Mohl by existovat život na Saturnově velkém měsíci Titanu? Dotaz na otázku nutí astrobiology a chemiky, aby pečlivě a kreativně přemýšleli o chemii života a o tom, jak by to mohlo být jiné v jiných světech než na Zemi. V únoru zveřejnil tým vědců z Cornell University, včetně postgraduálního studenta chemického inženýrství Jamese Stevensona, planetárního vědce Jonathana Lunina a chemického inženýra Paulette Clancyho, průkopnickou studii, která tvrdí, že buněčné membrány se mohou tvořit za exotických chemických podmínek přítomných na tomto pozoruhodném měsíci .
Titan je v mnoha ohledech pozemským dvojčatem. Je to druhý největší měsíc ve sluneční soustavě a větší než planeta Merkur. Stejně jako Země má podstatnou atmosféru a povrchový atmosférický tlak je o něco vyšší než Země. Kromě Země je Titan jediným objektem naší sluneční soustavy, o kterém je známo, že má na svém povrchu akumulaci kapaliny. Kosmická sonda NASA společnosti Cassini objevila hojná jezera a dokonce i řeky v polárních oblastech Titanu. Největší jezero neboli moře zvané Kraken Mare je větší než Kaspické moře na Zemi. Vědci z pozorování kosmických lodí i laboratorních experimentů vědí, že atmosféra Titanu je bohatá na složité organické molekuly, které jsou stavebními kameny života.
Všechny tyto rysy by mohly vypadat, jako by byl Titan tantalizačně vhodný pro život. Jméno „Kraken“, které odkazuje na legendární mořské monstrum, fantasticky odráží dychtivé naděje astrobiologů. Ale Titan je mimozemské dvojče. Být téměř desetkrát dále od Slunce než Země je, jeho povrchová teplota je mrazivý -180 stupňů Celsia. Kapalná voda je pro život životně důležitá, jak ji známe, ale na Titanově povrchu je veškerá voda zmrzlá. Vodní led převezme roli, kterou na Zemi obsahuje hornina obsahující křemík a tvoří vnější vrstvy kůry.
Kapalina, která vyplňuje Titanova jezera a řeky, není voda, ale tekutý metan, pravděpodobně smíchaný s jinými látkami, jako je kapalný ethan, které jsou všechny plyny zde na Zemi. Pokud existuje život v Titanových mořích, není to život, jak ho známe. Musí to být mimozemská forma života, s organickými molekulami rozpuštěnými v tekutém metanu místo tekuté vody. Je něco takového možné?
Tým Cornell převzal jednu klíčovou část této náročné otázky zkoumáním, zda buněčné membrány mohou existovat v tekutém metanu. Každá živá buňka je v podstatě soběstačná síť chemických reakcí obsažená v ohraničujících membránách. Vědci si myslí, že buněčné membrány se objevily velmi brzy v historii života na Zemi a jejich formování by mohlo být dokonce prvním krokem v původu života.
Tady na Zemi jsou buněčné membrány známé jako třída biologie na střední škole. Jsou vyrobeny z velkých molekul nazývaných fosfolipidy. Každá molekula fosfolipidu má „hlavu“ a „ocas“. Hlava obsahuje fosfátovou skupinu s atomem fosforu spojeným s několika atomy kyslíku. Ocas se skládá z jednoho nebo více řetězců atomů uhlíku, obvykle 15 až 20 atomů, s atomy vodíku spojenými na každé straně. Hlava má kvůli negativnímu náboji své fosfátové skupiny nerovnoměrné rozdělení elektrického náboje a říkáme, že je polární. Ocas je naproti tomu elektricky neutrální.
Tyto elektrické vlastnosti určují, jak se budou fosfolipidové molekuly chovat, když se rozpustí ve vodě. Elektricky řečeno, voda je polární molekula. Elektrony v molekule vody jsou silněji přitahovány k atomu kyslíku než k jejím dvěma atomům vodíku. Strana molekuly, kde jsou dva atomy vodíku, má mírný kladný náboj a strana kyslíku má malý záporný náboj. Tyto polární vlastnosti vody způsobují, že přitahuje polární hlavu fosfolipidové molekuly, o které se říká, že je hydrofilní, a odrazí její nepolární konec, o kterém se říká, že je hydrofobní.
