Възможно ли е да има живот на големия лунен титан на Сатурн? Задаването на въпроса принуждава астробиолозите и химиците да мислят внимателно и творчески за химията на живота и как може да е различно в други светове, отколкото е на Земята. През февруари екип от изследователи от Университета Корнел, включително аспирант по химическо инженерство Джеймс Стивънсън, планетарен учен Джонатан Лунин и химически инженер Паулет Кланси, публикува пионерско проучване с аргумента, че клетъчните мембрани могат да се образуват при екзотичните химически условия, присъстващи на тази забележителна луна ,
В много отношения Титан е близнак на Земята. Това е втората по големина луна в Слънчевата система и по-голяма от планетата Меркурий. Подобно на Земята, тя има значителна атмосфера с повърхностно атмосферно налягане малко по-високо от земното. Освен Земята, Титан е единственият обект в нашата Слънчева система, за който се знае, че има натрупвания на течност на повърхността си. Космическата сонда на НАСА Касини откри изобилни езера и дори реки в полярните райони на Титан. Най-голямото езеро или море, наречено Кракен Маре, е по-голямо от Земното Каспийско море. Изследователите знаят както от наблюденията на космически кораби, така и от лабораторни експерименти, че атмосферата на Титан е богата на сложни органични молекули, които са градивните елементи на живота.
Всички тези функции могат да изглеждат сякаш Титан е изключително подходящ за цял живот. Името „Kraken“, което се отнася до легендарно морско чудовище, фантастично отразява нетърпеливите надежди на астробиолозите. Но Титан е извънземният близнак на Земята. Като е почти десет пъти по-далеч от слънцето, отколкото Земята, повърхностната му температура е фригиден -180 градуса по Целзий. Течната вода е жизненоважна за живота, както я познаваме, но на повърхността на Титан цялата вода е замръзнала твърда. Водният лед поема ролята на съдържащата силиций скала на Земята, съставлявайки външните слоеве на кора.
Течността, която запълва езерата и реките на Титан, не е вода, а течен метан, вероятно смесен с други вещества като течен етан, всички от които са газове тук на Земята. Ако има живот в моретата на Титан, това не е животът, какъвто го познаваме. Това трябва да е извънземна форма на живот, с органични молекули, разтворени в течен метан, вместо в течна вода. Възможно ли е дори такова нещо?
Екипът на Корнел се зае с една ключова част от този предизвикателен въпрос, като проучи дали клетъчните мембрани могат да съществуват в течен метан. Всяка жива клетка е по същество самоподдържаща се мрежа от химични реакции, съдържаща се в ограничаващите мембрани. Учените смятат, че клетъчните мембрани са се появили много рано в историята на живота на Земята и тяхното формиране може би дори е било първата стъпка в произхода на живота.
Тук, на Земята, клетъчните мембрани са толкова познати, колкото и гимназиалният клас по биология. Те са изградени от големи молекули, наречени фосфолипиди. Всяка фосфолипидна молекула има „глава” и „опашка”. Главата съдържа фосфатна група, с фосфорен атом, свързан с няколко кислородни атома. Опашката се състои от един или повече струни от въглеродни атоми, обикновено дълги от 15 до 20 атома, с водородни атоми, свързани от всяка страна. Главата, поради отрицателния заряд на своята фосфатна група, има неравномерно разпределение на електрическия заряд и ние казваме, че е полярна. Опашката, от друга страна, е електрически неутрална.
Тези електрически свойства определят как ще се държат фосфолипидните молекули, когато се разтварят във вода. Електрически погледнато, водата е полярна молекула. Електроните във водната молекула са по-силно привлечени от кислородния си атом, отколкото от двата й водородни атома. И така, страната на молекулата, където са двата водородни атома, има лек положителен заряд, а страната на кислорода има малък отрицателен заряд. Тези полярни свойства на водата предизвикват привличането на полярната глава на фосфолипидната молекула, за която се казва, че е хидрофилна, и отблъскват нейната неполярна опашка, за която се твърди, че е хидрофобна.
