Ar putea exista viață pe Titanul lunii mari a lui Saturn? A pune întrebarea îi obligă pe astrobiologi și pe chimiști să gândească cu atenție și creativitate despre chimia vieții și cum ar putea să fie diferită pe alte lumi decât este pe Pământ. În februarie, o echipă de cercetători de la Universitatea Cornell, inclusiv studentul absolvent de inginerie chimică James Stevenson, omul de știință planetar Jonathan Lunine și inginerul chimic Paulette Clancy, au publicat un studiu de pionierat care susține că membranele celulare se pot forma în condițiile chimice exotice prezente pe această lună remarcabilă. .
În multe privințe, Titan este geamănul Pământului. Este a doua cea mai mare lună din sistemul solar și mai mare decât planeta Mercur. La fel ca Pământul, are o atmosferă substanțială, cu o presiune atmosferică de suprafață un pic mai mare decât a Pământului. Pe lângă Pământ, Titan este singurul obiect din sistemul nostru solar cunoscut pentru a avea acumulări de lichid pe suprafața sa. Sonda spațială Cassini a NASA a descoperit lacuri abundente și chiar râuri în regiunile polare ale Titanului. Cel mai mare lac, sau mare, numit Kraken Mare, este mai mare decât Marea Caspică a Pământului. Cercetătorii știu atât din observații ale navei spațiale, cât și din experimente de laborator că atmosfera lui Titan este bogată în molecule organice complexe, care sunt elementele de bază ale vieții.
Toate aceste caracteristici ar putea face să pară ca și cum Titan este potrivitor pentru viață. Denumirea „Kraken”, care se referă la un monstru marin legendar, reflectă fantezist speranțele nerăbdătoare ale astrobiologilor. Dar, Titan este gemenul extraterestru al Pământului. Fiind aproape de zece ori mai departe de soare decât temperatura Pământului, temperatura suprafeței sale este de frig -80 grade Celsius. Apa lichidă este vitală pentru viață așa cum o știm, dar pe suprafața lui Titan toată apa este înghețată. Gheața cu apă are rolul pe care îl face roca care conține siliciu pe Pământ, alcătuind straturile exterioare ale crustei.
Lichidul care umple lacurile și râurile Titanului nu este apă, ci metan lichid, probabil amestecat cu alte substanțe precum etanul lichid, toate acestea fiind gaze aici pe Pământ. Dacă există viață în mările Titanului, nu este viață așa cum o știm noi. Trebuie să fie o formă străină de viață, cu molecule organice dizolvate în metan lichid în loc de apă lichidă. Este chiar posibil un astfel de lucru?
Echipa Cornell a preluat o parte cheie a acestei întrebări provocatoare, cercetând dacă membranele celulare pot exista în metan lichid. Fiecare celulă vie este, în esență, o rețea de reacții chimice autosusținătoare, conținută în cadrul membranelor de legătură. Oamenii de știință cred că membranele celulare au apărut foarte devreme în istoria vieții pe Pământ, iar formarea lor ar fi fost chiar primul pas în originea vieții.
Aici, pe Pământ, membranele celulare sunt la fel de cunoscute ca la clasa de biologie a liceului. Sunt formate din molecule mari numite fosfolipide. Fiecare moleculă fosfolipidă are un „cap” și o „coadă”. Capul conține o grupare fosfat, cu un atom de fosfor legat la mai mulți atomi de oxigen. Coada este formată dintr-unul sau mai multe șiruri de atomi de carbon, de obicei 15 până la 20 de atomi, cu atomi de hidrogen legați pe fiecare parte. Capul, datorită încărcării negative a grupului său de fosfați, are o distribuție inegală a sarcinii electrice și spunem că este polar. Coada, pe de altă parte, este neutră din punct de vedere electric.
Aceste proprietăți electrice determină modul în care se vor comporta moleculele fosfolipide atunci când sunt dizolvate în apă. Electric vorbind, apa este o moleculă polară. Electronii din molecula de apă sunt atrași mai puternic de atomul său de oxigen decât de cei doi atomi de hidrogen. Deci, partea moleculei în care se află cei doi atomi de hidrogen are o ușoară încărcare pozitivă, iar partea de oxigen are o mică sarcină negativă. Aceste proprietăți polare ale apei determină atragerea capului polar al moleculei fosfolipide despre care se spune că este hidrofilă și respinge coada nonpolară, despre care se spune că este hidrofobă.
