Θα μπορούσε να υπάρχει ζωή στο μεγάλο φεγγάρι του Κρόνου Τιτάνα; Η ερώτηση αναγκάζει τους αστροβιολόγους και τους χημικούς να σκέφτονται προσεκτικά και δημιουργικά για τη χημεία της ζωής και πώς μπορεί να είναι διαφορετική σε άλλους κόσμους από ό, τι στη Γη. Τον Φεβρουάριο, μια ομάδα ερευνητών από το Πανεπιστήμιο του Κορνέλ, συμπεριλαμβανομένου του μεταπτυχιακού φοιτητή χημικών μηχανικών James Stevenson, του πλανητικού επιστήμονα Jonathan Lunine και του χημικού Paulette Clancy, δημοσίευσε μια πρωτοποριακή μελέτη υποστηρίζοντας ότι οι κυτταρικές μεμβράνες θα μπορούσαν να σχηματιστούν υπό τις εξωτικές χημικές συνθήκες που υπάρχουν σε αυτό το αξιοσημείωτο φεγγάρι .
Από πολλές απόψεις, ο Τιτάνας είναι το δίδυμο της Γης. Είναι το δεύτερο μεγαλύτερο φεγγάρι στο ηλιακό σύστημα και μεγαλύτερο από τον πλανήτη Ερμής. Όπως η Γη, έχει σημαντική ατμόσφαιρα, με επιφανειακή ατμοσφαιρική πίεση λίγο μεγαλύτερη από τη Γη. Εκτός από τη Γη, ο Τιτάνας είναι το μόνο αντικείμενο στο ηλιακό μας σύστημα που είναι γνωστό ότι έχει συσσωρεύσεις υγρού στην επιφάνειά του. Ο διαστημικός ανιχνευτής Cassini της NASA ανακάλυψε άφθονες λίμνες και ακόμη και ποτάμια στις πολικές περιοχές του Τιτάνα. Η μεγαλύτερη λίμνη, ή θάλασσα, που ονομάζεται Kraken Mare, είναι μεγαλύτερη από την Κασπία Θάλασσα της Γης. Οι ερευνητές γνωρίζουν τόσο από τις παρατηρήσεις του διαστημικού σκάφους όσο και από τα εργαστηριακά πειράματα ότι η ατμόσφαιρα του Τιτάνα είναι πλούσια σε σύνθετα οργανικά μόρια, τα οποία αποτελούν τα δομικά στοιχεία της ζωής.
Όλα αυτά τα χαρακτηριστικά μπορεί να το κάνουν να φαίνεται σαν ο Τιτάνας είναι δελεαστικός κατάλληλος για τη ζωή. Το όνομα «Kraken», το οποίο αναφέρεται σε ένα θρυλικό θαλάσσιο τέρας, αντικατοπτρίζει φανταστικά τις ανυπόμονες ελπίδες των αστροβιολόγων. Όμως, ο Τιτάνας είναι το εξωγήινο δίδυμο της Γης. Όντας σχεδόν δέκα φορές πιο μακριά από τον ήλιο από ό, τι είναι η Γη, η θερμοκρασία της επιφάνειας είναι ψυχρός -180 βαθμοί Κελσίου. Το υγρό νερό είναι ζωτικής σημασίας για τη ζωή όπως το γνωρίζουμε, αλλά στην επιφάνεια του Τιτάνα όλο το νερό είναι παγωμένο στερεό. Ο πάγος νερού αναλαμβάνει το ρόλο που κάνει ο βράχος που περιέχει πυρίτιο στη Γη, αποτελώντας τα εξωτερικά στρώματα του φλοιού.