Když jsou fosfolipidové molekuly rozpuštěny ve vodě, elektrické vlastnosti těchto dvou látek spolupracují a způsobují, že se fosfolipidové molekuly uspořádají do membrány. Membrána se uzavře na sebe do malé koule zvané lipozom. Fosfolipidové molekuly tvoří dvojvrstvou dvě molekuly silné. Polární hydrofilní hlavy směřují ven k vodě na vnitřním i vnějším povrchu membrány. Hydrofobní ocasy jsou vloženy mezi sebou a čelem k sobě. Zatímco fosfolipidové molekuly zůstávají fixované ve své vrstvě, s hlavami směřujícími ven a ocasy směřujícími dovnitř, mohou se stále pohybovat vůči sobě navzájem, což dává membráně tekutinu potřebnou pro život.
Fosfolipidové dvouvrstvé membrány jsou základem všech membrán pozemských buněk. I sám o sobě může liposom růst, reprodukovat a napomáhat určitým chemickým reakcím důležitým pro život, a proto si někteří biochemici myslí, že tvorba liposomů mohla být prvním krokem k životu. V každém případě musí být tvorba buněčných membrán bezpochyby raným krokem ve vývoji života na Zemi.
Pokud na Titanu existuje nějaká forma života, ať už je to mořská příšera nebo (více pravděpodobný) mikrob, bylo by téměř jistě nutné mít buněčnou membránu, stejně jako každá živá věc na Zemi. Mohly se na Titanu tvořit fosfolipidové dvouvrstvé membrány v tekutém metanu? Odpověď je ne. Na rozdíl od vody má molekula metanu rovnoměrné rozdělení elektrických nábojů. Postrádá polární vlastnosti vody, a tak nemohl přilákat polární hlavy fosfolipidové molekuly. Tato přitažlivost je nutná pro to, aby fosfolipidy vytvořily buněčnou membránu ve stylu Země.
Byly provedeny experimenty, při nichž jsou fosfolipidy rozpuštěny v nepolárních kapalinách při pozemské teplotě místnosti. Za těchto podmínek tvoří fosfolipidy dvouvrstvou membránu „dovnitř“. Polární hlavy fosfolipidových molekul jsou ve středu a přitahovány k sobě svými elektrickými náboji. Nepolární ocasy směřují ven na každou stranu vnitřní membrány směrem k nepolárnímu rozpouštědlu.
Mohl by titanský život mít uvnitř fosfolipidovou membránu? Tým Cornell dospěl k závěru, že to nebude fungovat, a to ze dvou důvodů. První je, že při kryogenních teplotách kapalného metanu se zbytky fosfolipidů stávají rigidními a zbavují tak jakoukoli vnitřní membránu, která by mohla tvořit pružnost tekutiny potřebnou pro život. Druhá je, že dvě klíčové složky fosfolipidů; fosfor a kyslík, jsou pravděpodobně nedostupná v metanových jezerech Titanu. Při hledání membrán titanových buněk potřeboval Cornellův tým zkoumat mimo známou oblast biologie na střední škole.
Ačkoli to není složeno z fosfolipidů, vědci usoudili, že jakákoli membrána z titanových buněk by byla stejně jako fosfolipidové membrány vytvořené v laboratoři. To by sestávalo z polárních molekul, které se elektricky slepí v roztoku nepolárního kapalného metanu. Jaké molekuly to mohou být? Pro odpovědi vědci hledali data z kosmické lodi Cassini a laboratorních experimentů, které reprodukovaly chemii Titanovy atmosféry.
O atmosféře Titanu je známo, že má velmi složitou chemii. Vyrábí se převážně z dusíku a metanu. Když kosmická loď Cassini analyzovala své složení pomocí spektroskopie, zjistila stopy různých sloučenin uhlíku, dusíku a vodíku, které se nazývají nitrily a aminy. Vědci simulovali chemii atmosféry Titanu v laboratoři tím, že vystavili směsi dusíku a metanu zdrojům energie simulující sluneční světlo na Titanu. Vzniká dušená organická molekula zvaná „tholiny“. Skládá se ze sloučenin vodíku a uhlíku, které se nazývají uhlovodíky, jakož i z nitrilů a aminů.
