Kunne der være liv på Saturns store måne Titan? At stille spørgsmålet tvinger astrobiologer og kemikere til at tænke omhyggeligt og kreativt om livets kemi, og hvordan det kan være anderledes på andre verdener end det er på Jorden. I februar offentliggjorde et team af forskere fra Cornell University, herunder kandidatstuderende inden for kemiteknik James Stevenson, planetvidenskabsmand Jonathan Lunine og kemikalieingeniør Paulette Clancy, en banebrydende undersøgelse, der argumenterede for, at cellemembraner kunne dannes under de eksotiske kemiske forhold, der var til stede på denne bemærkelsesværdige måne .
På mange måder er Titan Jordens tvilling. Det er den næststørste måne i solsystemet og større end planeten Merkur. Ligesom Jorden har den en betydelig atmosfære med et overfladestemningstryk, der er lidt højere end Jords. Udover Jorden er Titan det eneste objekt i vores solsystem, der vides at have akkumulering af væske på dens overflade. NASAs Cassini-rumsonde opdagede rigelige søer og endda floder i Titans polære regioner. Den største sø eller hav, kaldet Kraken Mare, er større end Jordens Kaspiske Hav. Forskere ved fra både rumfartsobservationer og laboratorieeksperimenter, at Titans atmosfære er rig på komplekse organiske molekyler, som er livets byggesten.
Alle disse funktioner kan få det til at virke som om Titan er fristende egnet til livet. Navnet 'Kraken', der henviser til et legendarisk havmonster, afspejler fantasifuldt astrobiologers ivrige forhåbninger. Men Titan er Jordens fremmed tvilling. Når den befinder sig næsten ti gange længere væk fra solen end Jorden, er dens overfladetemperatur -180 grader celsius. Flydende vand er vigtigt for livet, som vi kender det, men på Titans overflade er alt vand frosset fast. Vandis påtager sig den rolle, siliciumholdig sten udfører på Jorden, hvilket udgør de ydre lag af skorpen.
Væsken, der fylder Titans søer og floder, er ikke vand, men flydende methan, sandsynligvis blandet med andre stoffer som flydende etan, som alle er gasser her på Jorden. Hvis der er liv i Titans have, er det ikke liv, som vi kender det. Det skal være en fremmed livsform med organiske molekyler opløst i flydende metan i stedet for flydende vand. Er sådan noget endda muligt?
Cornell-teamet tog en nøgledel af dette udfordrende spørgsmål op ved at undersøge, om cellemembraner kan findes i flydende metan. Hver levende celle er i det væsentlige et selvbærende netværk af kemiske reaktioner indeholdt i afgrænsende membraner. Forskere mener, at cellemembraner opstod meget tidligt i livets historie på Jorden, og deres dannelse kunne endda have været det første skridt i livets oprindelse.
Her på Jorden er cellemembraner lige så velkendte som gymnasiets biologiklasse. De er lavet af store molekyler kaldet phospholipider. Hvert phospholipidmolekyle har et 'hoved' og en 'hale'. Hovedet indeholder en fosfatgruppe med et fosforatom bundet til flere oxygenatomer. Halen består af en eller flere strenge af carbonatomer, typisk 15 til 20 atomer lange, med hydrogenatomer forbundet på hver side. Hovedet har på grund af den negative ladning af dets fosfatgruppe en ulig fordeling af elektrisk ladning, og vi siger, at det er polært. Halen er på den anden side elektrisk neutral.
Disse elektriske egenskaber bestemmer, hvordan phospholipidmolekyler vil opføre sig, når de opløses i vand. Elektrisk set er vand et polært molekyle. Elektronerne i vandmolekylet tiltrækkes stærkere af dets oxygenatom end dets to hydrogenatomer. Så siden af molekylet, hvor de to hydrogenatomer er, har en svag positiv ladning, og iltsiden har en lille negativ ladning. Disse polære egenskaber ved vand får det til at tiltrække det polære hoved af phospholipidmolekylet, som siges at være hydrofilt, og frastøtter dets ikke-polære hale, som siges at være hydrofob.