Το υγρό που γεμίζει τις λίμνες και τα ποτάμια του Τιτάνα δεν είναι νερό, αλλά υγρό μεθάνιο, πιθανώς αναμεμιγμένο με άλλες ουσίες όπως το υγρό αιθάνιο, τα οποία είναι αέρια εδώ στη Γη. Εάν υπάρχει ζωή στις θάλασσες του Τιτάνα, δεν είναι ζωή όπως τη γνωρίζουμε. Πρέπει να είναι μια ξένη μορφή ζωής, με οργανικά μόρια διαλυμένα σε υγρό μεθάνιο αντί για υγρό νερό. Είναι κάτι τέτοιο ακόμη δυνατό;
Η ομάδα του Cornell ανέλαβε ένα βασικό μέρος αυτής της απαιτητικής ερώτησης διερευνώντας εάν οι κυτταρικές μεμβράνες μπορούν να υπάρχουν σε υγρό μεθάνιο. Κάθε ζωντανό κύτταρο είναι, ουσιαστικά, ένα αυτοσυντηρούμενο δίκτυο χημικών αντιδράσεων, που περιέχεται σε οριακές μεμβράνες. Οι επιστήμονες πιστεύουν ότι οι κυτταρικές μεμβράνες εμφανίστηκαν πολύ νωρίς στην ιστορία της ζωής στη Γη, και ο σχηματισμός τους μπορεί να ήταν ακόμη και το πρώτο βήμα στην αρχή της ζωής.
Εδώ στη Γη, οι κυτταρικές μεμβράνες είναι τόσο γνωστές όσο η τάξη βιολογίας του γυμνασίου. Είναι κατασκευασμένα από μεγάλα μόρια που ονομάζονται φωσφολιπίδια. Κάθε μόριο φωσφολιπιδίου έχει «κεφάλι» και «ουρά». Η κεφαλή περιέχει μια φωσφορική ομάδα, με ένα άτομο φωσφόρου συνδεδεμένο με πολλά άτομα οξυγόνου. Η ουρά αποτελείται από μία ή περισσότερες σειρές ατόμων άνθρακα, τυπικά μήκους 15 έως 20 ατόμων, με άτομα υδρογόνου συνδεδεμένα σε κάθε πλευρά. Το κεφάλι, λόγω του αρνητικού φορτίου της φωσφορικής ομάδας του, έχει άνιση κατανομή ηλεκτρικού φορτίου και λέμε ότι είναι πολικό. Η ουρά, από την άλλη πλευρά, είναι ηλεκτρικά ουδέτερη.
Αυτές οι ηλεκτρικές ιδιότητες καθορίζουν πώς τα μόρια φωσφολιπιδίου θα συμπεριφέρονται όταν διαλύονται σε νερό. Ηλεκτρικά μιλώντας, το νερό είναι ένα πολικό μόριο. Τα ηλεκτρόνια στο μόριο νερού προσελκύονται πιο έντονα στο άτομο οξυγόνου του παρά στα δύο άτομα υδρογόνου του. Έτσι, η πλευρά του μορίου όπου βρίσκονται τα δύο άτομα υδρογόνου έχει ελαφρώς θετικό φορτίο και η πλευρά οξυγόνου έχει ένα μικρό αρνητικό φορτίο. Αυτές οι πολικές ιδιότητες του νερού το προκαλούν να προσελκύσει την πολική κεφαλή του μορίου φωσφολιπιδίου, το οποίο λέγεται ότι είναι υδρόφιλο, και απωθεί τη μη πολική ουρά του, η οποία λέγεται ότι είναι υδρόφοβη.
Όταν τα μόρια φωσφολιπιδίου διαλύονται σε νερό, οι ηλεκτρικές ιδιότητες των δύο ουσιών συνεργάζονται για να προκαλέσουν τα μόρια φωσφολιπιδίου να οργανωθούν σε μια μεμβράνη. Η μεμβράνη κλείνει πάνω της σε μια μικρή σφαίρα που ονομάζεται λιπόσωμα. Τα μόρια φωσφολιπιδίου σχηματίζουν ένα διπλό στρώμα πάχους δύο μορίων. Οι πολικές υδρόφιλες κεφαλές βλέπουν προς τα έξω προς το νερό τόσο στην εσωτερική όσο και στην εξωτερική επιφάνεια της μεμβράνης. Οι υδρόφοβες ουρές περικλείονται μεταξύ τους, αντικριστά. Ενώ τα μόρια φωσφολιπιδίου παραμένουν σταθερά στο στρώμα τους, με τα κεφάλια τους στραμμένα προς τα έξω και τις ουρές τους στραμμένες προς τα μέσα, μπορούν ακόμα να κινούνται σε σχέση μεταξύ τους, δίνοντας στη μεμβράνη την ευελιξία υγρού που απαιτείται για τη ζωή.
