Voisiko Saturnuksen suurella kuu-Titanilla olla elämää? Kysymyksen esittäminen pakottaa astrobiologit ja kemit ajattelemaan huolellisesti ja luovasti elämän kemiaa ja sitä, miten se voi olla erilainen muissa maailmoissa kuin se on maan päällä. Helmikuussa Cornellin yliopiston tutkijaryhmä, mukaan lukien kemian tekniikan jatko-opiskelija James Stevenson, planeettatutkija Jonathan Lunine ja kemian insinööri Paulette Clancy, julkaisi uranuurtavan tutkimuksen, jonka mukaan solumembraanit voisivat muodostua eksoottisissa kemiallisissa olosuhteissa tällä merkittävällä kuulla. .
Titan on monella tapaa Maan kaksos. Se on aurinkojärjestelmän toiseksi suurin kuu ja isompi kuin elohopea planeetta. Kuten maapallollakin, sillä on huomattava ilmapiiri, ilmanpinnan pinta-ala on hiukan korkeampi kuin Maan. Maan lisäksi Titan on aurinkokuntamme ainoa esine, jonka tiedetään olevan kertynyt nestettä sen pinnalle. NASA: n Cassini-avaruuskoetin löysi runsaasti järviä ja jopa jokia Titanin napa-alueilla. Suurin järvi tai meri, nimeltään Kraken Mare, on suurempi kuin maan Kaspianmeri. Tutkijat tietävät sekä avaruusalusten havainnoista että laboratoriokokeista, että Titanin ilmakehässä on runsaasti monimutkaisia orgaanisia molekyylejä, jotka ovat elämän rakennuspalikoita.
Kaikkien näiden ominaisuuksien vuoksi saattaa tuntua siltä, että Titan sopisi houkuttelevasti elämään. Nimi 'Kraken', joka viittaa legendaariseen merihirviöön, kuvastaa kuvitteellisesti astrobiologien innokkaita toiveita. Mutta Titan on maan muukalainen kaksos. Koska pinta on melkein kymmenen kertaa auringosta kauempana kuin Maa on, sen pintalämpötila on jäykkä -180 astetta. Nestemäinen vesi on elintärkeää elämälle sellaisena kuin me sen tiedämme, mutta Titanin pinnalla kaikki vesi on jäädytetty kiinteänä. Vesijää ottaa piin sisältävän kivin roolin maan päällä ja muodostaa kuoren ulkokerrokset.
Titanin järviä ja jokia täyttävä neste ei ole vettä, vaan nestemäistä metaania, joka on todennäköisesti sekoitettu muiden aineiden, kuten nestemäisen etaanin, kanssa, jotka kaikki ovat kaasuja täällä maan päällä. Jos Titanin merillä on elämää, se ei ole elämää sellaisena kuin me sen tiedämme. Sen on oltava vieras elämänmuoto, orgaaniset molekyylit liuenneina nestemäiseen metaaniin nestemäisen veden sijasta. Onko tällainen asia jopa mahdollista?
Cornell-ryhmä otti huomioon yhden keskeisen osan tästä haastavasta kysymyksestä tutkimalla, voivatko solumembraanit esiintyä nestemäisessä metaanissa. Jokainen elävä solu on olennaisesti itse ylläpitävä kemiallisten reaktioiden verkko, joka sisältyy sitoutuviin kalvoihin. Tutkijoiden mielestä solukalvot syntyivät hyvin varhaisessa vaiheessa maapallon elämähistoriassa ja niiden muodostuminen saattoi olla jopa ensimmäinen askel elämän alkuperässä.
Täällä maan päällä solukalvot ovat yhtä tuttuja kuin lukion biologian luokka. Ne on valmistettu suurista molekyyleistä, joita kutsutaan fosfolipideiksi. Jokaisella fosfolipidimolekyylillä on 'pää' ja 'häntä'. Pää sisältää fosfaattiryhmän, jossa fosforiatomi on kytketty useisiin happiatomeihin. Häntä koostuu yhdestä tai useammasta hiiliatomijonosta, tyypillisesti 15 - 20 atomin pituisesta, vetyatomeista kytkettyinä molemmille puolille. Päässä on sen fosfaattiryhmän negatiivisen varauksen vuoksi sähkövarauksen jakauma epätasaisesti, ja sanomme, että se on napainen. Häntä puolestaan on sähköisesti neutraali.
Nämä sähköiset ominaisuudet määrittävät kuinka fosfolipidimolekyylit käyttäytyvät, kun ne liuotetaan veteen. Sähköisesti ottaen vesi on polaarinen molekyyli. Vesimolekyylin elektronit vetoavat voimakkaammin sen happiatomiin kuin sen kahteen vetyatomiin. Joten molekyylin sillä puolella, jossa kaksi vetyatomia ovat, on pieni positiivinen varaus ja happipuolella on pieni negatiivinen varaus. Nämä veden polaariset ominaisuudet saavat sen vetämään fosfolipidimolekyylin, jonka sanotaan olevan hydrofiilistä, polaarisen pään ja torjumaan sen polaarisen hännän, jonka sanotaan olevan hydrofobista.
