Kan det være liv på Saturns store måne Titan? Å stille spørsmålet tvinger astrobiologer og kjemikere til å tenke nøye og kreativt over livets kjemi, og hvordan det kan være annerledes på andre verdener enn det er på jorden. I februar publiserte et team av forskere fra Cornell University, inkludert kjemiingeniørstudent James Stevenson, planetforsker Jonathan Lunine, og kjemisk ingeniør Paulette Clancy, en banebrytende studie som argumenterte for at cellemembraner kunne dannes under de eksotiske kjemiske forholdene som er til stede på denne bemerkelsesverdige månen. .
På mange måter er Titan Jordens tvilling. Det er den nest største månen i solsystemet og større enn planeten Merkur. I likhet med Jorden har den en betydelig atmosfære, med et overflate-atmosfæretrykk som er litt høyere enn Jordens. Foruten Jorden, er Titan den eneste gjenstanden i solsystemet vårt som er kjent for å ha væskeansamlinger på overflaten. NASAs Cassini-romsonde oppdaget rikelig med innsjøer og til og med elver i Titans polare strøk. Den største innsjøen, eller havet, kalt Kraken Mare, er større enn jordas Kaspiske hav. Forskere vet fra både romfartsobservasjoner og laboratorieeksperimenter at Titans atmosfære er rik på komplekse organiske molekyler, som er livets byggesteiner.
Alle disse funksjonene kan få det til å virke som om Titan er fristende egnet for livet. Navnet ‘Kraken’, som refererer til et legendarisk havmonster, gjenspeiler fantasifullt astrobiologenes ivrige forhåpninger. Men, Titan er jordens fremmed tvilling. Når den befinner seg nesten ti ganger lenger fra solen enn jorden, er dens overflatetemperatur -180 grader celsius. Flytende vann er livsnødvendig slik vi kjenner det, men på Titans overflate er alt vann frossent fast. Vannis tar på seg rollen som silisiumholdig bergart på jorden, og utgjør de ytre lagene av jordskorpen.
Væsken som fyller Titans innsjøer og elver er ikke vann, men flytende metan, sannsynligvis blandet med andre stoffer som flytende etan, som alle er gasser her på jorden. Hvis det er liv i Titans hav, er det ikke livet slik vi kjenner det. Det må være en fremmed livsform, med organiske molekyler oppløst i flytende metan i stedet for flytende vann. Er noe slikt mulig?
Cornell-teamet tok opp en sentral del av dette utfordrende spørsmålet ved å undersøke om cellemembraner kan eksistere i flytende metan. Hver levende celle er i hovedsak et selvopprettholdende nettverk av kjemiske reaksjoner, inneholdt i avgrensende membraner. Forskere tror at cellemembraner dukket opp veldig tidlig i historien om livet på jorden, og deres dannelse kan til og med ha vært det første trinnet i livets opprinnelse.
Her på jorden er cellemembraner like kjent som biologisklasse på videregående skole. De er laget av store molekyler kalt fosfolipider. Hvert fosfolipidmolekyl har et 'hode' og en 'hale'. Hodet inneholder en fosfatgruppe, med et fosforatom knyttet til flere oksygenatomer. Halen består av en eller flere strenger av karbonatomer, typisk 15 til 20 atomer lange, med hydrogenatomer koblet på hver side. På grunn av den negative ladningen til fosfatgruppen har hodet en ulik fordeling av elektrisk ladning, og vi sier at det er polært. Halen er derimot elektrisk nøytral.
Disse elektriske egenskapene bestemmer hvordan fosfolipidmolekyler vil oppføre seg når de blir oppløst i vann. Elektrisk sett er vann et polart molekyl. Elektronene i vannmolekylet blir sterkere tiltrukket av oksygenatomet enn til dets to hydrogenatomer. Så siden av molekylet der de to hydrogenatomene er har en svak positiv ladning, og oksygensiden har en liten negativ ladning. Disse polare egenskapene til vann får det til å tiltrekke seg det polare hodet til fosfolipidmolekylet, som sies å være hydrofilt, og frastøte dets ikke-polare hale, som sies å være hydrofob.
