Lehet-e élet Saturnán a nagy hold-titánon? A kérdés feltevése arra készteti az asztrobiológusokat és a kémikusokat, hogy alaposan és kreatívan gondolkodjanak az élet kémiájáról, és hogy más lehet más világon, mint a Földön. Februárban a Cornell Egyetem kutatócsoportja, köztük James Stevenson vegyészmérnöki hallgató, bolygótudós Jonathan Lunine és Paulette Clancy vegyészmérnök úttörő tanulmányt tett közzé, azzal érvelve, hogy sejtmembránok képezhetnek egzotikus kémiai körülmények között ezen a figyelemre méltó holdon .
Sok szempontból a Titan a Föld ikre. Ez a Naprendszer második legnagyobb holdja, nagyobb, mint a Merkúr bolygó. Mint a Földnek is, jelentős légköre van, a felszíni légköri nyomás kicsit magasabb, mint a Földé. A Földön kívül a Titan az egyetlen tárgy a naprendszerünkben, amelyről ismert, hogy a felületén folyadékfelhalmozódás van. A NASA Cassini űrszondája bőséges tavakat és akár folyókat fedezett fel a Titán sarki régióiban. A Kraken Mare nevű legnagyobb tó vagy tenger nagyobb, mint a Föld Kaszpi-tengere. A kutatók mind az űrhajók megfigyeléseiből, mind a laboratóriumi kísérletekből tudják, hogy a Titán légköre gazdag komplex szerves molekulákban, amelyek az élet építőkövei.
Mindezek a funkciók úgy tűnhetnek, mintha a Titan csábítóan alkalmas az életre. A „Kraken” név, amely egy legendás tengeri szörnyre utal, fantasztikusan tükrözi az asztrobiológusok lelkes reményeit. De a Titan a Föld idegen ikre. Szinte tízszer a naptól távolabb, mint a Föld, felszíni hőmérséklete hideg, -180 Celsius fok. A folyékony víz létfontosságú az élethez, amint azt tudjuk, de a Titán felületén minden víz szilárd. A vízjég felveszi azt a szerepet, amelyet a szilíciumtartalmú kőzet tölt el a Földön, és így felállítja a kéreg külső rétegeit.
A Titán tavait és folyóit kitöltő folyadék nem víz, hanem folyékony metán, valószínűleg keverve más anyagokkal, például folyékony etánnal, amelyek mindegyike földgáz. Ha van élet a Titán tengerében, akkor nem az az élet, ahogyan tudjuk. Idegen életformanak kell lennie, a folyékony víz helyett folyékony metánban oldott szerves molekulákkal. Lehetséges egy ilyen dolog?
A Cornell-csoport felvette e kihívásokkal teli kérdés egyik kulcsfontosságú részét azzal, hogy megvizsgálta, léteznek-e sejtmembránok folyékony metánban. Minden élő sejt lényegében egy kémiai reakciók önfenntartó hálózata, amely a kötõ membránokban található. A tudósok úgy vélik, hogy a sejtmembránok a földi élet történetének nagyon korai szakaszában megjelentek, és kialakulásuk talán az élet első lépése is lehet.
Itt, a Földön, a sejtmembránok ugyanolyan ismertek, mint a középiskolai biológiai órák. Foszfolipideknek nevezett nagy molekulákból készülnek. Minden foszfolipid molekula rendelkezik fejjel és farokkal. A fej foszfátcsoportot tartalmaz, foszforatommal, amely több oxigénatomhoz kapcsolódik. A farok egy vagy több szénatomból áll, jellemzően 15-20 atom hosszú, hidrogénatomok mindkét oldalán kapcsolódnak. A fejnek a foszfátcsoport negatív töltése miatt az elektromos töltés egyenetlen eloszlása van, és azt mondjuk, hogy sarkú. A farok ezzel szemben elektromosan semleges.
Ezek az elektromos tulajdonságok határozzák meg, hogyan viselkednek a foszfolipid molekulák, ha vízben oldják őket. Elektromos szempontból a víz egy poláris molekula. A vízmolekula elektronjait erősebben vonzza az oxigénatomja, mint a két hidrogénatomja. Tehát a molekula azon oldalán, ahol a két hidrogénatom van, enyhe pozitív töltés van, és az oxigén oldalán kicsi negatív töltés van. A víz ezen poláris tulajdonságai miatt vonzza a foszfolipid molekula poláris fejét, amelyről azt állítják, hogy hidrofil, és taszítja a nem poláros farkát, amelyről azt állítják, hogy hidrofób.