Når phospholipidmolekyler opløses i vand, fungerer de to stoffers elektriske egenskaber sammen for at få phospholipidmolekylerne til at organisere sig i en membran. Membranen lukkes på sig selv i en lille kugle, der kaldes et liposom. Fosfolipidmolekylerne danner et dobbeltlag med to tykke molekyler. De polære hydrofile hoveder vender udad mod vandet på både den indre og ydre overflade af membranen. De hydrofobe haler er klemt ind imod hinanden. Mens phospholipidmolekylerne forbliver faste i deres lag, med deres hoveder vendt ud og deres haler vendt ind, kan de stadig bevæge sig rundt i forhold til hinanden, hvilket giver membranen den fluid fleksibilitet, der er nødvendig for livet.
Phospholipid dobbeltlagsmembraner er grundlaget for alle terrestriske cellemembraner. Selv på egen hånd kan et liposom vokse, reproducere og hjælpe med visse kemiske reaktioner, der er vigtige for livet, hvorfor nogle biokemikere mener, at dannelsen af liposomer måske har været det første skridt i retning af livet. Under alle omstændigheder skal dannelsen af cellemembraner helt sikkert være et tidligt skridt i livets fremkomst på Jorden.
Hvis der findes en form for liv på Titan, hvad enten det er havmonster eller (mere sandsynligt) mikrobe, ville det næsten helt sikkert have brug for en cellemembran, ligesom enhver levende ting på Jorden gør. Kunne der dannes phospholipid dobbeltlagsmembraner i flydende metan på Titan? Svaret er nej. I modsætning til vand har methanmolekylet en jævn fordeling af elektriske ladninger. Det mangler vandets polære kvaliteter, og kunne derfor ikke tiltrække de polære hoveder af phospholipidmolekyl. Denne tiltrækning er nødvendig for, at phospholipiderne danner en jordformet cellemembran.
Der er udført eksperimenter, hvor phospholipider opløses i ikke-polære væsker ved jordisk stuetemperatur. Under disse betingelser danner phospholipider en 'indvendig-ud' to-lags membran. De polære hoveder på phospholipidmolekylerne er i centrum, tiltrukket af hinanden af deres elektriske ladninger. De ikke-polære haler vender udad på hver side af den indvendige udvendige membran og vender mod det ikke-polære opløsningsmiddel.
Kunne Titanian-livet have en indvendig og udvendig phospholipidmembran? Cornell-teamet konkluderede, at dette ikke ville fungere af to grunde. Den første er, at ved de kryogene temperaturer af flydende methan bliver halerne af phospholipider stive, hvilket fratager enhver indvendig og udvendig membran, der kan danne den væskefleksibilitet, der er nødvendig for livet. Den anden er, at to nøgleingredienser i phospholipider; fosfor og ilt er sandsynligvis ikke tilgængelige i metansøerne i Titan. I deres søgning efter titaniske cellemembraner havde Cornell-teamet behov for at undersøge den kendte verden inden for gymnasiets biologi.
Selvom de ikke er sammensat af phospholipider, begrundede forskerne, at enhver Titanian-cellemembran ikke desto mindre ville være som de indvendige og udvendige phospholipidmembraner, der blev oprettet i laboratoriet. Det vil bestå af polære molekyler, der hænger sammen elektrisk i en opløsning af ikke-polær flydende methan. Hvilke molekyler kan de være? Til svar kiggede forskerne på data fra Cassini-rumfartøjet og fra laboratorieeksperimenter, der gengiver Titans kemi.
Titans atmosfære er kendt for at have en meget kompleks kemi. Det er for det meste lavet af nitrogen og metangas. Da Cassini-rumfartøjet analyserede dets sammensætning ved hjælp af spektroskopi fandt det spor af en række forskellige forbindelser af kulstof, nitrogen og brint, kaldet nitriler og aminer. Forskere har simuleret kemien i Titans atmosfære i laboratoriet ved at udsætte blandinger af nitrogen og metan for energikilder, der simulerer sollys på Titan. Der dannes en gryderet af organiske molekyler kaldet 'tholiner'. Det består af forbindelser af brint og kulstof, kaldet kulbrinter, samt nitriler og aminer.
