האם יתכן שיש חיים בטיטאן של הירח הגדול של שבתאי? שאלת השאלה מאלצת את האסטרוביולוגים והכימאים לחשוב בזהירות ויצירתית על הכימיה של החיים, וכיצד היא עשויה להיות שונה בעולמות אחרים מאשר בכדור הארץ. בפברואר פרסם צוות חוקרים מאוניברסיטת קורנל, כולל סטודנט לתואר שני בהנדסה כימית ג'יימס סטיבנסון, מדען הפלנטה ג'ונתן לונין, והמהנדס הכימי פאולט קלנסי, מחקר חלוצי וטען כי קרומי תאים עשויים להיווצר בתנאים כימיים אקזוטיים שנמצאים בירח מדהים זה. .
במובנים רבים, טיטאן הוא התאום של כדור הארץ. זהו הירח השני בגודלו במערכת השמש וגדול מכוכב הלכת מרקורי. בדומה לכדור הארץ, יש לו אווירה משמעותית, עם לחץ אטמוספרי פני השטח מעט גבוה יותר מכדור הארץ. מלבד כדור הארץ, טיטאן הוא האובייקט היחיד במערכת השמש שלנו שידוע שיש לו הצטברות נוזלים על פני השטח. בדיקת החלל קאסיני של נאס"א גילתה אגמים בשפע ואפילו נהרות באזורים הקוטביים של טיטאן. האגם הגדול ביותר, או הים, הקרוי קראקנה מארה, גדול יותר מהים הכספי של כדור הארץ. חוקרים יודעים משתי תצפיות חלליות והן מניסויים במעבדה כי האווירה של טיטאן עשירה במולקולות אורגניות מורכבות, המהוות אבני הבניין של החיים.
כל התכונות הללו עשויות לגרום לזה להיראות כאילו טיטאן מתאים לאנשים לכל החיים. השם 'קראקן', המתייחס למפלצת ים אגדית, משקף בצורה דמיונית את תקוותיהם הלהטות של האסטרוביולוגים. אבל, טיטאן הוא התאום הזר של כדור הארץ. במרחק של פי עשרה רחוק יותר מהשמש מכדור הארץ, טמפרטורת פני השטח שלה היא -180 מעלות צלזיוס. מים נוזליים חיוניים לחיים כפי שאנו מכירים אותם, אך על פני השטח של טיטאן כל המים קפואים. קרח המים מקבל את התפקיד שהסלע המכיל סיליקון ממלא על כדור הארץ, מהווה את השכבות החיצוניות של הקרום.
הנוזל שממלא את האגמים והנהרות של טיטאן הוא לא מים, אלא מתאן נוזלי, כנראה מעורבב עם חומרים אחרים כמו אתאן נוזלי, שכולם גזים כאן על פני כדור הארץ. אם יש חיים בים של טיטאן, הם אינם חיים כפי שאנו מכירים אותם. זה חייב להיות צורת חיים זרה, עם מולקולות אורגניות מומסות במתאן נוזלי במקום במים נוזליים. האם דבר כזה אפילו אפשרי?
צוות קורנל לקח חלק מרכזי בשאלה מאתגרת זו על ידי בירור האם קרומי תאים יכולים להתקיים במתאן נוזלי. כל תא חי הוא, בעצם, רשת תומכת-עצמית של תגובות כימיות, הכלולה בקרומים הגובלים. מדענים חושבים שממברנות תאים הופיעו בשלב מוקדם מאוד של ההיסטוריה של החיים על כדור הארץ, והיווצרותם אולי אפילו הייתה הצעד הראשון במוצא החיים.
כאן על כדור הארץ, קרומי התא מוכרים לא פחות משיעור הביולוגיה בתיכון. הם עשויים ממולקולות גדולות הנקראות פוספוליפידים. לכל מולקולת פוספוליפיד יש 'ראש' ו'זנב '. הראש מכיל קבוצת פוספטים, עם אטום זרחן המקושר למספר אטומי חמצן. הזנב מורכב ממיתר אחד או יותר של אטומי פחמן, בדרך כלל 15 עד 20 אטומים, עם אטומי מימן צמודים מכל צד. לראש, בגלל המטען השלילי של קבוצת הפוספטים שלו, יש חלוקה לא שוויונית של המטען החשמלי, ואנחנו אומרים שהוא קוטבי. הזנב, לעומת זאת, ניטרלי חשמלי.
תכונות חשמליות אלה קובעות כיצד מולקולות פוספוליפיד יתנהגו כאשר הן מומסות במים. מבחינה חשמלית, מים הם מולקולה קוטבית. האלקטרונים במולקולת המים נמשכים חזק יותר לאטום החמצן שלו מאשר לשני אטומי המימן. אז, לצד המולקולה בה שני אטומי המימן יש מטען חיובי קל, ולצד החמצן יש מטען שלילי קטן. תכונות קוטביות אלה של מים גורמות להם למשוך את ראש הקוטב של מולקולת הפוספוליפידים, האמורה כי היא הידרופילית, ולהדוף את זנבה הלא קוטבי, האמור שהוא הידרופובי.