Amikor a foszfolipid molekulákat vízben oldják, a két anyag elektromos tulajdonságai együtt működnek, és a foszfolipid molekulák membránba szerveződnek. A membrán becsukódik egy liposzómának nevezett kis gömbbe. A foszfolipid molekulák kettős rétegű, két vastag molekulát alkotnak. A poláris hidrofil fejek kifelé néznek a víz felé a membrán belső és külső felületén egyaránt. A hidrofób farok között egymással szemben helyezkedik el. Miközben a foszfolipid molekulák rögzítettek maradnak rétegükben, fejük felfelé és farkuk befelé nézve, egymáshoz viszonyítva mozoghatnak, így a membránnak az élethez szükséges folyadék rugalmasságot biztosítva.
A foszfolipid kettős rétegű membránok képezik az összes szárazföldi sejtmembrán alapját. A liposzóma önmagában is képes növekedni, reprodukálni és elősegíteni az élet szempontjából fontos kémiai reakciókat, ezért néhány biokémikus úgy gondolja, hogy a liposzómák képződése lehet az első lépés az élet felé. Mindenesetre a sejtmembránok kialakulásának minden bizonnyal korai lépésnek kell lennie az élet megjelenésének a Földön.
Ha valamilyen életfajta létezik a Titánon, akár tengeri szörny, akár (valószínűbb) mikrobának, akkor szinte biztosan szükség lenne sejtmembránra, akárcsak a Földön élő minden élőlény. A folyékony metánban a Titanon foszfolipid kettős rétegű membránok alakulhatnak ki? A válasz nem. A vízzel ellentétben a metán molekula egyenletes eloszlással rendelkezik az elektromos töltések között. Hiányzik a víz poláris tulajdonságai, és ezért nem vonzhatja a foszfolipid molekula poláris fejeit. Erre a vonzásra van szükség ahhoz, hogy a foszfolipidek Föld-szerű sejtmembránt képezzenek.
Kísérleteket végeztek, ahol a foszfolipideket nem poláris folyadékokban oldják fel földi szobahőmérsékleten. Ilyen körülmények között a foszfolipidek „kívül-belül” kétrétegű membránt képeznek. A foszfolipid molekulák poláris fejei középen vannak, és elektromos töltéseikkel vonzzák őket egymáshoz. A nem poláris farok kifelé néz a kifelé néző membrán mindkét oldalán, szemben a nem poláros oldószerrel.
Lehet, hogy a titán életben van kívülről foszfolipid membrán? A Cornell csapata arra a következtetésre jutott, hogy ez két okból nem fog működni. Az első az, hogy a folyékony metán kriogén hőmérsékletein a foszfolipidek farka merev lesz, megfosztva minden olyan belső membránt, amely képezheti az élethez szükséges folyadék rugalmasságot. A második az, hogy a foszfolipidek két kulcsfontosságú alkotóeleme; foszfor és oxigén, valószínűleg nem állnak rendelkezésre a titán metán tavakban. A titán sejtmembránok keresésekor a Cornell-csapatnak meg kellett vizsgálnia a középiskolai biológia ismerős birodalmát.
Bár nem a foszfolipidekből álltak, a tudósok azzal érveltek, hogy bármely titán sejtmembrán ugyanakkor olyan lesz, mint a laboratóriumban létrehozott kifelé foszfolipid membránok. Poláris molekulákból állna, amelyek elektromosan összekapcsolódnak egy nem poláros folyékony metán oldatban. Milyen molekulák lehetnek ezek? A válaszok megkérdezésére a kutatók a Cassini űrhajó adatait és a Titan légkörének kémiáját reprodukáló laboratóriumi kísérletek adatait keresték.
A Titan légkörében ismert, hogy nagyon összetett kémiai tulajdonságokkal rendelkezik. Főleg nitrogénből és metángázból készül. Amikor a Cassini űrhajó spektroszkópiával elemezte összetételét, nyomokban talált különféle szén-, nitrogén- és hidrogénvegyületet, úgynevezett nitrilt és amint. A kutatók a Titan légkörének kémiai modellezését a laboratóriumban úgy végezték, hogy a nitrogén és a metán keverékét olyan energiaforrásoknak tették ki, amelyek a Titán napfényét szimulálták. A „kolinoknak” nevezett szerves molekulák pörkölte alakul ki. Hidrogén- és szénvegyületekből, úgynevezett szénhidrogénekből, valamint nitrilekből és aminokból áll.