Οι μεμβράνες φωσφολιπιδικής διπλής στιβάδας είναι η βάση όλων των επίγειων κυτταρικών μεμβρανών. Ακόμα και μόνο του, ένα λιπόσωμα μπορεί να αναπτυχθεί, να αναπαραχθεί και να βοηθήσει ορισμένες χημικές αντιδράσεις που είναι σημαντικές για τη ζωή, και γι 'αυτό ορισμένοι βιοχημικοί πιστεύουν ότι ο σχηματισμός λιποσωμάτων μπορεί να ήταν το πρώτο βήμα προς τη ζωή. Σε κάθε περίπτωση, ο σχηματισμός κυτταρικών μεμβρανών πρέπει σίγουρα να είναι ένα πρώτο βήμα στην εμφάνιση της ζωής στη Γη.
Εάν υπάρχει κάποια μορφή ζωής στον Τιτάνα, είτε θαλάσσιο τέρας είτε (πιθανότατα) μικρόβιο, θα πρέπει σχεδόν σίγουρα να έχει κυτταρική μεμβράνη, όπως συμβαίνει με κάθε ζωντανό πράγμα στη Γη. Θα μπορούσαν να σχηματιστούν φωσφολιπιδικές μεμβράνες διπλής στιβάδας σε υγρό μεθάνιο στον Τιτάνα; Η απάντηση είναι όχι. Σε αντίθεση με το νερό, το μόριο μεθανίου έχει ομοιόμορφη κατανομή ηλεκτρικών φορτίων. Δεν έχει τις πολικές ιδιότητες του νερού και έτσι δεν μπορούσε να προσελκύσει τις πολικές κεφαλές του μορίου φωσφολιπιδίου. Αυτό το αξιοθέατο είναι απαραίτητο για τα φωσφολιπίδια να σχηματίσουν μια κυτταρική μεμβράνη τύπου Γης.
Πραγματοποιήθηκαν πειράματα όπου τα φωσφολιπίδια διαλύονται σε μη πολικά υγρά σε θερμοκρασία δωματίου. Υπό αυτές τις συνθήκες, τα φωσφολιπίδια σχηματίζουν μια μεμβράνη δύο στρώσεων «εσωτερικά-έξω». Οι πολικές κεφαλές των μορίων φωσφολιπιδίου βρίσκονται στο κέντρο, έλκονται μεταξύ τους από τα ηλεκτρικά τους φορτία. Οι μη πολικές ουρές βλέπουν προς τα έξω σε κάθε πλευρά της εσωτερικής προς τα έξω μεμβράνης, απέναντι στον μη πολικό διαλύτη.
Θα μπορούσε η ζωή του Τιτανίου να έχει μια εσωτερική μεμβράνη φωσφολιπιδίων; Η ομάδα του Cornell κατέληξε στο συμπέρασμα ότι αυτό δεν θα λειτουργούσε, για δύο λόγους. Το πρώτο είναι ότι στις κρυογονικές θερμοκρασίες του υγρού μεθανίου, οι ουρές των φωσφολιπιδίων καθίστανται άκαμπτες, στερώντας κάθε μεμβράνη που μπορεί να σχηματίσει την ευελιξία του υγρού που απαιτείται για τη ζωή. Το δεύτερο είναι ότι δύο βασικά συστατικά των φωσφολιπιδίων. φωσφόρος και οξυγόνο, πιθανότατα δεν είναι διαθέσιμες στις λίμνες μεθανίου του Τιτάνα. Στην αναζήτησή τους για Τιτανικές κυτταρικές μεμβράνες, η ομάδα του Κορνέλ έπρεπε να διερευνήσει πέρα από το γνωστό βασίλειο της βιολογίας του γυμνασίου.
Αν και δεν αποτελούνται από φωσφολιπίδια, οι επιστήμονες αιτιολόγησαν ότι οποιαδήποτε μεμβράνη Τιτανικού κυττάρου θα ήταν παρόλα αυτά σαν τις εσωτερικές μεμβράνες φωσφολιπιδίων που δημιουργούνται στο εργαστήριο. Θα αποτελείται από πολικά μόρια που προσκολλούνται ηλεκτρικά σε ένα διάλυμα μη πολικού υγρού μεθανίου. Ποια μόρια μπορεί να είναι αυτά; Για απαντήσεις οι ερευνητές εξέτασαν δεδομένα από το διαστημικό σκάφος Cassini και από εργαστηριακά πειράματα που αναπαράγουν τη χημεία της ατμόσφαιρας του Τιτάνα.
