraherar det polära huvudet på fosfolipidmolekylen, som sägs vara hydrofil, och stöter bort dess opolära svans, som sägs vara hydrofob.
När fosfolipidmolekyler löses i vatten samverkar de elektriska egenskaperna hos de två ämnena för att få fosfolipidmolekylerna att organisera sig i ett membran. Membranet sluter sig till en liten sfär som kallas en liposom. Fosfolipidmolekylerna bildar ett dubbelskikt som är två molekyler tjockt. De polära hydrofila huvudena är vända utåt mot vattnet på både den inre och yttre ytan av membranet. De hydrofoba svansarna är inklämda mellan, vända mot varandra. Medan fosfolipidmolekylerna förblir fixerade i sitt lager, med huvudena utåt och svansarna inåt, kan de fortfarande röra sig i förhållande till varandra, vilket ger membranet den vätskeflexibilitet som behövs för livet.
Fosfolipid-dubbelskiktsmembran är grunden för alla jordlevande cellmembran. Även på egen hand kan en liposom växa, reproducera och hjälpa vissa kemiska reaktioner som är viktiga för livet, vilket är anledningen till att vissa biokemister tror att bildningen av liposomer kan ha varit det första steget mot liv. Hur som helst måste bildandet av cellmembran säkert vara ett tidigt steg i livets uppkomst på jorden.
Till vänster är vatten, bestående av väte (H) och syre (O), ett polärt lösningsmedel. Syre attraherar elektroner starkare än väte gör, vilket ger vätesidan av molekylen en netto positiv laddning och syresidan en netto negativ laddning. Delta-symbolen ( ) indikerar att laddningen är partiell, det vill säga mindre än en hel enhet positiv eller negativ laddning. Till höger är metan ett opolärt lösningsmedel, på grund av den symmetriska fördelningen av väteatomer (H) runt en central kolatom (C). Kreditera: Jynto modifierad av Paul Patton .
Om någon form av liv existerar på Titan, vare sig det är havsmonster eller (mer troligt) mikrober, skulle det nästan säkert behöva ha ett cellmembran, precis som alla levande varelser på jorden gör. Kan fosfolipid-dubbelskiktsmembran bildas i flytande metan på Titan? Svaret är nej. Till skillnad från vatten har metanmolekylen en jämn fördelning av elektriska laddningar. Det saknar vattnets polära kvaliteter och kunde därför inte attrahera de polära huvudena av fosfolipidmolekyler. Denna attraktion behövs för att fosfolipiderna ska bilda ett cellmembran av jordtyp.
Experiment har utförts där fosfolipider löses i opolära vätskor vid jordisk rumstemperatur. Under dessa förhållanden bildar fosfolipiderna ett 'inifrån och ut' tvåskiktsmembran. Fosfolipidmolekylernas polära huvuden är i centrum, attraherade av varandra av sina elektriska laddningar. De opolära svansarna är vända utåt på varje sida av membranet inifrån och ut, vända mot det opolära lösningsmedlet.
Till vänster löses fosfolipider i vatten, ett polärt lösningsmedel. De bildar ett dubbelskiktsmembran, med deras polära, hydrofila huvuden vända utåt mot vattnet och deras hydrofoba svansar vända mot varandra. Till höger, när fosfolipider löses i ett opolärt lösningsmedel vid jordisk rumstemperatur, bildar de ett inifrån och ut membran, med de polära huvudena attraherande varandra och de opolära svansarna vända utåt mot det opolära lösningsmedlet. Baserat på figur 2 från Stevenson, Lunine och Clancy (2015) . Kredit: Paul Patton
Kan Titanian-livet ha ett fosfolipidmembran inifrån och ut? Cornell-teamet drog slutsatsen att detta inte skulle fungera, av två skäl. Den första är att vid de kryogena temperaturerna för flytande metan blir fosfolipidernas svansar stela, vilket berövar alla in-ut-ut-membran som kan bilda den vätskeflexibilitet som behövs för livet. Den andra är att två nyckelingredienser i fosfolipider; fosfor och syre, är förmodligen otillgängliga i Titans metansjöar. I sitt sökande efter Titanian-cellmembran behövde Cornell-teamet undersöka bortom gymnasiebiologins välbekanta område.
Även om de inte består av fosfolipider, resonerade forskarna att vilket Titanian-cellmembran som helst skulle vara som fosfolipidmembranen inifrån och ut som skapades i labbet. Det skulle bestå av polära molekyler som klänger ihop elektriskt i en lösning av opolär flytande metan. Vilka molekyler kan det vara? För svar tittade forskarna på data från rymdfarkosten Cassini och från laboratorieexperiment som återgav kemin i Titans atmosfär.
Titans atmosfär är känd för att ha en mycket komplex kemi. Den består till största delen av kväve och metangas. När rymdfarkosten Cassini analyserade dess sammansättning med hjälp av spektroskopi fann den spår av en mängd olika föreningar av kol, kväve och väte, kallade nitriler och aminer. Forskare har simulerat kemin i Titans atmosfär i labbet genom att exponera blandningar av kväve och metan för energikällor som simulerar solljus på Titan. En gryta med organiska molekyler som kallas ' tolins ' är formad. Den består av föreningar av väte och kol, kallade kolväten, samt nitriler och aminer.
