Kas Saturni suurel kuusel Titanil võiks olla elu? Küsimuse esitamine sunnib astrobiolooge ja keemikuid mõtlema hoolikalt ja loovalt elukeemiale ja sellele, kuidas see võib teistes maailmades erineda, kui see on Maa peal. Veebruaris avaldas Cornelli ülikooli teadlaste meeskond, kuhu kuulusid keemiatehnika magistrant James Stevenson, planeediteadlane Jonathan Lunine ja keemiainsener Paulette Clancy, teedrajav uurimus, väites, et sellel tähelepanuväärsel kuul esinevates eksootilistes keemilistes tingimustes võivad rakumembraanid tekkida .
Mitmel viisil on Titan Maa kaksik. See on Päikesesüsteemi suuruselt teine kuu ja suurem kui planeet Merkuur. Nagu Maal, on sellel ka oluline atmosfäär, mille õhurõhk pinnal on pisut kõrgem kui Maa oma. Peale Maa on Titan ainus objekt meie päikesesüsteemis, mille pinnal on vedeliku kogunemine. NASA kosmosesond Cassini avastas Titani polaaralades ohtralt järvi ja isegi jõgesid. Suurim järv ehk meri, nimega Kraken Mare, on suurem kui Maa Kaspia meri. Teadlased teavad nii kosmoselaevade vaatluste kui ka laboratoorsete katsete põhjal, et Titani atmosfäär on rikas keerukate orgaaniliste molekulide poolest, mis on elu alustaladeks.
Kõigi nende omaduste tõttu võib tunduda, nagu oleks Titan eluks kõlblik. Nimi 'Kraken', mis viitab legendaarsele merekoletisele, peegeldab ulmeliselt astrobioloogide innukaid lootusi. Kuid Titan on Maa võõras kaksik. Olles Päikesest peaaegu kümme korda kaugemal kui Maa, on selle pinnatemperatuur külm -180 kraadi Celsiuse järgi. Vedel vesi on eluks ülioluline nagu me seda teame, kuid Titani pinnal on kogu vesi külmunud tahke aine. Vesijää võtab rolli, mida räni sisaldav kivim Maal täidab, moodustades maakoore väliskihid.
Titani järvi ja jõgesid täitev vedelik ei ole vesi, vaid vedel metaan, mis on tõenäoliselt segatud teiste ainetega, näiteks vedela etaaniga - need kõik on maakera gaasid. Kui Titani meredes on elu, pole see elu selline, nagu me seda teame. See peab olema võõras eluvorm, milles orgaanilised molekulid on vedela vee asemel lahustatud vedelas metaanis. Kas selline asi on isegi võimalik?
Cornelli meeskond võttis selle väljakutseküsimuse ühe võtmeosa enda peale, uurides, kas rakumembraanid võivad vedelas metaanis olemas olla. Iga elusrakk on sisuliselt keemiliste reaktsioonide isemajandav võrk, mis paikneb piirduvates membraanides. Teadlaste arvates tekkisid rakumembraanid Maa elu ajaloos väga varakult ja nende moodustumine võis olla isegi esimene samm elu päritolul.
Siin Maal on rakumembraanid sama tuttavad kui keskkooli bioloogiaklassid. Need on valmistatud suurtest molekulidest, mida nimetatakse fosfolipiidideks. Igal fosfolipiidimolekulil on „pea” ja „saba”. Pea sisaldab fosfaatrühma, mille fosforiaatom on seotud mitme hapnikuaatomiga. Saba koosneb ühest või enamast süsinikuaatomite ahelast, mis on tavaliselt 15 kuni 20 aatomit ja mõlemal küljel on ühendatud vesinikuaatomid. Pea oma fosfaatrühma negatiivse laengu tõttu on elektrilaengu ebaühtlane jaotus ja me ütleme, et see on polaarne. Saba on seevastu elektriliselt neutraalne.
Need elektrilised omadused määravad, kuidas fosfolipiidimolekulid vees lahustumisel käituvad. Elektriliselt on vesi polaarne molekul. Veemolekulis olevad elektronid on tugevamalt seotud selle hapnikuaatomi kui kahe vesinikuaatomiga. Niisiis, molekuli küljel, kus kaks vesinikuaatomit asuvad, on kerge positiivne laeng ja hapniku küljel on väike negatiivne laeng. Need vee polaarsed omadused meelitavad seda fosfolipiidi molekuli, mis väidetavalt on hüdrofiilne, polaarset pead ja tõrjub selle mittepolaarset saba, mis on väidetavalt hüdrofoobne.