Cornell-efterforskerne så nitriler og aminer som potentielle kandidater til deres titaniske cellemembraner. Begge er polære molekyler, der muligvis klæber sammen for at danne en membran i ikke-polær flydende metan på grund af polariteten af nitrogenholdige grupper, der findes i begge. De begrundede, at kandidatmolekyler skal være meget mindre end phospholipider, så de kunne danne flydende membraner ved flydende metantemperaturer. De betragtede nitriler og aminer indeholdende strenge med mellem tre og seks carbonatomer. Nitrogenholdige grupper kaldes 'azoto' -grupper, så holdet udpegede deres hypotetiske titaniske modstykke til liposomet 'azotosom'.
Syntese af azotosomer til eksperimentel undersøgelse ville have været vanskeligt og dyrt, fordi eksperimenterne skulle udføres ved de kryogene temperaturer af flydende methan. Men da kandidatmolekylerne er blevet undersøgt omfattende af andre grunde, følte Cornell-forskerne sig retfærdiggjort ved at henvende sig til værktøjerne i computerkemien for at bestemme, om deres kandidatmolekyler kunne koheres som en fleksibel membran i flydende metan. Beregningsmodeller er blevet brugt med succes til at studere konventionelle phospholipidcellemembraner.
Gruppens beregningssimuleringer viste, at nogle kandidatstoffer kunne udelukkes, fordi de ikke ville koheres sammen som en membran, ville være for stive eller ville danne et fast stof. Ikke desto mindre viste simuleringerne også, at et antal stoffer ville danne membraner med passende egenskaber. Et egnet stof er acrylonitril, som Cassini viste, er til stede i Titans atmosfære med 10 dele pr. Million koncentration. På trods af den enorme forskel i temperatur mellem kryogene azotozomer og stuetemperatur-liposomer, viste simuleringerne dem at udvise slående lignende egenskaber ved stabilitet og respons på mekanisk stress. Cellemembraner er derefter mulige for liv i flydende methan.
Forskerne fra Cornell betragter deres fund som intet andet end et første skridt i retning af at vise, at liv i flydende metan er muligt, og mod at udvikle de metoder, som fremtidens rumfartøj skal bruge til at søge efter det på Titan. Hvis der er liv i flydende metan, strækker implikationerne i sidste ende langt ud over Titan.
Når man søger forhold, der er egnede til liv i galaksen, søger astronomer typisk efter eksoplaneter inden for en stjernes beboelige zone, defineret som det smalle interval af afstande, over hvilke en planet med en jordlignende atmosfære vil have en overfladetemperatur, der er egnet til flydende vand. Hvis metanliv er muligt, ville stjerner også have en beboelig zone i metan, et område, hvor metan kunne eksistere som en væske på en planet eller en måne, hvilket muliggør metanliv. Antallet af beboelige verdener i galaksen ville øges meget. Måske på nogle verdener udvikler metanlivet sig til komplekse former, som vi næppe kan forestille os. Måske er nogle af dem endda lidt som havmonstre.
Referencer og yderligere læsning:
N. Atkinson (2010) Alien Life on Titan? Hæng på bare et minut, Space Magazine.
N. Atkinson (2010) Livet på Titan kunne være ildelugtende og eksplosivt, Space Magazine.
M. L. Cable, S. M. Horst, R. Hodyss, P. Beauchamp, M. A. Smith, P. Willis, (2012) Titan-tholiner: Simulering af Titan organisk kemi i Cassini-Huygens-tiden, Chemical Reviews, 112: 1882-1909.
E. Howell (2014) Titans majestætiske spejllignende søer vil komme under Cassinis undersøgelse denne uge, Space Magazine.
J. Major (2013) Titans nordpol er indlæst med søer, Space Magazine.
C. P. McKay, H. D. Smith, (2005) Muligheder for metanogent liv i flydende metan på overfladen af Titan, Icarus 178: 274-276.
J. Stevenson, J. Lunine, P. Clancy, (2015) Membranalternativer i verdener uden ilt: Oprettelse af et azotosom, Science Advances 1 (1): e1400067.
S. Oleson (2014) Titan-ubåd: Udforske dybden i Kraken, NASA Glenn Research Center, pressemeddelelse.
Cassini Solstice Mission, NASA Jet Propulsion Laboratory
NASA og ESA fejrer 10 år siden Titan landede, NASA 2015
