จะมีชีวิตบนไททันดวงจันทร์ขนาดใหญ่ของดาวเสาร์หรือไม่? การถามคำถามทำให้นักโหราศาสตร์และนักเคมีคิดอย่างรอบคอบและสร้างสรรค์เกี่ยวกับเคมีของชีวิตและอาจแตกต่างไปอย่างไรในโลกอื่นที่ไม่ใช่บนโลก ในเดือนกุมภาพันธ์ทีมนักวิจัยจากมหาวิทยาลัยคอร์เนลล์ซึ่งรวมถึงเจมส์สตีเวนสันนักศึกษาปริญญาโทด้านวิศวกรรมเคมีนักวิทยาศาสตร์ดาวเคราะห์โจนาธานลูเนนและวิศวกรเคมี Paulette Clancy ตีพิมพ์ผลการสำรวจบุกเบิกที่เยื่อหุ้มเซลล์สามารถก่อตัวภายใต้สภาพทางเคมีแปลกใหม่ .
ไททันเป็นทวินของโลก เป็นดวงจันทร์ที่ใหญ่เป็นอันดับสองในระบบสุริยะและใหญ่กว่าดาวเคราะห์พุธ เช่นเดียวกับโลกมันมีบรรยากาศที่สำคัญโดยมีความดันบรรยากาศบนพื้นผิวสูงกว่าของโลกเล็กน้อย นอกจากโลกแล้วไททันยังเป็นวัตถุเดียวในระบบสุริยะของเราที่ทราบว่ามีการสะสมของของเหลวบนพื้นผิว ยานสำรวจอวกาศ Cassini ของนาซ่าค้นพบทะเลสาบที่อุดมสมบูรณ์และแม้กระทั่งแม่น้ำในเขตขั้วโลกของไททัน ทะเลสาบหรือทะเลที่ใหญ่ที่สุดเรียกว่า Kraken Mare มีขนาดใหญ่กว่าทะเลแคสเปียน นักวิจัยรู้จากการสำรวจยานอวกาศและการทดลองในห้องปฏิบัติการว่าบรรยากาศของไททันนั้นอุดมไปด้วยโมเลกุลอินทรีย์ที่ซับซ้อนซึ่งเป็นหน่วยการสร้างของชีวิต
คุณสมบัติทั้งหมดเหล่านี้อาจทำให้ดูเหมือนว่าไททันเหมาะสำหรับชีวิต ชื่อ 'Kraken' ซึ่งหมายถึงสัตว์ทะเลในตำนานสะท้อนให้เห็นถึงความหวังอย่างแรงกล้าของนักโหราศาสตร์ แต่ไททันเป็นมนุษย์ต่างดาวคู่แฝดของโลก เมื่ออยู่ไกลจากดวงอาทิตย์มากกว่าโลกเกือบสิบเท่าอุณหภูมิพื้นผิวของมันจะเยือกเย็น -180 องศาเซลเซียส น้ำของเหลวมีความสำคัญต่อชีวิตอย่างที่เรารู้ แต่บนพื้นผิวของไททันน้ำทั้งหมดนั้นแข็งเป็นน้ำแข็ง น้ำแข็งในน้ำทำหน้าที่เหมือนหินที่ประกอบด้วยซิลิคอนทำบนโลกทำให้เป็นชั้นนอกของเปลือกโลก
ของเหลวที่เติมทะเลสาบและแม่น้ำของไททันไม่ใช่น้ำ แต่มีเธนเหลวอาจผสมกับสารอื่น ๆ เช่นอีเทนเหลวซึ่งทั้งหมดเป็นก๊าซบนโลก หากมีชีวิตในทะเลของไททันมันไม่ใช่ชีวิตอย่างที่เรารู้ มันจะต้องเป็นรูปแบบชีวิตต่างดาวที่มีโมเลกุลอินทรีย์ละลายในมีเธนเหลวแทนที่จะเป็นน้ำของเหลว สิ่งนี้เป็นไปได้หรือไม่?
