Može li biti života na Saturnovom velikom mjesecu Titanu? Postavljanjem pitanja prisiljava astrobiologe i kemičare da pažljivo i kreativno razmišljaju o kemiji života i kako bi mogla biti drugačija na drugim svjetovima nego što je to na Zemlji. U veljači je tim istraživača sa Sveučilišta Cornell, uključujući studenta kemijskog inženjerstva Jamesa Stevensona, planetarnog znanstvenika Jonathana Luninea i inženjera kemijske industrije Paulette Clancy, objavio pionirsku studiju tvrdeći da bi se stanične membrane mogle formirati u egzotičnim kemijskim uvjetima prisutnima na ovom izuzetnom mjesecu ,
Na mnogo načina, Titan je blizanac Zemlje. To je drugi najveći mjesec Sunčevog sustava i veći od planete Merkur. Kao i Zemlja ima značajnu atmosferu, površinski atmosferski tlak malo viši od Zemljine. Osim Zemlje, Titan je jedini objekt u našem Sunčevom sustavu za koji se zna da na površini ima nagomilavanje tekućine. NASA-ina svemirska sonda Cassini otkrila je obilje jezera, čak i rijeka u Titanovim polarnim regijama. Najveće jezero, ili more, nazvano Kraken Mare, veće je od Zemljinog Kaspijskog mora. Istraživači kako iz opažanja svemirskih letelica, tako i iz laboratorijskih eksperimenata znaju da je Titanova atmosfera bogata složenim organskim molekulama, koji su građevni blok života.
Zbog svih ovih značajki moglo bi se činiti kao da je Titan nadasve pogodno za život. Naziv 'Kraken', koji se odnosi na legendarno morsko čudovište, maštovito odražava željne nade astrobiologa. Ali, Titan je zemaljski blizanac. Budući da je gotovo deset puta dalje od sunca od Zemlje, njegova površinska temperatura je hladnih -180 stupnjeva Celzija. Tekuća voda je vitalna za život kakav znamo, ali na površini Titana sva je voda smrznuta. Vodeni led preuzima ulogu koju stijena koja sadrži silicij ima na Zemlji, čineći vanjske slojeve kore.
Tečnost koja ispunjava Titanova jezera i rijeke nije voda, već tekući metan, vjerojatno pomiješan s drugim tvarima poput tekućeg etana, a sve to su plinovi ovdje na Zemlji. Ako u Titanovim morima postoji život, to nije život kakav znamo. To mora biti vanzemaljski oblik života, s organskim molekulama otopljenim u tekućem metanu umjesto u tekućoj vodi. Je li takvo uopće uopće moguće?
Cornell-ov tim preuzeo je jedan ključni dio ovog izazovnog pitanja istražujući mogu li stanične membrane u tekućem metanu. Svaka živa stanica je, u osnovi, samoodržavajuća mreža kemijskih reakcija, sadržana u graničnim membranama. Znanstvenici smatraju da su stanične membrane nastale vrlo rano u povijesti života na Zemlji, a njihovo oblikovanje možda je čak bio prvi korak u nastanku života.
Ovdje na Zemlji stanične su membrane poznate kao i srednjoškolski razred biologije. Izrađeni su od velikih molekula koje nazivamo fosfolipidi. Svaka fosfolipidna molekula ima "glavu" i "rep". Glava sadrži fosfatnu skupinu, s atomom fosfora povezanim s nekoliko atoma kisika. Rep se sastoji od jednog ili više nizova ugljikovih atoma, obično od 15 do 20 atoma, s vodikovim atomima povezanim sa svake strane. Glava, zbog negativnog naboja svoje fosfatne skupine, ima nejednaku raspodjelu električnog naboja, a mi kažemo da je polarna. Rep je, s druge strane, električno neutralan.
Ova električna svojstva određuju kako će se ponašati fosfolipidne molekule kada se otope u vodi. Električno gledano, voda je polarna molekula. Elektroni u molekuli vode snažnije privlače njezin atom kisika nego svoja dva atoma vodika. Dakle, strana molekule gdje su dva atoma vodika ima blagi pozitivni naboj, a strana kisika mali negativni naboj. Ta polarna svojstva vode uzrokuju privlačenje polarne glave fosfolipidne molekule, za koju se kaže da je hidrofilna, i odbija njen nepolarni rep, za koji se kaže da je hidrofoban.