A Cornell-kutatók nitrilt és amint láttak potenciális jelöltekként titán sejtmembránjaikban. Mindkettő poláris molekula, amely összekapcsolódhat és nem-poláris folyékony metánban membránt képezhet, a mindkettőben található nitrogéntartalmú csoportok polaritása miatt. Indokolták, hogy a jelölt molekuláknak sokkal kisebbnek kell lenniük, mint a foszfolipideknek, hogy folyékony membránokat képezzenek folyékony metán hőmérsékleten. Megfontolták a három és hat szénatomot tartalmazó nitrilt és amint. A nitrogéntartalmú csoportokat „azoto” -csoportoknak nevezzük, tehát a csoport hipotetikus titán-analógját az liposzómának „azotoszómának” nevezte.
Az azotoszómák szintetizálása a kísérleti vizsgálatokhoz nehéz és költséges lett volna, mivel a kísérleteket folyékony metán kriogén hőmérsékletein kellene elvégezni. Mivel azonban a jelölt molekulákat más okok miatt széles körben tanulmányozták, a Cornell kutatói indokoltnak érezték magukat, hogy a számítási kémia eszközéhez fordultak annak meghatározására, hogy a jelölt molekulák képesek-e rugalmas membránként összetapadni folyékony metánban. A számítási modelleket sikeresen alkalmazták a hagyományos foszfolipid sejtmembránok tanulmányozására.
A csoport számítástechnikai szimulációi azt mutatták, hogy bizonyos jelölt anyagokat kizárhatunk, mert nem képesek membránként összeillenek, túl merevek vagy szilárd anyagot képeznek. Ennek ellenére a szimulációk azt is kimutatták, hogy számos anyag alkalmas tulajdonságokkal rendelkező membránokat képez. Az egyik megfelelő anyag az akrilnitril, amelyről a Cassini kimutatta, hogy a Titan légkörében 10 ppm koncentrációban van jelen. Annak ellenére, hogy a kriogén azotozómok és a szobahőmérsékleti liposzómák között nagy a hőmérsékleti különbség, a szimulációk megmutatták, hogy feltűnően hasonló tulajdonságokkal rendelkeznek a stabilitás és a mechanikai stresszre adott válasz szempontjából. A sejtmembránok így folyékony metánban életre kelnek.
A Cornell tudósai nem más, mint első lépésként mutatják be, hogy a folyékony metánban való élet megmutatható, és kidolgozzák azokat a módszereket, amelyeket a jövőbeli űrhajóknak meg kell keresniük a Titanon. Ha lehetséges az élet folyékony metánban, akkor a következmények végül messze túlmutatnak a Titánon.
Amikor a galaxisban életre alkalmas feltételeket keresnek, az csillagászok általában egy csillag lakható övezetében lévő exoplanetokat keresnek, azaz a távolságok szűk tartománya, amelyen a Föld-szerű légkörű bolygó folyékony víznek megfelelő felszíni hőmérséklete lenne. Ha lehetséges a metánélet, akkor a csillagoknak szintén lenne egy metánra lakható zónája, egy olyan régió, ahol a metán folyadékként létezhet egy bolygón vagy holdon, ezáltal lehetővé téve a metán életét. A galaxisban élő lakható világok száma jelentősen megnő. Talán néhány világon a metán-élet olyan bonyolult formákká alakul, amelyeket alig tudunk elképzelni. Lehet, hogy néhányuk egy kicsit olyan, mint a tengeri szörnyek.
Referenciák és további olvasmányok:
N. Atkinson (2010) Idegen élet a titánon? Várjon egy percet, a Space Magazine-t.
N. Atkinson (2010) Az élet a Titanon büdös és robbanásveszélyes lehet, az Space Magazine.
M. L. Cable, S. M. Horst, R. Hodyss, Beauchamp P., M. A. Smith, P. Willis (2012) Titán-tholinek: A titán szerves kémia szimulálása a Cassini-Huygens-korszakban, Chemical Reviews, 112: 1882-1909.
E. Howell (2014) A Titan fenséges tükörszerű tavai Cassini ezen a héten kerülnek ellenőrzésre, a Space Magazine.
J. Major (2013) A Titan északi sarkát tavak töltik meg, az Űrmagazin.
C. P. McKay, H. D. Smith, (2005) A metanogén élet lehetőségei a folyékony metánban a Titan felületén, Icarus 178: 274-276.
Stevenson J., Lunine J., Clancy, (2015) Membránalternatívák oxigén nélküli világokban: Azotoszóma létrehozása, Science Advances 1 (1): e1400067.
S. Oleson (2014) Titan tengeralattjáró: Kraken mélységének feltárása, NASA Glenn Research Center, sajtóközlemény.
Cassini Solstice Mission, NASA sugárhajtómű laboratórium
A NASA és az ESA ünnepli a Titan leszállás óta eltelt tíz évet (NASA 2015)