כאשר מולקולות פוספוליפיד מומסות במים, התכונות החשמליות של שני החומרים פועלות יחד כדי לגרום למולקולות הפוספוליפיד להתארגן לממברנה. הממברנה נסגרת על עצמה לתחום קטן שנקרא ליפוזום. מולקולות הפוספוליפיד יוצרות דו שכבתי דו מולקולות בעובי. הראשים ההידרופיליים הקוטביים פונים כלפי חוץ לכיוון המים על פני השטח הפנימיים והחיצוניים של הממברנה. הזנבות ההידרופוביים דבוקים זה בזה, זה מול זה. בעוד שמולקולות הפוספוליפיד נשארות קבועות בשכבה שלהן, כשראשן פונה החוצה וזנבותיהן פונות פנימה, הן עדיין יכולות להסתובב ביחס זו לזו, מה שמאפשר לקרום את הגמישות הנוזלית הנחוצה לכל החיים.
ממברנות דו-שכבתיות פוספוליפיד הן הבסיס לכל קרומי התאים היבשתיים. אפילו בפני עצמו, ליפוזום יכול לצמוח, להתרבות ולסייע לתגובות כימיות מסוימות החשובות לחיים, וזו הסיבה שחלק מהביוכימאים חושבים כי היווצרות ליפוזומים עשויה להיות הצעד הראשון בדרך לחיים. בכל אופן, היווצרות קרומי התא בוודאי מהווה צעד מוקדם בהופעת החיים על פני כדור הארץ.
אם יש צורה כלשהי של חיים בטיטאן, בין אם מפלצת ים או מיקרו (סביר יותר), היא בוודאי צריכה להיות בעלת קרום תא, ממש כמו כל דבר חי על כדור הארץ. האם עלולים להיווצר קרומי דו שכבתי פוספוליפידים במתאן נוזלי בטיטאן? התשובה היא לא. שלא כמו מים, למולקולת המתאן יש תפוצה אחידה של מטענים חשמליים. הוא חסר תכונות קוטביות של מים, ולכן לא יכול היה למשוך את ראשי הקוטב של מולקולת הפוספוליפיד. האטרקציה הזו דרושה כדי שהפוספוליפידים יהוו קרום תא בסגנון כדור הארץ.
נערכו ניסויים בהם מומסים פוספוליפידים בנוזלים לא קוטביים בטמפרטורת החדר הארצית. בתנאים אלה, הפוספוליפידים מהווים קרום שתי שכבות מבפנים החוצה. הראשים הקוטביים של מולקולות הפוספוליפיד נמצאים במרכז, נמשכים זה לזה על ידי המטענים החשמליים שלהם. הזנבות הלא-קוטביים פונים כלפי חוץ מכל צד של הממברנה החוצה-פנים, ופונים לממס הלא-קוטבי.
האם יתכן שבחיים הטיטאנים יש קרום פוספוליפיד מבפנים? צוות קורנל הגיע למסקנה שזה לא יעבוד, משתי סיבות. הראשונה היא שבטמפרטורות הקריוגניות של מתאן נוזלי, זנבות הפוספוליפידים הופכים לקשיחים, ושוללים מכל קרום מבפנים החוץ שעלול ליצור גמישות נוזלים הנחוצה לכל החיים. השני הוא ששני מרכיבים עיקריים של פוספוליפידים; זרחן וחמצן, כנראה שלא ניתן להשיג באגמי המתאן של טיטאן. בחיפושם אחר ממברנות תאים של טיטאניאן, צוות קורנל היה צריך לחקור מעבר לתחום המוכר של הביולוגיה בתיכון.
אף על פי שאינם מורכבים מפוספוליפידים, המדענים סברו כי כל קרום תאי טיטאניאן יהיה בכל זאת כמו הממברנות הפוספוליפיד החיצוניות שנוצרו במעבדה. זה היה מורכב ממולקולות קוטביות הדבוקות זו בזו חשמלית בתמיסה של מתאן נוזלי לא קוטבי. אילו מולקולות יכולות להיות אלה? לתשובות החוקרים בחנו לנתונים מחללית קאסיני ומניסויים במעבדה ששחזרו את הכימיה של האטמוספירה של טיטאן.
האווירה של טיטאן ידועה ככימיה מורכבת מאוד. הוא עשוי בעיקר מחנק חנקן ומתאן. כאשר החללית קאסיני ניתח את הרכבה באמצעות ספקטרוסקופיה היא מצאה עקבות למגוון תרכובות של פחמן, חנקן ומימן, המכונים ניטרילים ואמינים. חוקרים הדמו את הכימיה של האטמוספירה של טיטאן במעבדה על ידי חשיפת תערובות של חנקן ומתאן למקורות אנרגיה המדמים אור שמש על טיטאן. נוצרת תבשיל של מולקולות אורגניות הנקראות 'תולינים'. זה מורכב מתרכובות של מימן ופחמן, הנקראות פחמימנים, וכן ניטרילים ואמינים.