Når fosfolipidmolekyler blir oppløst i vann, fungerer de elektriske egenskapene til de to stoffene sammen for å få fosfolipidmolekylene til å organisere seg i en membran. Membranen lukkes på seg selv i en liten sfære som kalles et liposom. Fosfolipidmolekylene danner et dobbeltlag med to tykke molekyler. De polare hydrofile hodene vender utover mot vannet på både den indre og ytre overflaten av membranen. De hydrofobe halene er klemt mellom og vender mot hverandre. Mens fosfolipidmolekylene forblir faste i laget sitt, med hodene vendt ut og halene vendt inn, kan de fremdeles bevege seg rundt hverandre, noe som gir membranen væskefleksibiliteten som trengs for livet.
Fosfolipid-dobbeltlagsmembraner er grunnlaget for alle terrestriske cellemembraner. Selv på egenhånd kan et liposom vokse, reprodusere og hjelpe visse kjemiske reaksjoner som er viktige for livet, og det er grunnen til at noen biokjemikere tror at dannelsen av liposomer kan ha vært det første trinnet mot livet. I alle fall må dannelsen av cellemembraner sikkert være et tidlig skritt i livets fremvekst på jorden.
Hvis det eksisterer en form for liv på Titan, enten det er havmonster eller (mer sannsynlig) mikrobe, vil det nesten helt sikkert trenge å ha en cellemembran, akkurat som alle levende ting på jorden gjør. Kunne fosfolipid-dobbeltlagsmembraner dannes i flytende metan på Titan? Svaret er nei. I motsetning til vann har metanmolekylet en jevn fordeling av elektriske ladninger. Det mangler vanns polare egenskaper, og kunne derfor ikke tiltrekke seg de polare hodene til fosfolipidmolekylet. Denne attraksjonen er nødvendig for at fosfolipidene danner en cellemembran i jordstil.
Det er utført eksperimenter der fosfolipider blir oppløst i ikke-polare væsker ved jordisk romtemperatur. Under disse forholdene danner fosfolipidene en ‘inner-out’ to-lags membran. De polare hodene til fosfolipidmolekylene er i sentrum, tiltrukket av hverandre av deres elektriske ladninger. De ikke-polare halene vender utover på hver side av innsiden og ut membranen, og vender mot det ikke-polare løsningsmidlet.
Kan det Titanian-livet ha en utvendig fosfolipidmembran? Cornell-teamet konkluderte med at dette ikke ville fungere, av to grunner. Den første er at ved kryogene temperaturer av flytende metan blir halene til fosfolipider stive, og fratar enhver indre og utvendige membran som kan danne flytende fleksibilitet som er nødvendig for livet. Det andre er at to sentrale ingredienser i fosfolipider; fosfor og oksygen, er sannsynligvis utilgjengelig i metansjøene i Titan. I sitt søk etter titaniske cellemembraner, trengte Cornell-teamet å undersøke det kjente riket innen videregående skolebiologi.
Selv om de ikke var sammensatt av fosfolipider, resonnerte forskerne at enhver Titanian-cellemembran likevel ville være som de innvendige og utvendige fosfolipidmembranene som ble opprettet i laboratoriet. Det vil bestå av polare molekyler som klamrer seg sammen elektrisk i en løsning av ikke-polar flytende metan. Hvilke molekyler kan de være? For svar forskerne så på data fra Cassini-romfartøyet og fra laboratorieeksperimenter som reproduserte kjemien i Titans atmosfære.
Titans atmosfære er kjent for å ha en veldig kompleks kjemi. Den er for det meste laget av nitrogen og metangass. Da romfartøyet Cassini analyserte sammensetningen ved hjelp av spektroskopi, fant det spor etter en rekke forbindelser av karbon, nitrogen og hydrogen, kalt nitriler og aminer. Forskere har simulert kjemien til Titans atmosfære i laboratoriet ved å eksponere blandinger av nitrogen og metan for energikilder som simulerer sollys på Titan. Det dannes en lapskaus med organiske molekyler kalt ‘tholins’. Det består av forbindelser av hydrogen og karbon, kalt hydrokarboner, samt nitriler og aminer.