Când moleculele fosfolipide sunt dizolvate în apă, proprietățile electrice ale celor două substanțe lucrează împreună pentru a determina moleculele fosfolipide să se organizeze într-o membrană. Membrana se închide pe sine într-o mică sferă numită lipozom. Moleculele fosfolipide formează o stratură cu două molecule grosime. Capetele hidrofile polare se orientează spre exterior, atât pe suprafața interioară, cât și pe cea exterioară a membranei. Cozile hidrofobe se fac între ele, orientate unul spre altul. În timp ce moleculele fosfolipide rămân fixate în stratul lor, cu capetele orientate spre exterior și cozile orientate în interior, ele se pot mișca în continuare unul față de celălalt, oferind membranei flexibilitatea fluidului necesar vieții.
Membranele fosfatipidic constituie baza tuturor membranelor celulare terestre. Chiar și pe cont propriu, un lipozom poate crește, reproduce și ajuta anumite reacții chimice importante pentru viață, motiv pentru care unii biochimiști consideră că formarea de lipozomi ar putea fi primul pas către viață. În orice caz, formarea membranelor celulare trebuie să fie cu siguranță un pas timpuriu în apariția vieții pe Pământ.
Dacă pe Titan există o formă de viață, indiferent dacă este monstru de mare sau (mai probabil) microb, ar fi nevoie cu siguranță de o membrană celulară, așa cum face orice lucru viu de pe Pământ. S-ar putea să se formeze membranele fosfatului bicapa în metan lichid pe Titan? Raspunsul este nu. Spre deosebire de apă, molecula de metan are o distribuție uniformă a sarcinilor electrice. Îi lipsesc calitățile polare ale apei și, prin urmare, nu ar putea atrage capetele polare ale moleculei fosfolipide. Această atracție este necesară pentru ca fosfolipidele să formeze o membrană celulară în stilul Pământului.
Au fost efectuate experimente în care fosfolipidele sunt dizolvate în lichide nepolare la temperatura camerei pământene. În aceste condiții, fosfolipidele formează o membrană „în interior” din două straturi. Capetele polare ale moleculelor fosfolipide sunt în centru, atrase unele de altele de sarcinile lor electrice. Cozile nepolare se orientează spre exterior pe fiecare parte a membranei interioare, cu fața solventului nepolar.
Ar putea fi viața din Titan să aibă o membrană fosfolipidă din interior? Echipa Cornell a concluzionat că acest lucru nu va funcționa din două motive. Primul este că la temperaturile criogenice ale metanului lichid, cozile fosfolipidelor devin rigide, lipsind orice membrană din interior care ar putea forma flexibilitatea fluidului necesară vieții. Al doilea este că două ingrediente cheie ale fosfolipidelor; fosforul și oxigenul, sunt probabil indisponibile în lacurile de metan din Titan. În căutarea lor pentru membranele celulare Titanian, echipa Cornell a avut nevoie să sondeze dincolo de domeniul familiar al biologiei liceului.
Deși nu este compus din fosfolipide, oamenii de știință au motivat că orice membrană celulară din Titan ar fi totuși ca membranele fosfolipide din interior, create în laborator. Acesta ar fi format din molecule polare care se agață electric într-o soluție de metan lichid nepolar. Ce molecule ar putea fi acestea? Pentru răspunsuri, cercetătorii au analizat datele din nava spațială Cassini și din experimentele de laborator care reproduceau chimia atmosferei lui Titan.
Atmosfera lui Titan este cunoscută ca având o chimie foarte complexă. Este fabricat mai ales din azot și gaz metan. Când nava spațială Cassini și-a analizat compoziția folosind spectroscopie, a găsit urme ale unei varietăți de compuși de carbon, azot și hidrogen, numiți nitrili și amine. Cercetătorii au simulat chimia atmosferei Titan în laborator, expunând amestecuri de azot și metan la surse de energie care simulează lumina soarelui pe Titan. Se formează o tocană de molecule organice numite „tholins”. Este format din compuși de hidrogen și carbon, numiți hidrocarburi, precum și nitrili și amine.