חוקרי הקורנל ראו ניטרילים ואמינים כמועמדים פוטנציאליים לממברנות התאים הטיטניים שלהם. שתיהן מולקולות קוטביות שעלולות להיצמד זו לזו ליצירת קרום במתאן נוזלי לא קוטבי עקב הקוטביות של קבוצות המכילות חנקן שנמצאות בשניהם. הם נימקו כי מולקולות המועמדות חייבות להיות קטנות בהרבה מפוספוליפידים, כך שיוכלו ליצור קרומי נוזלים בטמפרטורות מתאן נוזליות. הם שקלו ניטרילים ואמינים המכילים מיתרים של בין שלושה לשישה אטומי פחמן. קבוצות המכילות חנקן נקראות קבוצות "אזוטו", ולכן הצוות קרא למקבילו הטיטאניאני ההיפותטי לליפוזום 'אזוטוזום'.
סינתזת אזוטוזומים למחקר ניסיוני הייתה קשה ויקרה, מכיוון שהניסויים היו צריכים להתבצע בטמפרטורות הקריוגניות של מתאן נוזלי. אך מכיוון שמולקולות המועמדים נחקרו בהרחבה מסיבות אחרות, חשבו חוקרי הקורנל מוצדקים לפנות לכלי הכימיה החישובית כדי לקבוע אם מולקולות המועמדות שלהן יכולות להתאגד כממברנה גמישה במתאן נוזלי. מודלים חישוביים שימשו בהצלחה לחקר ממברנות תאים פוספוליפידים קונבנציונליים.
ההדמיות החישוביות של הקבוצה הראו כי ניתן לשלול כמה חומרים מועמדים מכיוון שהם לא יתלכדו כממברנה, יהיו נוקשים מדי או יווצרו מוצק. אף על פי כן, ההדמיות הראו כי מספר חומרים יהוו קרומים בעלי תכונות מתאימות. חומר מתאים אחד הוא אקרילוניטריל, שהראה שקאסיני נמצא באווירה של טיטאן בעשרה חלקים למיליון ריכוז. למרות ההבדל העצום בטמפרטורה בין אזוטוזומים קריוגניים לליפוזומים בטמפרטורת החדר, ההדמיות הראו להם להציג תכונות דומות להפליא של יציבות ותגובה ללחץ מכני. אם כן, ממברנות תאים אפשריות לכל החיים במתאן נוזלי.
המדענים מקורנל רואים בממצאיהם לא יותר מאשר צעד ראשון בדרך להראות כי חיים במתאן נוזלי הם אפשריים, ולקדם את השיטות שחלליות עתידיות יצטרכו לחפש אותן על טיטאן. אם אפשר חיים במתאן נוזלי, ההשלכות בסופו של דבר מתרחשות הרבה מעבר לטיטאן.
כאשר הם מחפשים תנאים המתאימים לחיים בגלקסיה, אסטרונומים בדרך כלל מחפשים exoplanets בתוך שטח הכוכב של כוכב, המוגדר כטווח המרחקים הצרים עליו יהיה לכוכב לכת עם אטמוספרה אדמתית טמפרטורת שטח המתאימה למים נוזליים. אם יתאפשרו חיי מתאן, אז לכוכבים יהיה גם אזור שמתים למגורים, אזור בו מתאן יכול להתקיים כנוזל בכוכב לכת או בירח, מה שמאפשר את חיי המתאן. מספר העולמות המגורים בגלקסיה יוגדל מאוד. אולי בכמה עולמות החיים של מתאן מתפתחים לצורות מורכבות שבקושי נוכל לדמיין. אולי חלקם אפילו קצת כמו מפלצות ים.
הפניות וקריאה נוספת:
נ 'אטקינסון (2010) חיי החיים על טיטאן? חכה רק על מגזין החלל דקה.
נ 'אטקינסון (2010) החיים על טיטאן עשויים להיות מסריחים ומפוצצים, מגזין החלל.
M. L. Cable, S. M. Horst, R. Hodyss, P. Beauchamp, M. A. Smith, P. Willis, (2012) Titan tholins: סימולציה של כימיה אורגנית של טיטאן בעידן קאסיני-הויגנס, ביקורות כימיות, 112: 1882-1909.
E. Howell (2014) אגמים דמויי מראה מלכותיים של טיטאן יגיעו לביקורתו של קאסיני השבוע, מגזין החלל.
J. Major (2013) הקוטב הצפוני של טיטאן עמוס באגמים, מגזין החלל.
C. P. McKay, H. D. Smith, (2005) אפשרויות לחיים מתנוגניים במתאן נוזלי על פני טיטאן, איקרוס 178: 274-276.
J. Stevenson, J. Lunine, P. Clancy, (2015) אלטרנטיבות ממברנות בעולמות ללא חמצן: יצירת אזוטוזום, Science Advances 1 (1): e1400067.
ש 'אולסון (2014) צוללת טיטאן: בחינת מעמקי קראקן, מרכז המחקר גלן של נאס"א, הודעה לעיתונות.
משימת קאסיני סולסטייס, מעבדת הנעה סילונית של נאס"א
נאס"א ואס"א חוגגים 10 שנים מאז נחיתתו של טיטאן, נאס"א 2015
