Kan det finnas liv på Saturns stora måne Titan? Ställ frågan tvingar astrobiologer och kemister att tänka noga och kreativt om livets kemi och hur det kan vara annorlunda på andra världar än på jorden. I februari publicerade ett team av forskare från Cornell University, inklusive doktorand inom kemiteknik James Stevenson, planetforskare Jonathan Lunine och kemitekniker Paulette Clancy, en banbrytande studie som argumenterade att cellmembran kunde bildas under de exotiska kemiska förhållandena som finns på denna anmärkningsvärda 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 ytatmosfäriskt tryck som är lite högre än Jordens. Förutom jorden är Titan det enda föremålet i vårt solsystem som är känt för att ha ansamlingar av vätska på ytan. NASA: s Cassini rymdsond upptäckte rikliga sjöar och till och med floder i Titans polära regioner. Den största sjön, eller havet, kallad Kraken Mare, är större än jordens Kaspiska havet. Forskare vet från både rymdskeppsobservationer och laboratorieexperiment att Titans atmosfär är rik på komplexa organiska molekyler, som är livets byggstenar.
Alla dessa funktioner kan göra att det verkar som om Titan är lockande för livet. Namnet 'Kraken', som hänvisar till ett legendariskt havsmonster, speglar på ett fantastiskt sätt astrobiologernas ivriga förhoppningar. Men Titan är jordens främmande tvilling. När den ligger nästan tio gånger längre från solen än jorden, är dess yttemperatur -180 grader Celsius. Flytande vatten är livsviktigt som vi känner till det, men på Titans yta är allt vatten fryst fast. Vattenisen tar på sig den roll som kiselinnehållande sten gör på jorden och utgör de yttre lagren av jordskorpan.
Vätskan som fyller Titans sjöar och floder är inte vatten, utan flytande metan, förmodligen blandad med andra ämnen som flytande etan, som alla är gaser här på jorden. Om det finns liv i Titans hav är det inte livet som vi känner till det. Det måste vara en främmande livsform, med organiska molekyler löst i flytande metan istället för flytande vatten. Är något sådant till och med 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 huvudsak ett självhushållande nätverk av kemiska reaktioner som finns i avgränsande membran. Forskare tror att cellmembranen växte fram mycket tidigt i livets historia på jorden, och deras bildning kan till och med ha varit det första steget i livets ursprung.
Här på jorden är cellmembran lika bekanta som gymnasiet biologiklass. De är gjorda av stora molekyler som kallas fosfolipider. Varje fosfolipidmolekyl 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 länkade på varje sida. Huvudet, på grund av den negativa laddningen av dess fosfatgrupp, har en ojämn fördelning av elektrisk laddning, och vi säger att det är polärt. Svansen är å andra sidan elektriskt neutral.
Dessa elektriska egenskaper bestämmer hur fosfolipidmolekyler kommer att uppträda när de upplöses i vatten. Elektriskt sett är vatten en polär molekyl. Elektronerna i vattenmolekylen lockas starkare till sin syreatom än till dess två väteatomer. Så, sidan av molekylen där de två väteatomerna är har en liten positiv laddning, och syresidan har en liten negativ laddning. Dessa polära egenskaper hos vatten får den att locka till sig det polära huvudet av fosfolipidmolekylen, som sägs vara hydrofil, och avvisa dess icke-polära svans, som sägs vara hydrofob.
När fosfolipidmolekyler upplöses i vatten, fungerar de två ämnernas elektriska egenskaper tillsammans för att få fosfolipidmolekylerna att organisera sig i ett membran. Membranet stängs på sig själv i en liten sfär som kallas en liposom. Fosfolipidmolekylerna bildar en tvåskikts tjock molekyl. De polära hydrofila huvuden vetter utåt mot vattnet på både den inre och yttre ytan av membranet. De hydrofoba svansarna är inklämda mellan varandra. Medan fosfolipidmolekylerna förblir fixerade i sitt lager, med huvuden vända ut och svansarna vända in, kan de fortfarande röra sig runt med varandra, vilket ger membranet den fluidflexibilitet som behövs för livet.
Fosfolipid-tvåskiktsmembran är basen för alla markcellsmembran. Även på egen hand kan en liposom växa, reproducera och stödja vissa kemiska reaktioner som är viktiga för livet, varför vissa biokemiker tror att bildandet av liposomer kan ha varit det första steget mot livet. I vilket fall som helst måste bildningen av cellmembran säkert vara ett tidigt steg i livets uppkomst på jorden.
Om det finns någon form av liv på Titan, oavsett havsmonster eller (mer troligt) mikrob, skulle det nästan säkert behöva ha ett cellmembran, precis som alla levande saker på jorden gör. Kan fosfolipid-tvåskiktsmembran 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 egenskaper, och kunde därför inte locka de polära huvuden på fosfolipidmolekylen. Denna attraktion behövs för att fosfolipiderna ska bilda ett jordformigt cellmembran.
Experiment har genomförts där fosfolipider löses i icke-polära vätskor vid jordisk rumstemperatur. Under dessa förhållanden bildar fosfolipiderna ett "inner-out" tvåskiktsmembran. De polära huvuden för fosfolipidmolekylerna är i centrum, lockade till varandra av deras elektriska laddningar. De icke-polära svansarna vetter utåt på varje sida av det inre och utre membranet, mot det icke-polära lösningsmedlet.
