Mohol by existovať život na Saturnovom veľkom mesiaci Titan? Pri kladení tejto otázky sú astrobiológovia a chemici nútení premýšľať starostlivo a kreatívne o chémii života a o tom, ako by to mohlo byť iné v iných svetoch ako na Zemi. Vo februári publikoval tím vedcov z University of Cornell, vrátane postgraduálneho študenta chemického inžinierstva Jamesa Stevensona, planetárneho vedca Jonathana Lunina a chemického inžiniera Paulette Clancyho, priekopnícku štúdiu, v ktorej tvrdil, že bunkové membrány sa môžu vytvárať v exotických chemických podmienkach prítomných v tomto pozoruhodnom mesiaci. ,
Titan je v mnohých ohľadoch dvojča Zeme. Je to druhý najväčší mesiac v slnečnej sústave a väčší ako planéta Merkúr. Rovnako ako Zem má podstatnú atmosféru a povrchový atmosférický tlak je o niečo vyšší ako zemský. Okrem Zeme je Titan jediným objektom v našej slnečnej sústave, o ktorom je známe, že má na svojom povrchu nahromadené kvapaliny. Vesmírna sonda Cassini agentúry NASA objavila bohaté jazerá a dokonca aj rieky v polárnych oblastiach Titanu. Najväčšie jazero alebo more nazývané Kraken Mare je väčšie ako Kaspické more na Zemi. Vedci z pozorovaní kozmických lodí aj z laboratórnych experimentov vedia, že atmosféra Titanu je bohatá na zložité organické molekuly, ktoré sú stavebnými kameňmi života.
Všetky tieto vlastnosti môžu spôsobiť, že sa zdá, že Titan je neprehliadnuteľný vhodný pre život. Názov „Kraken“, ktorý sa vzťahuje na legendárne morské monštrum, fantasticky odráža dychtivé nádeje astrobiológov. Ale Titan je mimozemské dvojča. Keďže je takmer desaťkrát ďalej od Slnka ako Zem, jeho povrchová teplota je chladná -180 stupňov Celzia. Kvapalná voda je pre život životne dôležitá, ako ju poznáme, ale na povrchu Titanu je všetka voda zamrznutá. Vodný ľad preberá úlohu, ktorú na Zemi zohráva hornina obsahujúca kremík a tvorí vonkajšie vrstvy kôry.
Kvapalina, ktorá vypĺňa jazerá a rieky Titanu, nie je voda, ale tekutý metán, pravdepodobne zmiešaný s inými látkami, ako je tekutý etán, ktoré sú všetky tu na Zemi plyny. Ak v Titanovom mori existuje život, nie je to život tak, ako ho poznáme. Musí to byť mimozemská forma života, s organickými molekulami rozpustenými v tekutom metáne namiesto tekutej vody. Je niečo také možné?
Tím spoločnosti Cornell prevzal jednu kľúčovú časť tejto náročnej otázky skúmaním, či v tekutom metáne môžu existovať bunkové membrány. Každá živá bunka je v podstate samostatnou sieťou chemických reakcií, ktorá je obsiahnutá v ohraničujúcich membránach. Vedci sa domnievajú, že bunkové membrány sa objavili veľmi skoro v histórii života na Zemi a ich formovanie mohlo byť dokonca prvým krokom v vzniku života.
Tu na Zemi sú bunkové membrány rovnako známe ako biologická trieda na strednej škole. Sú vyrobené z veľkých molekúl nazývaných fosfolipidy. Každá molekula fosfolipidu má „hlavu“ a „chvost“. Hlava obsahuje fosfátovú skupinu s atómom fosforu spojeným s niekoľkými atómami kyslíka. Chvost sa skladá z jedného alebo viacerých reťazcov atómov uhlíka, obvykle 15 až 20 atómov, s atómami vodíka spojenými na každej strane. Hlava má v dôsledku negatívneho náboja svojej fosfátovej skupiny nerovnomerné rozdelenie elektrického náboja a hovoríme, že je polárna. Na druhej strane chvost je elektricky neutrálny.
Tieto elektrické vlastnosti určujú, ako sa budú fosfolipidové molekuly správať, keď sú rozpustené vo vode. Elektricky povedané, voda je polárna molekula. Elektróny v molekule vody sú silnejšie priťahované k svojmu atómu kyslíka ako k dvom atómom vodíka. Strana molekuly, kde sú dva atómy vodíka, má mierny kladný náboj a strana kyslíka má malý záporný náboj. Tieto polárne vlastnosti vody spôsobujú, že priťahuje polárnu hlavu fosfolipidovej molekuly, o ktorej sa hovorí, že je hydrofilná, a odpudzuje jej nepolárny koniec, o ktorom sa hovorí, že je hydrofóbna.