Η ατμόσφαιρα του Τιτάνα είναι γνωστό ότι έχει μια πολύ περίπλοκη χημεία. Κατασκευάζεται κυρίως από αέριο άζωτο και μεθάνιο. Όταν το διαστημικό σκάφος Cassini ανέλυσε τη σύνθεσή του χρησιμοποιώντας φασματοσκοπία, βρήκε ίχνη από μια ποικιλία ενώσεων άνθρακα, αζώτου και υδρογόνου, που ονομάζονται νιτρίλια και αμίνες. Οι ερευνητές έχουν προσομοιώσει τη χημεία της ατμόσφαιρας του Τιτάνα στο εργαστήριο εκθέτοντας μίγματα αζώτου και μεθανίου σε πηγές ενέργειας που προσομοιώνουν το φως του ήλιου στον Τιτάνα. Σχηματίζεται ένα στιφάδο οργανικών μορίων που ονομάζονται «θολίν». Αποτελείται από ενώσεις υδρογόνου και άνθρακα, που ονομάζονται υδρογονάνθρακες, καθώς και νιτρίλια και αμίνες.
Οι ερευνητές του Cornell είδαν τα νιτρίλια και τις αμίνες ως πιθανούς υποψήφιους για τις μεμβράνες Τιτανικού κυττάρου. Και τα δύο είναι πολικά μόρια που μπορεί να κολλήσουν μεταξύ τους για να σχηματίσουν μια μεμβράνη σε μη πολικό υγρό μεθάνιο λόγω της πολικότητας των ομάδων που περιέχουν άζωτο που βρίσκονται και στα δύο. Ισχυρίστηκαν ότι τα υποψήφια μόρια πρέπει να είναι πολύ μικρότερα από τα φωσφολιπίδια, έτσι ώστε να μπορούν να σχηματίσουν ρευστές μεμβράνες σε υγρές θερμοκρασίες μεθανίου. Θεωρούσαν νιτρίλια και αμίνες που περιέχουν συμβολοσειρές μεταξύ τριών και έξι ατόμων άνθρακα. Οι ομάδες που περιέχουν άζωτο ονομάζονται ομάδες «αζώτο», οπότε η ομάδα ονόμασε τον υποθετικό τιτανικό ομόλογό τους στο λιπόσωμα ως «αζωτόσωμα».
Η σύνθεση αζωτοσωμάτων για πειραματική μελέτη θα ήταν δύσκολη και δαπανηρή, επειδή τα πειράματα θα έπρεπε να διεξαχθούν στις κρυογονικές θερμοκρασίες του υγρού μεθανίου. Όμως, δεδομένου ότι τα υποψήφια μόρια έχουν μελετηθεί εκτενώς για άλλους λόγους, οι ερευνητές του Cornell θεώρησαν δικαιολογημένο να στραφούν στα εργαλεία της υπολογιστικής χημείας για να προσδιορίσουν εάν τα υποψήφια μόρια τους θα μπορούσαν να συνυπάρχουν ως μια εύκαμπτη μεμβράνη σε υγρό μεθάνιο. Υπολογιστικά μοντέλα έχουν χρησιμοποιηθεί επιτυχώς για τη μελέτη συμβατικών μεμβρανών φωσφολιπιδίων.
Οι υπολογιστικές προσομοιώσεις της ομάδας έδειξαν ότι ορισμένες υποψήφιες ουσίες θα μπορούσαν να αποκλειστούν επειδή δεν θα συνυπάρχουν ως μεμβράνη, θα ήταν πολύ άκαμπτες ή θα σχηματίσουν στερεά. Ωστόσο, οι προσομοιώσεις έδειξαν επίσης ότι ένας αριθμός ουσιών θα σχηματίσει μεμβράνες με κατάλληλες ιδιότητες. Μία κατάλληλη ουσία είναι το ακρυλονιτρίλιο, το οποίο έδειξε ο Cassini ότι υπάρχει στην ατμόσφαιρα του Τιτάνα σε συγκέντρωση 10 μερών ανά εκατομμύριο. Παρά την τεράστια διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ των κρυογονικών αζωτοσωμάτων και των λιποσωμάτων θερμοκρασίας δωματίου, οι προσομοιώσεις έδειξαν ότι εμφανίζουν εντυπωσιακά παρόμοιες ιδιότητες σταθερότητας και απόκρισης στο μηχανικό στρες. Οι κυτταρικές μεμβράνες, λοιπόν, είναι δυνατές για ζωή σε υγρό μεθάνιο.