Kan det Titanian-livet ha ett fosfolipidmembran inifrån? Cornell-teamet drog slutsatsen att detta inte skulle fungera av två skäl. Den första är att svamparna hos fosfolipider blir styva vid kryogena temperaturer av flytande metan, vilket berövar alla insida-ut-membran som kan bilda den fluidflexibilitet som krävs för livet. Den andra är att två viktiga ingredienser i fosfolipider; fosfor och syre, är troligen inte tillgängliga i metansjöarna i Titan. I sin sökning efter Titanian-cellmembran behövde Cornell-teamet undersöka det välbekanta området för gymnasiet.
Även om de inte var sammansatta av fosfolipider, resonerade forskarna att alla titaniska cellmembran ändå skulle vara som de inifrån och ut fosfolipidmembranen som skapades i labbet. Det skulle bestå av polära molekyler som fastnar ihop elektriskt i en lösning av icke-polär flytande metan. Vilka molekyler kan de vara? För svar tittade forskarna på data från rymdfarkosten Cassini och från laboratorieexperiment som reproducerade kemi i Titans atmosfär.
Titans atmosfär är känd för att ha en mycket komplex kemi. Det är främst tillverkat av kväve och metangas. När rymdskeppet Cassini analyserade sin sammansättning med hjälp av spektroskopi fann det spår av en mängd olika föreningar av kol, kväve och väte, kallad nitriler och aminer. Forskare har simulerat kemin i Titans atmosfär i labbet genom att utsätta blandningar av kväve och metan för energikällor som simulerar solljus på Titan. En gryta med organiska molekyler som kallas 'toliner' bildas. Det består av föreningar av väte och kol, kallad 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 sig samman för att bilda ett membran i icke-polär flytande metan på grund av polariteten i kväveinnehållande grupper som finns i båda. De resonerade att kandidatmolekylerna måste vara mycket mindre än fosfolipider, så att de kunde bilda vätskemembran vid flytande metantemperaturer. De betraktade nitriler och aminer innehållande strängar med mellan tre och sex kolatomer. Kväveinnehållande grupper kallas "azoto" -grupper, så teamet kallade deras hypotetiska titaniska motsvarighet till liposomen "azotosomen".
Syntetisering av azotosomer för experimentell studie skulle ha varit svårt och dyrt, eftersom experimenten skulle behöva genomföras vid kryogena temperaturer av flytande metan. Men eftersom kandidatmolekylerna har studerats i stor utsträckning av andra skäl, ansåg Cornell-forskarna vara motiverade att vända sig till verktygen för beräkningskemi för att avgöra om deras kandidatmolekyler kunde sammanfalla som ett flexibelt membran i flytande metan. Beräkningsmodeller har framgångsrikt använts för att studera konventionella fosfolipidcellmembran.
Gruppens beräkningssimuleringar visade att vissa kandidatämnen kunde uteslutas eftersom de inte skulle sammanfalla som ett membran, skulle vara för styva eller bilda ett fast ämne. Icke desto mindre visade simuleringarna också att ett antal ämnen skulle bilda membran med lämpliga egenskaper. En lämplig substans är akrylonitril, som Cassini visade är närvarande i Titans atmosfär med 10 delar per miljon koncentration. Trots den enorma skillnaden i temperatur mellan kryogena azotozomer och liposomer i rumstemperatur visade simuleringarna att de uppvisar slående liknande egenskaper hos stabilitet och respons på mekanisk påkänning. Cellmembran är då möjliga för liv i flytande metan.
Forskarna från Cornell ser sina resultat som inget annat än ett första steg mot att visa att liv i flytande metan är möjligt och mot att utveckla de metoder som framtida rymdfarkoster kommer att behöva för att söka efter det på Titan. Om liv är möjligt i flytande metan, sträcker sig konsekvenserna i slutändan långt bortom Titan.
När man söker förhållanden som är lämpliga för livet i galaxen söker astronomer vanligtvis efter exoplaneter inom en stjärns bebörliga zon, definierade som det smala avstånd som 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 metanbebyggbar zon, en region där metan kan existera som en vätska på en planet eller en måne, vilket gör metanliv möjligt. Antalet bebobara världar i galaxen skulle öka kraftigt. På vissa världar kanske metanliv utvecklas till komplexa former som vi knappt kan föreställa oss. Kanske är några av dem till och med lite som havsmonster.
Referenser och vidare läsning:
N. Atkinson (2010) Alien Life on Titan? Häng på bara ett minut, Space Magazine.
N. Atkinson (2010) Life on Titan kunde vara illaluktande och explosiva, Space Magazine.
M. L. Cable, S. M. Horst, R. Hodyss, P. Beauchamp, M. A. Smith, P. Willis, (2012) Titan tholins: Simulating organisk kemi i Titini i Cassini-Huygens era, Chemical Reviews, 112: 1882-1909.
E. Howell (2014) Titans majestätiska spegelliknande sjöar kommer att komma under Cassinis granskning denna vecka, Space Magazine.
J. Major (2013) Titans nordpol är laddad med sjöar, Space Magazine.
C. P. McKay, H. D. Smith, (2005) Möjligheter för metanogent liv i flytande metan på ytan av Titan, Icarus 178: 274-276.
J. Stevenson, J. Lunine, P. Clancy, (2015) Membranalternativ i världar utan syre: Skapande av en azotosom, Science Advances 1 (1): e1400067.
S. Oleson (2014) Titan-ubåt: Utforska djupet i Kraken, NASA Glenn Research Center, Pressmeddelande.
Cassini Solstice Mission, NASA Jet Propulsion Laboratory
NASA och ESA firar 10 år sedan Titan landade, NASA 2015