Keď sa fosfolipidové molekuly rozpustia vo vode, elektrické vlastnosti týchto dvoch látok spoločne spôsobujú, že sa fosfolipidové molekuly usporiadajú do membrány. Membrána sa uzatvára na seba do malej gule zvanej lipozóm. Fosfolipidové molekuly tvoria dvojvrstvové dve molekuly hrubé. Polárne hydrofilné hlavy smerujú von k vode na vnútornom aj vonkajšom povrchu membrány. Hydrofóbne chvosty sú vložené medzi sebou a sú oproti sebe. Kým fosfolipidové molekuly zostávajú fixované vo svojej vrstve s hlavami smerujúcimi von a chvostmi smerujúcimi dovnútra, môžu sa stále pohybovať okolo seba, čo dáva membráne flexibilitu potrebnú pre život.
Fosfolipidové dvojvrstvové membrány sú základom všetkých membrán terestriálnych buniek. Aj keď samotný lipozóm môže rásť, reprodukovať a pomáhať určitým chemickým reakciám dôležitým pre život, preto si niektorí biochemici myslia, že tvorba lipozómov mohla byť prvým krokom k životu. V každom prípade musí byť tvorba bunkových membrán určite prvým krokom v živote na Zemi.
Ak na Titane existuje nejaká forma života, či už je to morská príšera alebo (pravdepodobnejšie) mikrób, bolo by takmer určite potrebné mať bunkovú membránu, tak ako každá živá vec na Zemi. Mohli by sa na titáne tvoriť fosfolipidové dvojvrstvové membrány v tekutom metáne? Odpoveď znie nie. Na rozdiel od vody má molekula metánu rovnomerné rozdelenie elektrických nábojov. Chýba mu polárne vlastnosti vody, a preto nemôže priťahovať polárne hlavy molekuly fosfolipidov. Táto príťažlivosť je potrebná, aby fosfolipidy vytvorili bunkovú membránu v zemskom štýle.
Uskutočnili sa experimenty, pri ktorých sa fosfolipidy rozpúšťajú v nepolárnych kvapalinách pri zemskej teplote miestnosti. Za týchto podmienok tvoria fosfolipidy dvojvrstvovú membránu „zvnútra von“. Polárne hlavy fosfolipidových molekúl sú v strede a priťahujú sa navzájom svojimi elektrickými nábojmi. Nepolárne chvosty smerujú von na každej strane vnútornej membrány smerom k nepolárnemu rozpúšťadlu.
Mohol by mať Titanian život vnútri fosfolipidovú membránu? Tím spoločnosti Cornell dospel k záveru, že by to nefungovalo, a to z dvoch dôvodov. Prvým je, že pri kryogénnych teplotách tekutého metánu sa zvyšky fosfolipidov stávajú tuhé, čím sa zbavuje akejkoľvek vnútornej membrány, ktorá by mohla tvoriť flexibilitu tekutiny potrebnú pre život. Druhou je, že dve kľúčové zložky fosfolipidov; fosfor a kyslík, sú pravdepodobne nedostupné v metánových jazerách Titanu. Pri hľadaní membrán titánových buniek musel tím Cornell skúmať mimo známej ríše stredoškolskej biológie.
Vedci sa síce nezostavili z fosfolipidov, ale zdôvodnili, že akákoľvek membrána z titánovej bunky by bola napriek tomu podobná fosfolipidovým membránam vytvoreným v laboratóriu. Pozostáva z polárnych molekúl, ktoré sa elektricky zlepia v roztoku nepolárneho kvapalného metánu. Aké molekuly to môžu byť? Vedci hľadali odpovede na údaje z kozmickej lode Cassini a z laboratórnych experimentov, ktoré reprodukovali chémiu atmosféry Titanu.
O atmosfére Titanu je známe, že má veľmi zložitú chémiu. Vyrába sa väčšinou z dusíka a metánu. Keď kozmická loď Cassini analyzovala svoje zloženie pomocou spektroskopie, zistila stopy rôznych zlúčenín uhlíka, dusíka a vodíka, nazývaných nitrily a amíny. Vedci simulovali chémiu atmosféry Titanu v laboratóriu vystavením zmesí dusíka a metánu zdrojom energie simulujúcim slnečné svetlo na Titane. Vytvorí sa guláš organických molekúl nazývaných „tholíny“. Skladá sa zo zlúčenín vodíka a uhlíka, ktoré sa nazývajú uhľovodíky, ako aj z nitrilov a amínov.