ทีมงานของคอร์เนลหยิบคำถามสำคัญหนึ่งข้อที่ท้าทายนี้โดยการตรวจสอบว่าเยื่อหุ้มเซลล์สามารถอยู่ในมีเธนเหลวได้หรือไม่ เซลล์ที่มีชีวิตทุกเซลล์นั้นโดยพื้นฐานแล้วจะเป็นเครือข่ายที่มีปฏิกิริยาทางเคมีที่ยั่งยืนในตัวเองซึ่งอยู่ภายในเยื่อหุ้มเซลล์ นักวิทยาศาสตร์คิดว่าเยื่อหุ้มเซลล์เกิดขึ้นเร็วมากในประวัติศาสตร์ของสิ่งมีชีวิตบนโลกและการก่อตัวของมันอาจเป็นก้าวแรกในการกำเนิดชีวิต
ที่นี่บนโลกเยื่อหุ้มเซลล์มีความคุ้นเคยกับชั้นเรียนชีววิทยาระดับมัธยมปลาย พวกเขาทำจากโมเลกุลขนาดใหญ่ที่เรียกว่าฟอสโฟลิปิด โมเลกุลฟอสโฟไลปิดแต่ละตัวมี 'หัว' และ 'หาง' หัวมีกลุ่มฟอสเฟตโดยมีฟอสฟอรัสอะตอมเชื่อมโยงกับอะตอมออกซิเจนหลายชนิด หางประกอบด้วยหนึ่งหรือหลายอย่างของอะตอมคาร์บอนโดยทั่วไปจะมีความยาว 15 ถึง 20 อะตอมโดยมีอะตอมของไฮโดรเจนเชื่อมโยงกันในแต่ละด้าน หัวเนื่องจากประจุลบของกลุ่มฟอสเฟตมีการกระจายของประจุไฟฟ้าไม่เท่ากันและเราบอกว่ามันเป็นขั้ว ส่วนหางมีความเป็นกลางทางไฟฟ้า
คุณสมบัติทางไฟฟ้าเหล่านี้เป็นตัวกำหนดว่าโมเลกุลฟอสโฟไลปิดจะทำหน้าที่อย่างไรเมื่อละลายในน้ำ การพูดด้วยไฟฟ้าน้ำเป็นโมเลกุลขั้วโลก อิเล็กตรอนในโมเลกุลของน้ำดึงดูดอะตอมออกซิเจนมากกว่าอะตอมไฮโดรเจนสองอะตอม ดังนั้นด้านของโมเลกุลที่อะตอมไฮโดรเจนทั้งสองมีประจุเป็นบวกเล็กน้อยและด้านออกซิเจนมีประจุลบเล็กน้อย คุณสมบัติเชิงขั้วของน้ำเหล่านี้ทำให้มันดึงดูดหัวขั้วโลกของโมเลกุลฟอสโฟไลปิดซึ่งกล่าวกันว่าเป็นน้ำและขับไล่หางที่ไม่มีขั้วซึ่งกล่าวกันว่าไม่ชอบน้ำ
เมื่อโมเลกุลฟอสโฟลิปิดถูกละลายในน้ำสมบัติทางไฟฟ้าของสารทั้งสองจะทำงานร่วมกันเพื่อทำให้โมเลกุลฟอสโฟลิปิดเป็นระเบียบที่จะรวมตัวกันเป็นเมมเบรน เมมเบรนปิดตัวเองลงในทรงกลมเล็ก ๆ ที่เรียกว่าไลโปโซม โมเลกุลฟอสโฟไลปิดเป็นโมเลกุลสองชั้นที่หนา หัว hydrophilic ขั้วโลกหันหน้าออกไปทางน้ำทั้งบนพื้นผิวด้านในและด้านนอกของเมมเบรน หางที่ไม่ชอบน้ำจะถูกประกบกันและหันเข้าหากัน ในขณะที่โมเลกุลฟอสโฟไลปิดยังคงอยู่ในชั้นของพวกเขาโดยหันหน้าไปทางหัวและก้อยหันเข้าหาพวกเขายังสามารถเคลื่อนที่ไปรอบ ๆ ด้วยความเคารพซึ่งกันและกันทำให้เยื่อยืดหยุ่นที่จำเป็นสำหรับชีวิต
เมมเบรนฟอสโฟไลปิดเป็นพื้นฐานของเยื่อหุ้มเซลล์ภาคพื้นดินทั้งหมด แม้แต่ของมันเอง liposome สามารถเติบโตทำซ้ำและช่วยเหลือปฏิกิริยาเคมีบางอย่างที่สำคัญต่อชีวิตซึ่งเป็นเหตุผลที่นักชีวเคมีบางคนคิดว่าการก่อตัวของไลโปโซมอาจเป็นก้าวแรกสู่ชีวิต การก่อตัวของเยื่อหุ้มเซลล์นั้นจะต้องเป็นขั้นตอนแรกในการเกิดขึ้นของสิ่งมีชีวิตบนโลก