Kun fosfolipidimolekyylit liuotetaan veteen, näiden kahden aineen sähköiset ominaisuudet toimivat yhdessä aiheuttaen fosfolipidimolekyylien organisoitumisen membraaniksi. Kalvo sulkeutuu itsestään pieneen palloon, jota kutsutaan liposomiksi. Fosfolipidimolekyylit muodostavat kaksikerroksisen, molekyylin paksuisen. Polaariset hydrofiiliset päät osoittavat ulospäin kohti vettä sekä kalvon sisä- että ulkopinnalla. Hydrofobiset hännät on asetettu toisiinsa päin. Vaikka fosfolipidimolekyylit pysyvät kiinni kerroksessaan, päänsä osoittaen ulospäin ja hännänsä sisäänpäin, ne voivat silti liikkua toistensa suhteen, antaen kalvolle nesteen joustavuuden, jota elämä tarvitsee.
Fosfolipidien kaksikerroksiset kalvot ovat kaikkien maanpäällisten solukalvojen perusta. Jo yksinään liposomi voi kasvaa, lisääntyä ja auttaa tiettyjä elämän kannalta tärkeitä kemiallisia reaktioita, minkä vuoksi jotkut biokeemit ajattelevat, että liposomien muodostuminen saattoi olla ensimmäinen askel kohti elämää. Joka tapauksessa solukalvojen muodostumisen on varmasti oltava varhainen askel elämän ilmaantuessa maan päälle.
Jos Titanilla on jonkinlainen elämän muoto, oli se sitten merihirviö tai (todennäköisemmin) mikrobe, siinä tarvitsisi melkein varmasti solumembraani, aivan kuten jokaisella maapallon elävällä esineellä. Voisiko fosfolipidi kaksikerroksiset membraanit muodostua nestemäisessä metaanissa Titanilla? Vastaus on ei. Toisin kuin vettä, metaanimolekyylillä on tasainen jakauma sähkövarauksia. Sillä ei ole veden polaarisia ominaisuuksia, joten fosfolipidimolekyylin polaariset päät eivät voineet houkutella sitä. Tätä vetovoimaa tarvitaan, jotta fosfolipidit muodostavat maapallon tyyppisen solukalvon.
Kokeita on suoritettu, joissa fosfolipidit liuotetaan ei-polaarisiin nesteisiin maallisessa huoneenlämpötilassa. Näissä olosuhteissa fosfolipidit muodostavat 'sisäpuolelta' kaksikerroksisen kalvon. Fosfolipidimolekyylien polaariset päät ovat keskellä, ja niiden sähkövaraukset vetoavat toisiinsa. Ei-polaariset hännät osoittavat ulospäin kalvon molemmin puolin, kohti ei-polaarista liuotinta.
Voisiko Titanian elämässä olla fosfolipidikalvo sisäpuolella? Cornell-tiimi päätteli, että tämä ei toimisi kahdesta syystä. Ensimmäinen on se, että nestemäisen metaanin kryogeenisissä lämpötiloissa fosfolipidien pyrstöt muuttuvat jäykiksi, poistaen minkä tahansa sisäpuolelta tulevan kalvon, joka voi muodostaa elämän vaatiman nestejoustavuuden. Toinen on se, että kaksi tärkeätä ainesosaa fosfolipidejä; fosforia ja happea, ei todennäköisesti ole saatavana Titanin metaanijärveihin. Etsiessään Titanian-solumembraaneja, Cornell-tiimin piti koettaa lukion biologian tutun valtakunnan ulkopuolelle.
Vaikka tutkijat eivät koostu fosfolipideistä, tutkijat päättivät, että mikä tahansa Titanian-solumembraani olisi silti kuin laboratoriossa luodut fosfolipidikalvot. Se koostuisi polaarisista molekyyleistä, jotka takertuvat yhteen sähköisesti ei-polaarisen nestemäisen metaaniliuoksen kanssa. Mitkä molekyylit voivat olla? Vastauksia varten tutkijat hakivat tietoja Cassini-avaruusaluksesta ja laboratoriokokeista, jotka toistivat Titanin ilmakehän kemiaa.
Titanin ilmakehässä tiedetään olevan erittäin monimutkainen kemia. Se on valmistettu pääasiassa typestä ja metaanikaasusta. Kun Cassini-avaruusalus analysoi koostumustaan spektroskopialla, se löysi jälkiä monista hiili-, typpi- ja vetyyhdisteistä, nimeltään nitriileiksi ja amiineiksi. Tutkijat ovat simuloineet Titanin ilmakehän kemiaa laboratoriossa altistamalla typen ja metaanin seokset energialähteille, jotka simuloivat Titanin auringonvaloa. Muodostuu orgaanisten molekyylien muhennos, nimeltään “koliinit”. Se koostuu vedyn ja hiilen yhdisteistä, joita kutsutaan hiilivedyiksi, sekä nitriileistä ja amiineista.