Kui fosfolipiidimolekulid lahustatakse vees, toimivad kahe aine elektrilised omadused koos, põhjustades fosfolipiidimolekulide membraani moodustumise. Membraan sulgeb endasse väikese sfääri, mida nimetatakse liposoomiks. Fosfolipiidmolekulid moodustavad kahekihilise kahe molekuli paksuse. Polaarsed hüdrofiilsed pead on membraani sise- ja välispinnal vee poole suunatud väljapoole. Hüdrofoobsed sabad on asetatud üksteise poole. Kuigi fosfolipiidimolekulid jäävad oma kihis fikseerituna, peade väljapoole ja sabaga sissepoole, saavad nad siiski üksteise suhtes liikuda, andes membraanile eluks vajaliku vedeliku paindlikkuse.
Fosfolipiidsete kahekihiliste membraanide aluseks on kõik maapealsed rakumembraanid. Isegi iseseisvalt võib liposoom kasvada, paljuneda ja abistada teatavaid elu jaoks olulisi keemilisi reaktsioone, mistõttu arvavad mõned biokeemikud, et liposoomide moodustumine võis olla esimene samm elu poole. Igal juhul peab rakumembraanide moodustumine olema kindlasti varane samm elus Maal tekkimisele.
Kui Titanil eksisteerib mingi eluvorm, olgu see siis merekoletis või (tõenäolisemalt) mikroob, peaks see peaaegu kindlasti omama rakumembraani, nagu iga maakera elusolend. Kas Titanil võiksid vedelas metaanis moodustuda fosfolipiidsed kahekihilised membraanid? Vastus on eitav. Erinevalt veest on metaanimolekulil elektrilaengud ühtlaselt jaotunud. Sellel puuduvad vee polaarsed omadused ja seepärast ei suutnud see fosfolipiidimolekuli polaarpead meelitada. See atraktsioon on vajalik, et fosfolipiidid moodustaksid Maa-tüüpi rakumembraani.
On tehtud katseid, kus fosfolipiidid lahustatakse mittepolaarsetes vedelikes maise toatemperatuuril. Nendes tingimustes moodustavad fosfolipiidid kahekihilise membraani sisemiselt väljapoole. Fosfolipiidimolekulide polaarsed pead on keskel, neid tõmbavad üksteise külge nende elektrilaengud. Mittepolaarsed sabad on suunatud sissepoole suunatud membraani mõlemale küljele väljapoole, mittepolaarse lahusti poole.
Kas Titaniani elus võiks olla fosfolipiidne membraan väljastpoolt? Cornelli meeskond jõudis järeldusele, et see ei toimi kahel põhjusel. Esimene on see, et vedela metaani krüogeensetel temperatuuridel muutuvad fosfolipiidide sabad jäigaks, kaotades igasuguse seestpoolt tuleva membraani, mis võib moodustada eluks vajaliku vedeliku elastsuse. Teine on see, et kaks peamist fosfolipiidide koostisosa; fosfor ja hapnik, pole Titaani metaanijärvedes tõenäoliselt saadaval. Titaani rakumembraanide otsimisel pidi Cornelli meeskond proovima kaugemale keskkooli bioloogia tuttavast valdkonnast.
Ehkki need ei koosne fosfolipiididest, väitsid teadlased, et ükskõik milline Titaniani rakumembraan on siiski laboris loodud fosfolipiidsete membraanide sees. See koosneks polaarsetest molekulidest, mis klammerduvad elektriliselt mittepolaarse vedela metaani lahusesse. Mis molekulid need võivad olla? Teadlased otsisid vastuste saamiseks kosmoselaeva Cassini andmeid ja laboratoorsete katsete andmeid, mis kordasid Titani atmosfääri keemiat.
Titani atmosfääris on teadaolevalt väga keeruline keemia. See on valmistatud peamiselt lämmastikust ja metaangaasist. Kui Cassini kosmoseaparaat analüüsis selle koostist spektroskoopia abil, leidis ta jälgi mitmesugustest süsiniku, lämmastiku ja vesiniku ühenditest, mida nimetatakse nitriilideks ja amiinideks. Teadlased on simuleerinud laboris Titani atmosfääri keemiat, eksponeerides lämmastiku ja metaani segusid energiaallikatele, mis jäljendavad päikesevalgust Titanil. Moodustatakse orgaaniliste molekulide hautis, mida nimetatakse “koliinideks”. See koosneb vesiniku ja süsiniku ühenditest, mida nimetatakse süsivesinikeks, samuti nitriilidest ja amiinidest.