หากรูปแบบของชีวิตบางอย่างมีอยู่บนไททันไม่ว่าจะเป็นสัตว์ทะเลหรือจุลินทรีย์ (น่าจะเป็น) มันจะต้องมีเยื่อหุ้มเซลล์เหมือนทุกสิ่งมีชีวิตบนโลก phospholipid bilayer membrane ก่อตัวในมีเธนเหลวบน Titan ได้หรือไม่? คำตอบคือไม่ โมเลกุลของมีเธนจะมีประจุไฟฟ้าเท่ากันซึ่งต่างจากน้ำ มันขาดคุณสมบัติเชิงขั้วของน้ำดังนั้นจึงไม่สามารถดึงดูดหัวขั้วโลกของโมเลกุลฟอสโฟไลปิดได้ สิ่งที่น่าสนใจนี้จำเป็นสำหรับฟอสโฟไลปิดในการสร้างเยื่อหุ้มเซลล์สไตล์โลก
มีการทดลองที่ฟอสโฟไลปิดในของเหลวที่ไม่มีขั้วที่อุณหภูมิห้องของโลก ภายใต้เงื่อนไขเหล่านี้ฟอสโฟไลปิดจะสร้างเยื่อหุ้มสองชั้นที่อยู่ภายในออก หัวโพลาร์ของโมเลกุลฟอสโฟไลปิดอยู่ตรงกลางดึงดูดกันด้วยประจุไฟฟ้า หางที่ไม่มีขั้วหันออกด้านนอกแต่ละด้านของเยื่อหุ้มด้านในออกด้านนอกหันหน้าไปทางตัวทำละลายที่ไม่ใช่ขั้ว
ชีวิตของ Titanian อาจมีพังผืดที่อยู่ข้างใน ทีม Cornell สรุปว่าสิ่งนี้จะไม่ได้ผลด้วยเหตุผลสองประการ อย่างแรกคือที่อุณหภูมิการแช่แข็งของมีเธนเหลวหางของฟอสโฟลิปิดจะแข็งกระด้างกีดกันเมมเบรนที่อยู่ข้างในซึ่งอาจก่อให้เกิดความยืดหยุ่นของของเหลวที่จำเป็นต่อชีวิต อย่างที่สองก็คือสองส่วนผสมที่สำคัญของฟอสโฟไลปิด ฟอสฟอรัสและออกซิเจนอาจไม่มีในทะเลสาบมีเธนของไททัน ในการค้นหาเยื่อหุ้มเซลล์ของ Titanian ทีม Cornell จำเป็นต้องสำรวจเกินขอบเขตที่คุ้นเคยของชีววิทยาระดับมัธยมปลาย
แม้ว่าจะไม่ได้ประกอบด้วยฟอสโฟลิปิด แต่นักวิทยาศาสตร์ก็ให้เหตุผลว่าเมมเบรนของเซลล์ไททันใด ๆ จะเป็นเหมือนเยื่อฟอสโฟไลปิดที่อยู่ภายในที่สร้างขึ้นในห้องปฏิบัติการ มันจะประกอบด้วยโมเลกุลขั้วโลกที่เกาะติดกันด้วยไฟฟ้าในสารละลายของมีเธนเหลวที่ไม่มีขั้ว โมเลกุลเหล่านั้นอาจเป็นอะไร? สำหรับคำตอบนักวิจัยได้ค้นหาข้อมูลจากยานอวกาศแคสสินีและจากการทดลองในห้องปฏิบัติการซึ่งสร้างบรรยากาศทางเคมีของชั้นบรรยากาศของไททัน
เป็นที่รู้กันว่าบรรยากาศของไททันมีความซับซ้อนทางเคมี ส่วนใหญ่ทำจากไนโตรเจนและก๊าซมีเทน เมื่อยานแคสสินีวิเคราะห์องค์ประกอบด้วยสเปคโตรสโคปีพบร่องรอยของสารประกอบต่าง ๆ ของคาร์บอนไนโตรเจนและไฮโดรเจนที่เรียกว่าไนไตรล์และเอมีน นักวิจัยได้จำลองทางเคมีของชั้นบรรยากาศของไททันในห้องปฏิบัติการโดยการเปิดเผยส่วนผสมของไนโตรเจนและมีเธนไปยังแหล่งพลังงานที่จำลองแสงอาทิตย์บนไททัน โมเลกุลของสตูว์อินทรีย์ที่เรียกว่า 'tholins' เกิดขึ้น ประกอบด้วยสารประกอบของไฮโดรเจนและคาร์บอนที่เรียกว่าไฮโดรคาร์บอนเช่นเดียวกับไนไตรล์และเอมีน