Anchetatorii Cornell au văzut nitrilii și aminele ca potențiali candidați pentru membranele lor celulare din Titan. Ambele sunt molecule polare care s-ar putea lipi pentru a forma o membrană în metanul lichid nepolar datorită polarității grupărilor care conțin azot găsite în ambele. Ei au motivat că moleculele candidate trebuie să fie mult mai mici decât fosfolipidele, astfel încât să poată forma membrane fluide la temperaturile metanului lichid. Au considerat nitrili și amine care conțin șiruri între trei și șase atomi de carbon. Grupurile care conțin azot sunt numite grupuri de azot, astfel încât echipa a numit omologul lor ipotetic Titanian la lipozomul „azotosom”.
Sinteza azotosomilor pentru studiu experimental ar fi fost dificil și costisitor, deoarece experimentele ar trebui să fie efectuate la temperaturile criogenice ale metanului lichid. Dar, deoarece moleculele candidate au fost studiate pe larg din alte motive, cercetătorii Cornell s-au simțit îndreptățiți să apeleze la instrumentele chimiei computaționale pentru a determina dacă moleculele lor candidate ar putea coherea ca o membrană flexibilă în metan lichid. Modelele de calcul au fost utilizate cu succes pentru a studia membranele celulare fosfolipidice convenționale.
Simulările de calcul ale grupului au arătat că unele substanțe candidate ar putea fi excluse deoarece nu ar coerența ca membrană, ar fi prea rigide sau ar forma un solid. Cu toate acestea, simulările au arătat, de asemenea, că o serie de substanțe ar forma membrane cu proprietăți adecvate. O substanță adecvată este acrilonitrilul, pe care Cassini a arătat că este prezent în atmosfera lui Titan la 10 părți pe milion de concentrații. În ciuda diferenței imense de temperatură între azotozomi criogenici și lipozomi de temperatură a camerei, simulările le-au arătat că prezintă proprietăți ale stabilității și reacție la stres mecanic. Membranele celulare sunt apoi posibile pe viață în metan lichid.
Oamenii de știință de la Cornell își consideră descoperirile ca fiind doar un prim pas spre a arăta că viața în metan lichid este posibilă și spre dezvoltarea metodelor de care va trebui ca nava spațială viitoare să o caute pe Titan. Dacă viața este posibilă în metan lichid, implicațiile se extind, în cele din urmă, dincolo de Titan.
Atunci când caută condiții adecvate vieții în galaxie, astronomii caută de obicei exoplanete în zona locuibilă a unei stele, definită ca raza îngustă de distanțe peste care o planetă cu o atmosferă de tip Pământ ar avea o temperatură de suprafață potrivită pentru apa lichidă. Dacă viața cu metan este posibilă, atunci stelele ar avea și o zonă locuibilă cu metanul, o regiune în care metanul ar putea exista ca lichid pe o planetă sau lună, ceea ce face viața posibilă a metanului. Numărul de lumi locuibile din galaxie ar fi crescut foarte mult. Poate că, pe unele lumi, viața metanului evoluează spre forme complexe pe care abia ne putem imagina. Poate că unii dintre ei sunt chiar niște monștri de mare.
Referințe și lectură ulterioară:
N. Atkinson (2010) Viața extraterestră pe Titan? Agățați-vă doar un minut, revista Space.
N. Atkinson (2010) Viața pe Titan ar putea fi mirositoare și explozivă, revista Space.
M. L. Cable, S. M. Horst, R. Hodyss, P. Beauchamp, M. A. Smith, P. Willis, (2012) Titan tholins: Simularea chimiei organice Titan în epoca Cassini-Huygens, Chemical Review, 112: 1882-1909.
E. Howell (2014) Lacurile majore asemănătoare cu oglinda lui Titan vor intra sub analiza lui Cassini în această săptămână, revista Space.
J. Major (2013) Polul nord al Titanului este încărcat cu lacuri, Space Magazine.
C. P. McKay, H. D. Smith, (2005) Posibilități de viață metanogenă în metan lichid la suprafața Titanului, Icarus 178: 274-276.
J. Stevenson, J. Lunine, P. Clancy, (2015) Alternative de membrană în lumi fără oxigen: Crearea unui azotosom, Science Advances 1 (1): e1400067.
S. Oleson (2014) Submarinul Titan: Explorarea adâncimilor din Kraken, Centrul de Cercetări Glenn NASA, Comunicat de presă.
Cassini Solstice Mission, NASA Jet Propulsion Laboratory
NASA și ESA sărbătoresc 10 ani de la aterizarea Titanului, NASA 2015