Когато фосфолипидните молекули се разтварят във вода, електрическите свойства на двете вещества работят заедно, за да накарат фосфолипидните молекули да се организират в мембрана. Мембраната се затваря върху себе си в малка сфера, наречена липозома. Фосфолипидните молекули образуват двуслоен с дебелина две молекули. Полярните хидрофилни глави са обърнати навън към водата, както на вътрешната, така и на външната повърхност на мембраната. Хидрофобните опашки са пясъчни помежду си, обърнати един към друг. Докато фосфолипидните молекули остават фиксирани в слоя си, като главите им са обърнати навън и опашките им са обърнати навътре, те все още могат да се движат наоколо по отношение на една друга, давайки на мембраната гъвкавостта на течността, необходима за живот.
Фосфолипидните двуслойни мембрани са в основата на всички земни клетъчни мембрани. Дори сам по себе си липозомът може да расте, да се възпроизвежда и да подпомага определени важни за живота химични реакции, поради което някои биохимици смятат, че образуването на липозоми може да е първата стъпка към живота. Във всеки случай, формирането на клетъчни мембрани със сигурност трябва да е ранна стъпка в появата на живота на Земята.
Ако на Титан съществува някаква форма на живот, независимо дали е морско чудовище или (по-вероятно) микроб, почти сигурно би трябвало да има клетъчна мембрана, както прави всяко живо същество на Земята. Може ли фосфолипидните двуслойни мембрани да се образуват в течен метан на Титан? Отговорът е не. За разлика от водата, молекулата на метана има равномерно разпределение на електрическите заряди. Липсват полярни качества на водата и затова не биха могли да привлекат полярните глави на фосфолипидната молекула. Това привличане е необходимо за фосфолипидите да образуват клетъчна мембрана в стила на Земята.
Проведени са експерименти, при които фосфолипидите се разтварят в неполярни течности при земна стайна температура. При тези условия фосфолипидите образуват двуслойна мембрана „отвътре навън“. Полярните глави на фосфолипидните молекули са в центъра, привлечени една от друга от своите електрически заряди. Неполярните опашки са обърнати навън от всяка страна на мембраната отвътре навън, обърната към неполярния разтворител.
Може ли титановият живот да има вътрешно фосфолипидна мембрана? Екипът на Cornell заключи, че това няма да работи по две причини. Първият е, че при криогенни температури на течен метан, опашките от фосфолипиди стават твърди, като лишават мембраната отвътре навън, която може да формира гъвкавостта на течността, необходима за живота. Второто е, че две ключови съставки на фосфолипидите; фосфор и кислород, вероятно не са налични в метанските езера на Титан. В търсенето на титановите клетъчни мембрани екипът на Корнел трябваше да проучи отвъд познатото царство на биологията в гимназията.
Въпреки че не е съставен от фосфолипиди, учените разсъждават, че всяка титанова клетъчна мембрана все пак ще бъде като фосфолипидните мембрани отвътре, създадени в лабораторията. Той ще се състои от полярни молекули, слепващи се електрически в разтвор на неполярен течен метан. Какви молекули могат да бъдат това? За отговори изследователите потърсиха данни от космическия кораб Касини и от лабораторни експерименти, възпроизвеждащи химията на атмосферата на Титан.
Известно е, че атмосферата на Титан има много сложна химия. Изработен е предимно от азот и метан. Когато космическият апарат Касини анализира състава му с помощта на спектроскопия, той открива следи от различни съединения на въглерод, азот и водород, наречени нитрили и амини. Изследователите са симулирали химията на атмосферата на Титан в лабораторията, излагайки смеси от азот и метан на източници на енергия, симулиращи слънчева светлина върху Титан. Образува се яхния от органични молекули, наречени „толини“. Състои се от съединения на водород и въглерод, наречени въглеводороди, както и нитрили и амини.