Kada se molekuli fosfolipida otopi u vodi, električna svojstva dviju tvari djeluju zajedno na način da se molekule fosfolipida organiziraju u membranu. Membrana se zatvara u sebe u malu sferu koja se zove liposom. Molekule fosfolipida tvore dvoslojni dvostruki molekul. Polarne hidrofilne glave su okrenute prema van prema unutarnjoj i vanjskoj površini membrane. Hidrofobni repovi su namotani jedan prema drugome. Dok molekule fosfolipida ostaju fiksirane u svom sloju, s glavama okrenutim prema van, a repovi okrenuti prema unutra, oni se još uvijek mogu kretati jedan prema drugome, pružajući membrani fluidnu fleksibilnost potrebnu za život.
Fosfolipidne dvoslojne membrane osnov su svih zemaljskih staničnih membrana. Čak i sam, liposom može rasti, razmnožavati se i pomoći određenim kemijskim reakcijama važnim za život, zbog čega neki biohemičari misle da je stvaranje liposoma mogao biti prvi korak prema životu. U svakom slučaju, stvaranje staničnih membrana sigurno mora biti rani korak u nastanku života na Zemlji.
Ako na Titanu postoji neki oblik života, bilo da je morsko čudovište ili (vjerojatnije, mikrobi), gotovo sigurno bi trebala imati staničnu membranu, kao što to čini i svako živo biće na Zemlji. Mogu li se u tekućem metanu na Titanu formirati fosfolipidne dvoslojne membrane u tekućem metanu? Odgovor je ne. Za razliku od vode, molekula metana ima ravnomjernu raspodjelu električnih naboja. Nedostaje mu polarna kvaliteta vode, pa ne bi mogao privući polarne glave molekule fosfolipida. Ova privlačnost potrebna je da fosfolipidi formiraju staničnu membranu u stilu Zemlje.
Provedeni su eksperimenti gdje su fosfolipidi otopljeni u nepolarnim tekućinama na zemaljskoj sobnoj temperaturi. U tim uvjetima, fosfolipidi tvore dvoslojnu membranu "iznutra-izvana". Polarne glave molekula fosfolipida nalaze se u središtu, privlače jedna drugu svojim električnim nabojima. Nepolarni repovi okrenuti su prema van na svakoj strani membrane iznutra prema van, prema nepolarnom otapalu.
Može li titanijski život imati fosfolipidnu membranu iznutra? Cornellov tim zaključio je da to neće uspjeti iz dva razloga. Prvi je da na kriogenim temperaturama tekućeg metana, repovi fosfolipida postaju kruti, što uskraćuje svaku membranu iznutra koja bi mogla oblikovati fleksibilnost tekućine koja je potrebna za život. Drugo je da su dva ključna sastojka fosfolipida; fosfor i kisik vjerojatno nisu dostupni u metanskim jezerima Titana. Pretražujući stanične membrane Titanije, Cornellov tim trebao je istražiti izvan poznatog područja biologije u srednjoj školi.
Iako nije sastavljena od fosfolipida, znanstvenici su zaključili da će ikakva stanična membrana Titana ipak biti nalik unutarnjim fosfolipidnim membranama stvorenim u laboratoriju. Sastojao bi se od polarnih molekula koje se električno spajaju u otopini nepolarnog tekućeg metana. Koje bi to molekule mogle biti? Za odgovore su istraživači tražili podatke iz svemirske letjelice Cassini i iz laboratorijskih pokusa koji su reproducirali kemiju Titanove atmosfere.
Za Titanovu atmosferu poznato je da ima vrlo složenu kemiju. Sastoji se uglavnom od dušika i plina metana. Kad je svemirska letjelica Cassini analizirala njezin sastav pomoću spektroskopije, pronašla je tragove raznih spojeva ugljika, dušika i vodika, nazvanih nitrila i amina. Istraživači su simulirali kemiju Titanove atmosfere u laboratoriju izlažući mješavine dušika i metana izvorima energije koji simuliraju sunčevu svjetlost na Titanu. Formira se stew od organskih molekula nazvanih "tholins". Sastoji se od spojeva vodika i ugljika, koji se nazivaju ugljikovodicima, kao i nitrila i amina.