Vyšetrovatelia Cornell považovali nitrily a amíny za potenciálnych kandidátov na membrány titánových buniek. Obidve sú polárne molekuly, ktoré by sa mohli zlepiť a tvoriť membránu v nepolárnom tekutom metáne v dôsledku polarity skupín obsahujúcich dusík nachádzajúcich sa v oboch z nich. Zdôvodnili, že kandidátske molekuly musia byť omnoho menšie ako fosfolipidy, aby mohli vytvárať tekuté membrány pri teplotách tekutého metánu. Uvažovali o nitriloch a amínoch obsahujúcich reťazce s 3 až 6 atómami uhlíka. Skupiny obsahujúce dusík sa nazývajú „azoto“ - skupiny, takže tím pomenoval hypotetický titánsky náprotivok k lipozómu za „azotosóm“.
Syntéza azotosómov pre experimentálnu štúdiu by bola náročná a nákladná, pretože experimenty by sa museli vykonávať pri kryogénnych teplotách tekutého metánu. Ale pretože kandidátske molekuly boli rozsiahle študované z iných dôvodov, Cornellovci sa cítili oprávnení obrátiť sa na nástroje výpočtovej chémie, aby určili, či by ich kandidátne molekuly mohli kohézovať ako flexibilná membrána v tekutom metáne. Výpočtové modely boli úspešne použité na štúdium konvenčných fosfolipidových bunkových membrán.
Výpočtové simulácie skupiny ukázali, že niektoré kandidátske látky by sa mohli vylúčiť, pretože by sa nekryli ako membrána, boli by príliš rigidné alebo by tvorili pevnú látku. Simulácie však tiež ukázali, že množstvo látok by tvorilo membrány s vhodnými vlastnosťami. Jednou z vhodných látok je akrylonitril, ktorý Cassini preukázal, že je prítomný v Titanovej atmosfére v koncentrácii 10 ppm. Napriek obrovskému rozdielu teploty medzi kryogénnymi azotozómami a lipozómami pri izbovej teplote im simulácie ukázali, že vykazujú prekvapivo podobné vlastnosti stability a reakcie na mechanické namáhanie. Bunkové membrány sú teda možné po celý život v tekutom metáne.
Vedci z Cornellu považujú svoje zistenia za nič viac ako prvý krok k preukázaniu, že život v tekutom metáne je možný a k vývoju metód, ktoré budúca kozmická loď bude musieť hľadať na Titane. Ak je život v tekutom metáne možný, dôsledky nakoniec presahujú ďaleko za Titan.
Pri hľadaní podmienok vhodných pre život v galaxii astronómovia typicky hľadajú exoplanety v zóne obývateľnej hviezdou, ktorá je definovaná ako úzky rozsah vzdialeností, cez ktoré by planéta so zemskou atmosférou mala povrchovú teplotu vhodnú pre tekutú vodu. Ak je možný život metánu, hviezdy by mali aj zónu metán obývateľnú, oblasť, v ktorej by metán mohol existovať ako kvapalina na planéte alebo mesiaci, čo by umožnilo život metánu. Počet obývateľných svetov v galaxii by sa výrazne zvýšil. Možno sa na niektorých svetoch život metánu vyvinie do zložitých foriem, ktoré si len ťažko dokážeme predstaviť. Možno niektorí z nich sú trochu ako morské príšery.
Referencie a ďalšie čítanie:
N. Atkinson (2010) Alien Life on Titan? Počkaj, minútu, vesmírny časopis.
N. Atkinson (2010) Život na Titanovi by mohol byť páchnuce a výbušný, časopis Space.
M. L. Cable, S. M. Horst, R. Hodyss, P. Beauchamp, M. A. Smith, P. Willis, (2012) Titanové tholíny: Simulácia organickej chémie titánu v ére Cassini-Huygens, Chemical Reviews, 112: 1882-1909.
E. Howell (2014) Titanove majestátne zrkadlové jazerá sa tento týždeň dostanú pod Cassiniho kontrolu, Space Magazine.
J. Major (2013) Severný pól Titanu je nabitý jazerami, časopis Space.
C. P. McKay, H. D. Smith, (2005) Možnosti metanogénneho života v tekutom metáne na povrchu Titanu, Icarus 178: 274-276.
J. Stevenson, J. Lunine, P. Clancy, (2015) Membránové alternatívy vo svete bez kyslíka: Vytvorenie azotosómu, Science Advances 1 (1): e1400067.
Ponorka Titan S. Oleson (2014): Preskúmanie hlbín Krakova, Výskumné centrum NASA Glenn, tlačová správa.
Misia Cassini Slnovrat, Pohonné laboratórium NASA
NASA a ESA oslavujú 10 rokov od pristátia Titanu, NASA 2015