Изследователите на Корнел виждат нитрилите и амините като потенциални кандидати за техните клетъчни мембрани на Титан. И двете са полярни молекули, които могат да се слепят, за да образуват мембрана в неполярен течен метан поради полярността на групи, съдържащи азот, открити и в двете. Те разсъждават, че кандидат-молекулите трябва да са много по-малки от фосфолипидите, така че да могат да образуват течни мембрани при температури на течен метан. Те считат нитрили и амини, съдържащи струни между три и шест въглеродни атома. Групите, съдържащи азот, се наричат "азото" -групи, така че екипът нарече своя хипотетичен титанов колега на липозома "азотозома".
Синтезирането на азотозоми за експериментално изследване би било трудно и скъпо, защото експериментите трябва да се провеждат при криогенни температури на течен метан. Но тъй като кандидат-молекулите са проучени задълбочено по други причини, изследователите на Корнел се почувстват оправдани да се обърнат към инструментите на изчислителната химия, за да определят дали техните кандидат-молекули могат да кохерират като гъвкава мембрана в течен метан. Изчислителните модели се използват успешно за изследване на конвенционални фосфолипидни клетъчни мембрани.
Изчислителните симулации на групата показаха, че някои кандидат вещества могат да бъдат изключени, тъй като те не се свързват като мембрана, биха били твърде твърди или биха образували твърдо вещество. Независимо от това, симулациите също показаха, че редица вещества ще образуват мембрани с подходящи свойства. Едно подходящо вещество е акрилонитрил, който Касини показа, че присъства в атмосферата на Титан при концентрация от 10 части на милион. Въпреки огромната разлика в температурата между криогенните азотозоми и липозомите със стайна температура, симулациите показаха, че проявяват поразително подобни свойства на стабилност и реакция на механично натоварване. Клетъчните мембрани са възможни за живот в течен метан.
Учените от Корнел разглеждат своите открития като нищо повече от първа стъпка към показване, че животът в течен метан е възможен и към разработването на методите, които бъдещите космически кораби ще трябва да го търсят на Титан. Ако животът е възможен в течен метан, последствията в крайна сметка се простират далеч отвъд Титан.
Когато търсят условия, подходящи за живот в галактиката, астрономите обикновено търсят екзопланети в обитаемата зона на звезда, дефинирани като тесния обхват на разстоянията, над които планета със земна атмосфера би имала повърхностна температура, подходяща за течна вода. Ако животът на метан е възможен, тогава звездите също биха имали зона за обитаване на метан, регион, където метанът може да съществува като течност на планета или луна, което прави живота на метана възможен. Броят на обитаемите светове в галактиката ще бъде значително увеличен. Може би в някои светове животът на метана се развива в сложни форми, които едва ли можем да си представим. Може би някои от тях дори са малко като морски чудовища.
Референции и допълнително четене:
Н. Аткинсън (2010) Извънземният живот на Титан? Дръжте се само на минута, списание Space
Н. Аткинсън (2010) Животът на Титан може да бъде миризлив и експлозивен, космическо списание.
М. Л. Кейбъл, С. М. Хорст, Р. Ходис, П. Бошамп, М. А. Смит, П. Уилис, (2012) Титан Толин: Симулиране на органична химия на Титан в ерата на Касини-Хюйгенс, Chemical Reviews, 112: 1882-1909.
Е. Хоуъл (2014) величествените огледални озера на Титан ще попаднат под контрола на Касини тази седмица, списание Space.
J. Major (2013) Северният полюс на Титан е натоварен с езера, списание Space.
C. P. McKay, H. D. Smith, (2005) Възможности за метаногенен живот в течен метан на повърхността на Титан, Икар 178: 274-276.
J. Stevenson, J. Lunine, P. Clancy, (2015) Мембранни алтернативи в светове без кислород: Създаване на азотосома, Science Advances 1 (1): e1400067.
S. Oleson (2014) Подводница "Титан": Проучване на дълбините на Кракен, Научен център на НАСА Глен, Прессъобщение.
Cassini Solstice Mission, НАСА Лаборатория за реактивни двигатели
НАСА и ЕКА празнуват 10 години от кацането на Титан, НАСА 2015