Cornellovi istražitelji vidjeli su nitrila i amine kao potencijalne kandidate za njihove stanične membrane Titana. Oboje su polarne molekule koje bi se mogle lijepiti zajedno da tvore membranu u nepolarnom tekućem metanu zbog polariteta skupina koje sadrže dušik. Obrazložili su da molekule kandidata moraju biti mnogo manje od fosfolipida kako bi mogle tvoriti tekuće membrane pri temperaturama tekućeg metana. Smatrali su nitrilima i aminima koji sadrže žice između tri i šest atoma ugljika. Skupine koje sadrže dušik nazivaju se „azoto“ –skupine, pa je tim svoj hipotetski titanski tim liposoma nazvao „azotosomom“.
Sintetizacija azotosoma za eksperimentalno proučavanje bila bi teška i skupa, jer bi se eksperimenti trebali izvoditi na kriogenim temperaturama tekućeg metana. No budući da su molekule kandidata intenzivno proučavane iz drugih razloga, Cornell-ovi istraživači osjećali su se opravdanim okrenuti se alatima računalne kemije kako bi utvrdili mogu li se njihove molekule kohezirati kao fleksibilna membrana u tekućem metanu. Računalni modeli uspješno su korišteni za proučavanje konvencionalnih membrana fosfolipida.
Računalne simulacije grupe pokazale su da bi se neke kandidatske tvari mogle isključiti jer se ne bi koherentile kao membrana, bile bi previše krute ili bi tvorile krutinu. Ipak, simulacije su također pokazale da će niz tvari formirati membrane s prikladnim svojstvima. Jedna pogodna tvar je akrilonitril, za koji je Cassini pokazao da je prisutan u atmosferi Titana u koncentraciji od 10 dijelova na milijun. Unatoč ogromnoj razlici u temperaturi između kriogenih azotozoma i liposoma sobne temperature, simulacije su pokazale da pokazuju nevjerojatno slična svojstva stabilnosti i reakcije na mehanički stres. Stanične membrane su tada moguće za život u tekućem metanu.
Znanstvenici iz Cornell-a smatraju da njihova otkrića nisu ništa drugo nego prvi korak ka dokazivanju da je život u tekućem metanu moguć i prema razvoju metoda za koje će buduće svemirske letjelice trebati da ga potraže na Titanu. Ako je život moguć u tekućem metanu, posljedice se u konačnici šire izvan Titana.
U potrazi za uvjetima pogodnim za život u galaksiji, astronomi obično traže egzoplanete u zvijezdanoj životnoj zoni, definirani kao uski raspon udaljenosti preko kojih bi planet s atmosferom nalik Zemlji imao površinsku temperaturu pogodnu za tekuću vodu. Ako je život metana moguć, zvijezde bi imale i naseljenu zonu metana, regiju u kojoj bi metan mogao postojati kao tekućina na planeti ili mjesecu, omogućavajući život metana. U svijetu bi se znatno povećao broj nastanjivih svjetova. Možda se u nekim svjetovima život metana razvija u složenim oblicima koje teško možemo zamisliti. Možda su neka od njih čak pomalo i morska čudovišta.
Literatura i daljnje čitanje:
N. Atkinson (2010) Vanzemaljski život na Titanu? Držite se nekoliko minuta, svemirskog časopisa.
N. Atkinson (2010) Život na Titanu mogao bi biti smrdljiv i eksplozivan, svemirski magazin.
M. L. Cable, S. M. Horst, R. Hodyss, P. Beauchamp, M. A. Smith, P. Willis, (2012) Titan tholins: Simulating Titan organic chemistry in Cassini-Huygens era, Chemical Reviews, 112: 1882-1909.
E. Howell (2014) Titanova veličanstvena zrcala slična zrcalima naći će se pod Cassinijevim nadzorom ovog tjedna, Space Magazine.
J. Major (2013) Titanov sjeverni pol opterećen je jezerima, svemirski magazin.
C. P. McKay, H. D. Smith, (2005) Mogućnosti metanogenog života u tekućem metanu na površini Titana, Icarus 178: 274-276.
J. Stevenson, J. Lunine, P. Clancy, (2015) Membranske alternative u svjetovima bez kisika: Stvaranje azotosoma, Science Advances 1 (1): e1400067.
S. Oleson (2014) Podmornica Titan: Istraživanje dubina Krakena, NASA Glenn Research Center, Priopćenje za javnost.
Cassini Solstice Mission, NASA Laboratorij za mlazni pogon
NASA i ESA slave 10 godina od slijetanja Titana, NASA 2015