Cornellin tutkijat näkivät nitriilit ja amiinit potentiaalisina ehdokkaina Titanian-solumembraaneilleen. Molemmat ovat polaarisia molekyylejä, jotka saattavat tarttua yhteen muodostaen kalvon ei-polaariseen nestemäiseen metaaniin molemmissa löydettyjen typpeä sisältävien ryhmien polaarisuuden takia. He perustelivat, että ehdokasmolekyylien on oltava paljon pienempiä kuin fosfolipidit, jotta ne voisivat muodostaa nestemäisiä kalvoja nestemäisen metaanin lämpötiloissa. He harkitsivat nitriilejä ja amiineja, jotka sisälsivät kolmesta kuuteen hiiliatomia. Typpeä sisältäviä ryhmiä kutsutaan atsoto-ryhmiksi, joten ryhmä nimitti hypoteettisen Titanian vastineen liposomille atsotosomiksi.
Atsotosomien syntetisointi kokeelliseen tutkimukseen olisi ollut vaikeaa ja kallista, koska kokeet olisi pitänyt suorittaa nestemäisen metaanin kryogeenisissä lämpötiloissa. Mutta koska ehdokasmolekyylejä on tutkittu laajasti muista syistä, Cornellin tutkijat pitivät perusteltuna kääntyessään laskennallisen kemian työkaluihin selvittääkseen, pystyisivätkö ehdokasmolekyylit toimimaan joustavana membraanina nestemäisessä metaanissa. Laskennallisia malleja on käytetty onnistuneesti tavanomaisten fosfolipidisolumembraanien tutkimiseen.
Ryhmän laskennalliset simulaatiot osoittivat, että jotkut ehdokasaineet voidaan sulkea pois, koska ne eivät ole kovettuneet kalvona, ovat liian jäykkiä tai muodostavat kiinteän aineen. Siitä huolimatta simulaatiot osoittivat myös, että joukko aineita muodostaisi kalvoja, joilla on sopivat ominaisuudet. Yksi sopiva aine on akryylinitriili, jonka Cassini osoitti olevan Titanin ilmakehässä pitoisuutena miljoona osaa miljoonaan. Huolimatta valtavista lämpötilaeroista kryogeenisten atsotoomien ja huoneenlämmön liposomien välillä, simulaatiot osoittivat niiden osoittavan hämmästyttävän samanlaisia ominaisuuksia stabiiliudella ja vasteella mekaaniselle rasitukselle. Solumembraanit ovat silloin mahdollisia elinaikana nestemäisessä metaanissa.
Cornellin tutkijat katsovat havaintonsa olevan vain ensimmäinen askel kohti osoittaa, että elämä nestemäisessä metaanissa on mahdollista, ja kehittää menetelmiä, joita tulevat avaruusalukset tarvitsevat etsiäkseen sitä Titanilta. Jos nestemäisen metaanin elämä on mahdollista, vaikutukset ulottuvat lopulta kaukana Titanista.
Etsiessään galaksissa elämistä varten soveltuvia olosuhteita, tähtitieteilijät etsivät tyypillisesti eksoplaneettoja tähden asuttavalta vyöhykkeeltä, joka määritellään kapeana etäisyysalueena, jonka läpi maapallon omaavalla planeetalla olisi nestemäiseen veteen sopiva pintalämpötila. Jos metaani-elämä on mahdollista, tähtillä olisi myös metaaniin asuttava vyöhyke, alue, jolla metaania voisi olla nesteenä planeetalla tai kuulla, mikä mahdollistaisi metaanin elämän. Asuttavien maailmojen määrä galaksissa kasvaa huomattavasti. Ehkä joissain maailmoissa metaanielu muuttuu monimutkaisiksi muodoiksi, joita tuskin osaamme kuvitellakaan. Ehkä jotkut heistä ovat jopa vähän kuin meri hirviöitä.
Viitteet ja lisälukemat:
N. Atkinson (2010) Alien Life on Titan? Odota vain minuutti, Space Magazine.
N. Atkinson (2010) Elämä Titanilla voisi olla haiseva ja räjähtävä, Space Magazine.
M. L. Cable, S. M. Horst, R. Hodyss, P. Beauchamp, M. A. Smith, P. Willis, (2012) Titan tholins: Titan orgaanisen kemian simulointi Cassini-Huygens-aikakaudella, Chemical Reviews, 112: 1882-1909.
E. Howell (2014) Titanin majesteettiset peilimaiset järvet tulevat Cassinin tutkimuksen alla tällä viikolla, Space Magazine.
J. Major (2013) Titanin pohjoisnapa on täynnä järviä, Space Magazine.
C. P. McKay, H. D. Smith, (2005) Metanogeenisen elämän mahdollisuudet nestemäisessä metaanissa Titanin pinnalla, Icarus 178: 274 - 276.
J. Stevenson, J. Lunine, P. Clancy, (2015) Kalvovaihtoehdot maailmoissa, joissa ei ole happea: Atsotosomin luominen, Science Advances 1 (1): e1400067.
S. Oleson (2014) Titan-sukellusvene: Krakenin syvyyksien tutkiminen, NASA Glenn Research Center, lehdistötiedote.
Cassini Solstice -operaatio, NASA: n suihkukäyttölaboratorio
NASA ja ESA juhlivat 10 vuotta Titanin laskeutumisesta, NASA 2015