Οι επιστήμονες από τον Κορνέλ θεωρούν τα ευρήματά τους ως τίποτα περισσότερο από ένα πρώτο βήμα για να δείξουν ότι είναι δυνατή η ζωή σε υγρό μεθάνιο και προς την ανάπτυξη των μεθόδων που θα πρέπει να αναζητήσουν μελλοντικά διαστημόπλοια στον Τιτάνα. Εάν η ζωή είναι δυνατή σε υγρό μεθάνιο, οι επιπτώσεις τελικά επεκτείνονται πολύ πέρα από τον Τιτάνα.
Όταν αναζητούν συνθήκες κατάλληλες για τη ζωή στον γαλαξία, οι αστρονόμοι συνήθως αναζητούν εξωπλανήτες εντός της κατοικήσιμης ζώνης ενός αστεριού, που ορίζεται ως το στενό εύρος αποστάσεων πάνω από τις οποίες ένας πλανήτης με μια ατμόσφαιρα σαν τη Γη θα έχει θερμοκρασία επιφάνειας κατάλληλη για υγρό νερό. Εάν η ζωή μεθανίου είναι δυνατή, τότε τα αστέρια θα έχουν επίσης κατοικήσιμη ζώνη μεθανίου, μια περιοχή όπου το μεθάνιο θα μπορούσε να υπάρχει ως υγρό σε έναν πλανήτη ή σελήνη, καθιστώντας δυνατή τη ζωή του μεθανίου. Ο αριθμός των κατοικήσιμων κόσμων στον γαλαξία θα αυξηθεί σημαντικά. Ίσως, σε ορισμένους κόσμους, η ζωή του μεθανίου εξελίσσεται σε πολύπλοκες μορφές που σχεδόν δεν μπορούμε να φανταστούμε. Ίσως μερικά από αυτά μοιάζουν με θαλάσσια τέρατα.
Αναφορές και περαιτέρω ανάγνωση:
N. Atkinson (2010) Alien Life on Titan; Περιμένετε μόλις ένα λεπτό, Space Magazine.
N. Atkinson (2010) Το Life on Titan θα μπορούσε να είναι μυρωδιά και εκρηκτικό, Space Magazine.
M. L. Cable, S. M. Horst, R. Hodyss, P. Beauchamp, M. A. Smith, P. Willis, (2012) Τιτανικά θολίνια: Προσομοίωση οργανικής χημείας Τιτάνα στην εποχή Cassini-Huygens, Chemical Reviews, 112: 1882-1909.
E. Howell (2014) Οι μεγαλοπρεπείς λίμνες που μοιάζουν με καθρέφτες του Τιτάνα θα τεθούν υπό τον έλεγχο του Cassini αυτήν την εβδομάδα, Space Magazine.
J. Major (2013) Ο Βόρειος Πόλος του Τιτάνα είναι γεμάτος με λίμνες, Space Magazine.
C. P. McKay, H. D. Smith, (2005) Δυνατότητες μεθανογονικής ζωής σε υγρό μεθάνιο στην επιφάνεια του Τιτάνα, Icarus 178: 274-276.
J. Stevenson, J. Lunine, P. Clancy, (2015) Εναλλακτικές μεμβράνες σε κόσμους χωρίς οξυγόνο: Δημιουργία αζωτοσώματος, Science Advances 1 (1): e1400067.
S. Oleson (2014) Titan υποβρύχιο: Εξερευνώντας τα βάθη του Kraken, NASA Glenn Research Center, Δελτίο τύπου.
Cassini Solstice Mission, NASA Jet Propulsion Laboratory
Η NASA και η ESA γιορτάζουν 10 χρόνια από την προσγείωση του Τιτάνα, NASA 2015