Cornell-utredarna såg nitriler och aminer som potentiella kandidater för deras titaniska cellmembran. Båda är polära molekyler som kan hålla ihop för att bilda ett membran i opolär flytande metan på grund av polariteten hos kväveinnehållande grupper som finns i dem båda. De resonerade att kandidatmolekyler måste vara mycket mindre än fosfolipider, så att de kunde bilda vätskemembran vid flytande metantemperaturer. De övervägde nitriler och aminer som innehåller strängar med mellan tre och sex kolatomer. Kväveinnehållande grupper kallas 'azoto' -grupper, så teamet kallade sin hypotetiska Titanian-motsvarighet till liposomen 'azotosomen'.
Syntetisering av azotosomer för experimentell studie skulle ha varit svårt och dyrt, eftersom experimenten skulle behöva utföras vid de kryogena temperaturerna för flytande metan. Men eftersom kandidatmolekylerna har studerats omfattande av andra skäl, kände Cornell-forskarna berättigade att vända sig till beräkningskemins verktyg för att avgöra om deras kandidatmolekyler kunde sammanhänga som ett flexibelt membran i flytande metan. Beräkningsmodeller har framgångsrikt använts för att studera konventionella fosfolipidcellmembran.
Akrylnitril har identifierats som en möjlig bas för cellmembran i flytande metan på Titan. Det är känt att det finns i Titans atmosfär i en koncentration av 10 ppm och har producerats i laboratoriesimuleringar av effekterna av energikällor på Titans kväve-metanatmosfär. Som en liten polär molekyl som kan lösas upp i flytande metan är den en kandidatsubstans för bildandet av cellmembran i en alternativ biokemi på Titan. Ljusblå: kolatomer, mörkblå: kväveatom, vit: väteatomer. Kredit: Ben Mills modifierad av Paul Patton.
Polära akrylnitrilmolekyler riktar in 'huvud' mot 'svans' för att bilda ett membran i opolär flytande metan. Ljusblå: kolatomer, mörkblå: kväveatomer, vit: väteatomer. Kreditera: James Stevenson .
Gruppens beräkningssimuleringar visade att vissa kandidatämnen kunde uteslutas eftersom de inte skulle sammanhänga som ett membran, skulle vara för stela eller bilda ett fast ämne. Trots det visade simuleringarna också att ett antal ämnen skulle bilda membran med lämpliga egenskaper. En lämplig substans är akrylnitril, som Cassini visade finns i Titans atmosfär i en koncentration av 10 ppm. Trots den enorma skillnaden i temperatur mellan kryogena azotozomer och rumstemperaturliposomer, visade simuleringarna att de uppvisar slående liknande egenskaper för stabilitet och svar på mekanisk stress. Cellmembran är alltså möjliga för liv i flytande metan.
Beräkningskemi-simuleringar visar att akrylnitril och några andra små polära kvävehaltiga organiska molekyler kan bilda 'azotosomer' när de löses på flytande metan. Azotosomer är små membranbundna sfärer som liposomer som bildas av fosfolipider när de löses i vatten. Simuleringarna visar att akrylonitrilazotosomer skulle vara både stabila och flexibla i kryogent kall flytande metan, vilket ger dem de egenskaper de behöver för att fungera som cellmembran för hypotetiskt titaniskt liv, eller för liv på vilken värld som helst med flytande metan på sin yta. Den visade azotosomen är 9 nanometer stor, ungefär lika stor som ett virus. Ljusblå: kolatomer, mörkblå: kväveatomer, vit: väteatomer. Kreditera: James Stevenson .
Forskarna från Cornell ser deras fynd som inget annat än ett första steg mot att visa att liv i flytande metan är möjligt, och mot att utveckla metoder som framtida rymdfarkoster måste söka efter det på Titan. Om liv är möjligt i flytande metan, sträcker sig konsekvenserna i slutändan långt bortom Titan.
När astronomer söker efter förhållanden som är lämpliga för liv i galaxen, söker astronomer vanligtvis efter exoplaneter inom en stjärnas beboeliga zon, definierad som det smala intervallet av avstånd över vilka en planet med en jordliknande atmosfär skulle ha en yttemperatur som är lämplig för flytande vatten. Om metanliv är möjligt skulle stjärnor också ha en beboelig zon med metan, en region där metan kan existera som en vätska på en planet eller måne, vilket gör metanliv möjligt. Antalet beboeliga världar i galaxen skulle öka kraftigt. Kanske, i vissa världar, utvecklas metanliv till komplexa former som vi knappt kan föreställa oss. Kanske är några av dem till och med lite som sjömonster.
Referenser och vidare läsning:
N. Atkinson (2010) Alien Life på Titan? Vänta bara en minut , Universum idag.
N. Atkinson (2010) Livet på Titan kan vara illaluktande och explosivt , Universum idag.
M. L. Cable, S. M. Horst, R. Hodyss, P. M. Beauchamp, M. A. Smith, P. A. Willis, (2012) Titan tholins: Simulerar Titan organisk kemi i Cassini-Huygens eran Chemical Reviews, 112:1882-1909.
E. Howell (2014) Titans majestätiska spegelliknande sjöar kommer att komma under Cassinis granskning den här veckan , Universum idag.
J. Major (2013) Titans nordpol är laddad med sjöar , Universum idag.
C.P. McKay, H.D. Smith, (2005) Möjligheter till metanogent liv i flytande metan på Titans yta , Ikaros 178: 274-276.
J. Stevenson, J. Lunine, P. Clancy, (2015) M embrane-alternativ i världar utan syre: Skapande av en azotosom , Science Advances 1(1):e1400067.
S. Oleson (2014) Titan-ubåt: Utforska Krakens djup , NASA Glenn Research Center, pressmeddelande.
Cassini solståndsuppdrag , NASA Jet Propulsion Laboratory
NASA och ESA firar 10 år sedan Titan landade , NASA 2015