Cornell-etterforskerne så nitriler og aminer som potensielle kandidater for deres titaniske cellemembraner. Begge er polare molekyler som kan feste seg sammen for å danne en membran i ikke-polær flytende metan på grunn av polariteten til nitrogenholdige grupper som finnes i begge. De resonerte at kandidatmolekyler må være mye mindre enn fosfolipider, slik at de kunne danne fluidmembraner ved flytende metantemperaturer. De vurderte nitriler og aminer som inneholder strenger med mellom tre og seks karbonatomer. Nitrogenholdige grupper kalles ‘azoto’ -grupper, så teamet kalte deres hypotetiske titaniske motstykke til liposomet ‘azotosome’.
Syntese av azotosomer for eksperimentell undersøkelse ville vært vanskelig og kostbart, fordi eksperimentene måtte utføres ved kryogene temperaturer av flytende metan. Men siden kandidatmolekylene er blitt studert grundig av andre grunner, følte Cornell-forskerne seg rettferdig med å henvende seg til verktøyene i beregningskjemien for å bestemme om kandidatmolekylene deres kunne koheres som en fleksibel membran i flytende metan. Beregningsmodeller er blitt brukt med suksess for å studere konvensjonelle fosfolipidcellemembraner.
Gruppens beregningssimuleringer viste at noen kandidatstoffer kunne utelukkes fordi de ikke ville koheres som en membran, ville være for stive eller ville danne et fast stoff. Likevel viste simuleringene også at et antall stoffer ville danne membraner med passende egenskaper. Et egnet stoff er akrylonitril, som Cassini viste til stede i Titans atmosfære med 10 deler per million konsentrasjon. Til tross for den enorme forskjellen i temperatur mellom kryogene azotozomer og liposomer i romtemperatur, viste simuleringene at de viste påfallende like egenskaper ved stabilitet og respons på mekanisk belastning. Cellemembraner er da mulig for liv i flytende metan.
Forskerne fra Cornell ser på funnene deres som noe mer enn et første skritt mot å vise at liv i flytende metan er mulig, og mot å utvikle metodene som fremtidens romfartøy vil trenge for å søke etter det på Titan. Hvis liv er mulig i flytende metan, strekker implikasjonene seg til slutt langt utover Titan.
Når de søker forhold som er egnet for livet i galaksen, søker astronomer vanligvis etter eksoplaneter innenfor en stjernes beboelige sone, definert som det smale avstandsområdet som en planet med en jordlignende atmosfære vil ha en overflatetemperatur som er egnet for flytende vann. Hvis metanliv er mulig, ville stjerner også ha en metan beboelig sone, et område der metan kan eksistere som en væske på en planet eller en måne, noe som gjør metanlivet mulig. Antallet beboelige verdener i galaksen ville økt kraftig. Kanskje, på noen verdener, utvikler metanlivet seg til komplekse former som vi knapt kan forestille oss. Kanskje noen av dem til og med er litt som havmonstre.
Referanser og videre lesning:
N. Atkinson (2010) Alien Life on Titan? Heng på bare et minutt, Space Magazine.
N. Atkinson (2010) Life on Titan Could be Smelly and Explosive, Space Magazine.
M. L. Cable, S. M. Horst, R. Hodyss, P. Beauchamp, M. A. Smith, P. Willis, (2012) Titan tholins: Simulating organisk kjemi fra Titan i Cassini-Huygens-tiden, Chemical Reviews, 112: 1882-1909.
E. Howell (2014) Titans majestetiske speillignende innsjøer vil komme under Cassinis gransking denne uken, Space Magazine.
J. Major (2013) Titans nordpol er lastet med innsjøer, Space Magazine.
C. P. McKay, H. D. Smith, (2005) Muligheter for metanogen levetid i flytende metan på overflaten av Titan, Icarus 178: 274-276.
J. Stevenson, J. Lunine, P. Clancy, (2015) Membranalternativer i verdener uten oksygen: Creation of a azotosome, Science Advances 1 (1): e1400067.
S. Oleson (2014) Titan-ubåt: Utforsker dypet i Kraken, NASA Glenn Research Center, pressemelding.
Cassini Solstice Mission, NASA Jet Propulsion Laboratory
NASA og ESA feirer 10 år siden Titan landet, NASA 2015
