Vai varētu būt dzīvība uz Saturna lielā mēness Titāna? Jautājuma uzdošana liek astrobiologiem un ķīmiķiem rūpīgi un radoši domāt par dzīves ķīmiju un to, kā tā varētu būt atšķirīga citās pasaulēs, nekā tā ir uz Zemes. Februārī Kornela universitātes pētnieku grupa, kurā ietilpa ķīmijas inženierzinātņu absolvents Džeimss Stīvensons, planētu zinātnieks Jonathan Lunine un ķīmijas inženieris Paulette Clancy, publicēja novatorisku pētījumu, kurā apgalvoja, ka šūnu membrānas varētu veidoties eksotiskos ķīmiskajos apstākļos, kas atrodas uz šī ievērojamā mēness. .
Daudzos veidos Titāns ir Zemes dvīņums. Tas ir otrs lielākais mēness Saules sistēmā un lielāks nekā planēta Mercury. Tāpat kā Zemei, tajā ir ievērojama atmosfēra, un atmosfēras spiediens virs zemes ir nedaudz augstāks nekā Zemes. Bez zemeslodes Titāns ir vienīgais objekts mūsu Saules sistēmā, par kura virsmu ir uzkrājies šķidrums. NASA kosmosa zonde Cassini atklāja bagātīgus ezerus un pat upes Titāna polārajos reģionos. Lielākais ezers jeb jūra, ko sauc par Kraken Mare, ir lielāks nekā Zemes Kaspijas jūra. Pētnieki gan no kosmosa kuģu novērojumiem, gan laboratorijas eksperimentiem zina, ka Titāna atmosfēra ir bagāta ar sarežģītām organiskām molekulām, kas ir dzīves pamatelementi.
Visas šīs īpašības varētu likties tā, it kā Titāns būtu vilinoši piemērots dzīvei. Nosaukums “Kraken”, kas attiecas uz leģendāru jūras briesmoni, izdomāti atspoguļo astrobiologu dedzīgās cerības. Bet Titāns ir Zemes svešzemju dvīnis. Atrodoties gandrīz desmit reizes tālāk no saules nekā Zeme, tās virsmas temperatūra ir sasalusi –180 grādi pēc Celsija. Šķidrs ūdens ir dzīvībai būtisks, kā mēs to zinām, bet uz Titāna virsmas viss ūdens ir sasalts ciets. Ūdens ledus uzņemas to lomu, ko silīcija saturošie ieži veic uz Zemes, veidojot garozas ārējos slāņus.
Šķidrums, kas piepilda Titāna ezerus un upes, nav ūdens, bet gan šķidrais metāns, kas, iespējams, sajaukts ar citām vielām, piemēram, šķidro etānu, un tas viss ir uz Zemes esošās gāzes. Ja Titāna jūrās ir dzīvība, tā nav dzīve, kā mēs to zinām. Tai jābūt svešai dzīvības formai, organiskā molekulām šķidrā ūdens vietā izšķīdinot šķidrā metānā. Vai šāda lieta ir pat iespējama?
Kornellas komanda uzņēma vienu šī izaicinošā jautājuma galveno daļu, izpētot, vai šķidrā metānā var pastāvēt šūnu membrānas. Katra dzīvā šūna būtībā ir pašpietiekams ķīmisko reakciju tīkls, kas atrodas iesiešanas membrānās. Zinātnieki domā, ka šūnu membrānas parādījās ļoti agrīnā dzīves vēsturē uz Zemes, un to veidošanās varbūt pat bija pirmais solis dzīvības izcelšanās sākumā.
Šeit uz Zemes šūnu membrānas ir tikpat pazīstamas kā vidusskolas bioloģijas klase. Tie ir izgatavoti no lielām molekulām, ko sauc par fosfolipīdiem. Katrā fosfolipīdu molekulā ir “galva” un “aste”. Galva satur fosfātu grupu ar fosfora atomu, kas savienots ar vairākiem skābekļa atomiem. Aste sastāv no vienas vai vairākām oglekļa atomu virknēm, parasti 15 līdz 20 atomu garām, ar ūdeņraža atomiem savienotiem abās pusēs. Galvai, ņemot vērā tās fosfātu grupas negatīvo lādiņu, ir nevienmērīgs elektriskā lādiņa sadalījums, un mēs sakām, ka tā ir polāra. Aste, no otras puses, ir elektriski neitrāla.
Šīs elektriskās īpašības nosaka, kā fosfolipīdu molekulas izturēsies, kad tās izšķīdīs ūdenī. Elektriski runājot, ūdens ir polārā molekula. Elektronus ūdens molekulā stiprāk piesaista tā skābekļa atoms, nevis divi ūdeņraža atomi. Tātad molekulas pusei, kurā atrodas divi ūdeņraža atomi, ir neliels pozitīvs lādiņš, un skābekļa pusei ir neliels negatīvs lādiņš. Šīs ūdens polārās īpašības liek tai pievilināt fosfolipīdu molekulas, kas tiek uzskatīta par hidrofīlu, polāro galvu un atgrūž tās nepolāro asti, kura, domājams, ir hidrofobiska.