Cornelli uurijad nägid, et nitriilid ja amiinid on nende Titanian rakumembraanide potentsiaalsed kandidaadid. Mõlemad on polaarsed molekulid, mis võivad kinni jääda, moodustades mittepolaarses vedelas metaanis membraani mõlemas leiduva lämmastikku sisaldavate rühmade polaarsuse tõttu. Nad põhjendasid, et kandidaatmolekulid peavad olema palju väiksemad kui fosfolipiidid, et nad saaksid vedela metaani temperatuuril moodustada vedelaid membraane. Nad kaalusid nitriile ja amiine, mis sisaldavad kolme kuni kuue süsinikuaatomiga ahelaid. Lämmastikku sisaldavaid rühmi nimetatakse asotogruppideks, nii et meeskond nimetas oma hüpoteetilist Titaanide vastandit liposoomile asotosoomiks.
Asotosoomide sünteesimine eksperimentaalseks uuringuks oleks olnud keeruline ja kulukas, kuna katsed oleks tulnud läbi viia vedela metaani krüogeensetel temperatuuridel. Kuid kuna kandidaatmolekule on muudel põhjustel põhjalikult uuritud, pidasid Cornelli teadlased õigustatud pöörduma arvutuskeemia vahendite poole, et teha kindlaks, kas nende kandidaatmolekulid võivad vedelas metaanis painduda elastse membraanina. Tavapäraste fosfolipiidsete rakumembraanide uurimiseks on edukalt kasutatud arvutuslikke mudeleid.
Rühma arvutuslikud simulatsioonid näitasid, et mõned kandidaatmeditsiinid võivad olla välistatud, kuna need ei moodustu membraanina, oleksid liiga jäigad või moodustaksid tahke aine. Sellest hoolimata näitasid simulatsioonid ka seda, et paljud ained moodustavad sobivate omadustega membraane. Üks sobiv aine on akrüülnitriil, mida Cassini näitas, et see on Titani atmosfääris kontsentratsioonil 10 ppm. Hoolimata krüogeensete asotoomide ja toatemperatuuri liposoomide vahelistest tohututest temperatuurierinevustest, näitasid simulatsioonid, et neil on silmatorkavalt sarnased stabiilsuse ja mehaanilisele stressile reageerimise omadused. Rakumembraanid on vedelas metaanis kogu eluks vajalikud.
Cornelli teadlased peavad oma leide kõigest esimeseks sammuks, mis näitab, et elu vedelas metaanis on võimalik, ning meetodite väljatöötamiseks, mida tulevased kosmoselaevad peavad seda Titanil otsima. Kui vedelas metaanis on elu võimalik, ulatuvad tagajärjed lõpuks Titanist kaugemale.
Otsides galaktikas eluks sobivaid tingimusi, otsivad astronoomid tavaliselt eksoplaneete tähe asustatavas tsoonis, mis on määratletud kui kitsas vahemik vahemaid, mille jooksul Maa-sarnase atmosfääriga planeedil oleks vedelale veepinnale sobiv temperatuur. Kui metaanielu on võimalik, siis oleks tähtedel ka metaani asustatav tsoon - piirkond, kus metaan võiks vedelikuna eksisteerida planeedil või kuul, muutes metaani elu võimalikuks. Galaktikas suureneks asustatavate maailmade arv. Võib-olla areneb metaani elu mõnes maailmas keerukateks vormideks, mida me vaevalt suudame ette kujutada. Võib-olla on mõni neist isegi natuke nagu merekoletised.
Viited ja täiendav lugemine:
N. Atkinson (2010) Tulnukas elu Titanil? Oodake vaid hetke, kosmoseajakirja.
N. Atkinson (2010) Elu Titanil võib olla haisev ja plahvatusohtlik, kosmoseajakiri.
M. L. Cable, S. M. Horst, R. Hodyss, P. Beauchamp, M. A. Smith, P. Willis, (2012) Titan tholins: Titani orgaanilise keemia simuleerimine Cassini-Huygeni ajastul, Chemical Reviews, 112: 1882-1909.
E. Howell (2014) Titani majesteetlikud peegeltaolised järved tulevad Cassini selle kontrolli alla sel nädalal, ajakiri Space.
J. Major (2013) Titani põhjapoolus on laaditud järvedega, ajakiri Space.
C. P. McKay, H. D. Smith, (2005) Metangeense elu võimalused vedelas metaanis Titani pinnal, Icarus 178: 274-276.
J. Stevenson, J. Lunine, P. Clancy, (2015) Membraanialternatiivid hapnikuvabades maailmades: asotosoomi loomine, Science Advances 1 (1): e1400067.
S. Oleson (2014) allveelaev Titan: Krakeni sügavuste uurimine, NASA Glenni uurimiskeskus, pressiteade.
Cassini pööripäeva missioon, NASA reaktiivmootorite laboratoorium
NASA ja ESA tähistavad 10 aasta möödumist Titani maandumisest, NASA 2015