Vyšetřovatelé Cornell viděli nitrily a aminy jako potenciální kandidáty na jejich membrány titanových buněk. Oba jsou polární molekuly, které by se mohly slepit a tvořit membránu v nepolárním kapalném metanu v důsledku polarity skupin obsahujících dusík v obou z nich. Zdůvodnili, že kandidátské molekuly musí být mnohem menší než fosfolipidy, aby mohly při tekutých metanových formách tvořit membrány tekutin. Uvažovali o nitrilech a aminech obsahujících řetězce mezi třemi a šesti atomy uhlíku. Skupiny obsahující dusík se nazývají „azoto“ - skupiny, takže tým pojmenoval svůj hypotetický titánský protějšek k lipozomu „azotosome“.
Syntéza azotosomů pro experimentální studium by byla obtížná a nákladná, protože experimenty by musely být prováděny při kryogenních teplotách kapalného metanu. Ale protože kandidátské molekuly byly rozsáhle studovány z jiných důvodů, vědci z Cornelllu se cítili oprávněně obracet se k nástrojům výpočetní chemie, aby určili, zda by jejich kandidátské molekuly mohly kohézovat jako flexibilní membrána v tekutém metanu. Výpočetní modely byly úspěšně použity ke studiu konvenčních fosfolipidových buněčných membrán.
Výpočtové simulace skupiny ukázaly, že některé kandidátské látky by mohly být vyloučeny, protože by nepocházely jako membrána, byly by příliš rigidní nebo by tvořily pevnou látku. Simulace však také ukázaly, že řada látek bude tvořit membrány s vhodnými vlastnostmi. Jednou z vhodných látek je akrylonitril, který Cassini ukázal, že je přítomen v Titanově atmosféře v koncentraci 10 dílů na milion. I přes obrovský rozdíl v teplotě mezi kryogenními azotozomy a liposomy z pokojové teploty jim simulace ukázaly, že vykazují nápadně podobné vlastnosti stability a reakce na mechanické namáhání. Buněčné membrány jsou tedy možné po celý život v tekutém metanu.
Vědci z Cornell považují svá zjištění za nic jiného než první krok k tomu, aby ukázal, že život v kapalném metanu je možný, a k vývoji metod, které bude budoucí kosmická loď muset hledat na Titanu. Pokud je život v kapalném metanu možný, důsledky nakonec přesahují daleko za Titan.
Když hledají podmínky vhodné pro život v galaxii, astronomové obvykle hledají exoplanety v obyvatelné zóně hvězdy, definované jako úzký rozsah vzdáleností, přes které by planeta se zemskou atmosférou měla povrchovou teplotu vhodnou pro kapalnou vodu. Pokud je život metanu možný, hvězdy by měly také zónu obyvatelnou pro metan, oblast, kde by metan mohl existovat jako kapalina na planetě nebo měsíci, což by umožnilo život metanu. Počet obyvatelných světů v galaxii by se výrazně zvýšil. Možná se v některých světech život metanu vyvíjí do složitých forem, které si jen stěží dokážeme představit. Možná, že některé z nich jsou dokonce trochu jako mořská příšery.
Reference a další čtení:
N. Atkinson (2010) Alien Life on Titan? Vydržte jen minutu, vesmírný časopis.
N. Atkinson (2010) Život na Titanu by mohl být páchnoucí a výbušný, časopis Space.
M. L. Cable, S. M. Horst, R. Hodyss, P. Beauchamp, M. A. Smith, P. Willis, (2012) Titanové tholiny: Simulace organické chemie titanu v éře Cassini-Huygens, Chemical Reviews, 112: 1882-1909.
E. Howell (2014) Titanova majestátní zrcadlová jezera se stanou pod Cassiniho kontrolou tento týden, Space Magazine.
J. Major (2013) Severní pól Titanu je naplněn jezerem, časopis Magazine.
C. P. McKay, H. D. Smith, (2005) Možnosti methanogenního života v kapalném metanu na povrchu Titanu, Icarus 178: 274-276.
J. Stevenson, J. Lunine, P. Clancy, (2015) Membránové alternativy ve světech bez kyslíku: Vytvoření azotosomu, Science Advances 1 (1): e1400067.
S. Oleson (2014) Titanová ponorka: Zkoumání hlubin Krakenu, Výzkumné středisko NASA Glenn, Tisková zpráva.
Cassini Solstice Mission, NASA Jet Propulsion Laboratory
NASA a ESA slaví 10 let od přistání Titanu, NASA 2015