Kad fosfolipīdu molekulas izšķīdina ūdenī, abu vielu elektriskās īpašības darbojas kopā, lai fosfolipīdu molekulas organizētu sevi membrānā. Membrāna noslēdzas nelielā sfērā, ko sauc par liposomu. Fosfolipīdu molekulas veido divslāņu, divu biezu, molekulu. Polāro hidrofilu galvas ir vērstas uz āru gan pret membrānas iekšējo, gan ārējo virsmu. Hidrofobās astes ir novietotas viena otrai pretī. Kamēr fosfolipīdu molekulas paliek nemainīgas savā slānī, ar galvu vērstas uz āru un astes ir vērstas uz iekšu, tās joprojām var pārvietoties viena pret otru, piešķirot membrānai dzīvībai nepieciešamo šķidruma elastību.
Fosfolipīdu divslāņu membrānas ir visu sauszemes šūnu membrānu pamatā. Pat pati liposoma var augt, reproducēt un atbalstīt noteiktas dzīvībai svarīgas ķīmiskas reakcijas, tāpēc daži bioķīmiķi domā, ka liposomu veidošanās varētu būt bijis pirmais solis uz dzīvi. Jebkurā gadījumā šūnu membrānu veidošanai noteikti ir jābūt agrīnam dzīves parādīšanās solim uz Zemes.
Ja uz Titāna pastāv kāda dzīvības forma, neatkarīgi no tā, vai tas ir jūras briesmonis vai (visticamāk) mikrobs, tad gandrīz noteikti būs nepieciešama šūnu membrāna, tāpat kā katra dzīvā būtne uz Zemes. Vai uz Titāna šķidrā metānā varētu veidoties fosfolipīdu divslāņu membrānas? Atbilde ir nē. Atšķirībā no ūdens, metāna molekulā ir vienmērīgs elektrisko lādiņu sadalījums. Tam trūkst ūdens polāro īpašību, tāpēc tas nevarēja piesaistīt fosfolipīdu molekulas polārās galvas. Šī pievilcība ir nepieciešama, lai fosfolipīdi veidotu Zemes stila šūnu membrānu.
Ir veikti eksperimenti, kuros fosfolipīdi tiek izšķīdināti nepolāros šķidrumos Zemes istabas temperatūrā. Šajos apstākļos fosfolipīdi veido “no iekšpuses” divu slāņu membrānu. Fosfolipīdu molekulu polārās galvas atrodas centrā, kuras pievilina viens otrs ar to elektriskajiem lādiņiem. Nepolārās astes ir vērstas uz āru no katras iekšpuses membrānas puses, vērstas pret nepolāro šķīdinātāju.
Vai Titāna dzīvībai varētu būt fosfolipīdu membrāna no iekšpuses? Kornela komanda secināja, ka tas nedarbosies divu iemeslu dēļ. Pirmais ir tas, ka šķidrā metāna kriogēnajā temperatūrā fosfolipīdu astes kļūst neelastīgas, liedzot jebkurai iekšpusei membrānu, kas varētu radīt dzīvībai nepieciešamo šķidruma elastību. Otrais ir tas, ka divas galvenās fosfolipīdu sastāvdaļas; fosfors un skābeklis, iespējams, nav pieejami Titāna metāna ezeros. Meklējot Titāna šūnu membrānas, Kornellas komandai vajadzēja veikt pārbaudi ārpus pazīstamās vidusskolas bioloģijas jomas.
Lai arī tie nesastāv no fosfolipīdiem, zinātnieki sprieda, ka jebkura Titāna šūnu membrāna tomēr būs tāda pati kā laboratorijā izveidotās fosfolipīdu membrānas no iekšpuses. Tas sastāvētu no polārām molekulām, kas elektriski pieķeras nepolāra šķidra metāna šķīdumā. Kādas molekulas tās varētu būt? Lai saņemtu atbildes, pētnieki meklēja datus no kosmosa kuģa Cassini un laboratorijas eksperimentiem, kas reproducēja Titāna atmosfēras ķīmiju.
Titāna atmosfērā ir zināma ļoti sarežģīta ķīmija. Tas galvenokārt ir izgatavots no slāpekļa un metāna gāzes. Kad Cassini kosmosa kuģis analizēja tā sastāvu, izmantojot spektroskopiju, tas atrada pēdas dažādiem oglekļa, slāpekļa un ūdeņraža savienojumiem, ko sauc par nitriliem un amīniem. Pētnieki ir simulējuši Titāna atmosfēras ķīmiju laboratorijā, pakļaujot slāpekļa un metāna maisījumus enerģijas avotiem, kas imitē saules gaismu uz Titāna. Veidojas sautējums ar organiskām molekulām, ko sauc par “tholins”. Tas sastāv no ūdeņraža un oglekļa savienojumiem, ko sauc par ogļūdeņražiem, kā arī no nitriliem un amīniem.
Kornellas izmeklētāji redzēja nitrilus un amīnus kā potenciālos kandidātus viņu Titāna šūnu membrānām. Abas ir polāras molekulas, kuras varētu pielipt kopā, veidojot membrānu nepolārā šķidrā metānā, ņemot vērā abās tajās esošās slāpekļa saturošās grupas polaritāti. Viņi sprieda, ka kandidātu molekulām jābūt daudz mazākām par fosfolipīdiem, lai šķidrā metāna temperatūrā tās varētu veidot šķidruma membrānas. Viņi uzskatīja nitrilus un amīnus, kas satur virknes no trim līdz sešiem oglekļa atomiem. Slāpekli saturošas grupas tiek sauktas par “azoto” grupām, tāpēc komanda savu hipotētisko Titāna līdzinieku liposomām nosauca par “azotosomu”.
Azotosomu sintezēšana eksperimentālam pētījumam būtu bijusi sarežģīta un dārga, jo eksperimenti būtu jāveic šķidrā metāna kriogēnajā temperatūrā. Bet, tā kā kandidātu molekulas ir plaši izpētītas citu iemeslu dēļ, Kornellas pētnieki uzskatīja par pamatotu pievērsties skaitļošanas ķīmijas rīkiem, lai noteiktu, vai viņu kandidātu molekulas varētu salikt kā elastīgu membrānu šķidrā metānā. Skaitļošanas modeļi ir veiksmīgi izmantoti, lai izpētītu parasto fosfolipīdu šūnu membrānas.
Grupas aprēķinātās simulācijas parādīja, ka dažas kandidātvielas var izslēgt, jo tās nesaveidosies kā membrāna, būs pārāk stingras vai veidos cietas vielas. Neskatoties uz to, simulācijas arī parādīja, ka vairākas vielas veidos membrānas ar piemērotām īpašībām. Viena piemērota viela ir akrilnitrils, kas, kā parādīja Cassini, atrodas Titāna atmosfērā ar koncentrāciju 10 daļās uz miljonu. Neskatoties uz milzīgajām temperatūras atšķirībām starp kriogēniem azotozomiem un istabas temperatūras liposomām, simulācijas parādīja, ka tām piemīt pārsteidzoši līdzīgas stabilitātes un reakcijas uz mehānisko spriegumu īpašības. Šūnu membrānas ir iespējamas dzīvei šķidrā metānā.
Kornellas zinātnieki uzskata, ka šie atklājumi nav nekas cits kā pirmais solis, lai parādītu, ka dzīve šķidrā metānā ir iespējama, un izstrādājot metodes, kas topošajiem kosmosa kuģiem būs jāmeklē Titānā. Ja dzīve šķidrā metānā ir iespējama, tad sekas galu galā sniedzas tālu pāri Titānam.
Meklējot dzīvībai piemērotus apstākļus galaktikā, astronomi parasti meklē eksoplanetes zvaigznes apdzīvojamā zonā, kas tiek definēta kā šaurs attālumu diapazons, kuru pārsniedzot planētai ar Zemei līdzīgu atmosfēru būtu šķidruma ūdenim piemērota virsmas temperatūra. Ja ir iespējama metāna dzīve, tad zvaigznēm būtu arī metāna apdzīvojamā zona - reģions, kurā metāns varētu pastāvēt kā šķidrums uz planētas vai mēness, padarot metāna dzīvi iespējamu. Apdzīvojamo pasauļu skaits galaktikā tiktu ievērojami palielināts. Varbūt dažās pasaulēs metāna dzīve pārvēršas sarežģītās formās, kuras mēs tik tikko varam iedomāties. Varbūt daži no viņiem pat mazliet atgādina jūras briesmoņus.
Atsauces un turpmākā lasīšana:
N. Atkinsons (2010) Svešā dzīve uz Titāna? Pakavējieties tikai Minūte, kosmosa žurnālā.
N. Atkinsons (2010) Dzīve uz Titāna varētu būt smirdoša un eksplozīva, žurnāls Space.
M. L. Kabelis, S. M. Hērsts, R. Hodžss, P. Beauhamps, M. A. Smits, P. Viliss, (2012) Titāna toli: Titāna organiskās ķīmijas imitēšana Kasīni-Hīgena laikmetā, Chemical Reviews, 112: 1882-1909.
E. Hovela (2014) Titāna majestātiskie spoguļveidīgie ezeri šonedēļ nonāks Cassini pārbaudē, žurnāls Space.
J. Majors (2013) Titāna ziemeļpols ir piekrauts ezeriem, žurnāls Space.
C. P. McKay, H. D. Smith, (2005) Metaanogēnās dzīves iespējas šķidrā metānā uz Titāna virsmas, Icarus 178: 274–276.
J. Stīvensons, J. Lunine, P. Clancy, (2015) Membrānas alternatīvas pasaulēs bez skābekļa: Azotosomas izveidošana, Science Advances 1 (1): e1400067.
S. Olesona (2014) zemūdene Titan: Krakenas dziļuma izpēte, NASA Glenn Research Center, presei.
Cassini Saulgriežu misija, NASA reaktīvo dzinēju laboratorija
NASA un ESA svin 10 gadus kopš Titāna nosēšanās, NASA 2015