นักวิจัยของ Cornell เห็นว่าไนไตรล์และเอมีนเป็นตัวเลือกที่มีศักยภาพสำหรับเยื่อหุ้มเซลล์ไททัน ทั้งสองเป็นโมเลกุลขั้วโลกที่อาจเกาะติดกันเพื่อสร้างเมมเบรนในมีเธนเหลวที่ไม่ใช่ขั้วเนื่องจากขั้วของไนโตรเจนที่มีกลุ่มที่พบในทั้งสอง พวกเขาให้เหตุผลว่าโมเลกุลของผู้สมัครจะต้องมีขนาดเล็กกว่าฟอสโฟลิปิดดังนั้นพวกเขาจึงสามารถสร้างเยื่อหุ้มของเหลวที่อุณหภูมิมีเธนเหลว พวกเขาพิจารณาว่าไนไตรล์และเอมีนนั้นประกอบด้วยอะตอมของคาร์บอนสามถึงหกอะตอม กลุ่มที่มีไนโตรเจนนั้นเรียกว่า 'azoto' - กลุ่มดังนั้นทีมจึงตั้งชื่อกลุ่มไททันของพวกเขาที่มีอยู่ในไททาเนียมให้เป็น liposome the 'azotosome'
การสังเคราะห์ azotosomes สำหรับการศึกษาทดลองนั้นยากและมีค่าใช้จ่ายสูงเนื่องจากการทดลองจะต้องดำเนินการที่อุณหภูมิการแช่แข็งของมีเธนเหลว แต่เนื่องจากโมเลกุลของผู้สมัครได้รับการศึกษาอย่างกว้างขวางด้วยเหตุผลอื่นนักวิจัยของคอร์เนลล์รู้สึกเป็นธรรมในการเปลี่ยนไปใช้เครื่องมือทางเคมีเชิงคำนวณเพื่อตรวจสอบว่าโมเลกุลของผู้สมัครนั้นสามารถทำงานร่วมกันเป็นเมมเบรนยืดหยุ่นในมีเธนเหลวได้หรือไม่ แบบจำลองการคำนวณถูกนำมาใช้อย่างประสบความสำเร็จในการศึกษาเยื่อหุ้มเซลล์ฟอสโฟไลปิดแบบดั้งเดิม
การจำลองการคำนวณของกลุ่มแสดงให้เห็นว่าสารบางตัวอาจถูกตัดออกเพราะพวกมันจะไม่เกาะกันเป็นเมมเบรนแข็งเกินไปหรือแข็งตัว อย่างไรก็ตามการจำลองยังแสดงให้เห็นว่าสารจำนวนหนึ่งจะสร้างเยื่อหุ้มเซลล์ที่มีคุณสมบัติที่เหมาะสม สารที่เหมาะสมอย่างหนึ่งคือ acrylonitrile ซึ่ง Cassini แสดงอยู่ในชั้นบรรยากาศของ Titan ที่ความเข้มข้น 10 ส่วนต่อล้านส่วน แม้จะมีอุณหภูมิที่แตกต่างกันอย่างมากระหว่างอะโซโตโซม cryogenic และไลโปโซมอุณหภูมิห้อง แต่การจำลองแสดงให้เห็นว่ามีความเสถียรและการตอบสนองต่อความเครียดเชิงกลที่คล้ายกันอย่างยอดเยี่ยม เยื่อหุ้มเซลล์จึงเป็นไปได้สำหรับชีวิตในมีเธนเหลว
นักวิทยาศาสตร์จากคอร์เนลมองว่าการค้นพบของพวกเขานั้นไม่มีอะไรมากไปกว่าขั้นตอนแรกในการแสดงให้เห็นว่าชีวิตในมีเธนเหลวเป็นไปได้และต่อการพัฒนาวิธีการที่ยานอวกาศในอนาคตจะต้องค้นหาบนไททัน หากชีวิตมีความเป็นไปได้ในมีเธนเหลวความหมายในท้ายที่สุดจะขยายออกไปไกลกว่าไททัน
เมื่อค้นหาเงื่อนไขที่เหมาะสมสำหรับชีวิตในกาแลคซีนักดาราศาสตร์มักค้นหาดาวเคราะห์นอกระบบที่อยู่ในเขตเอื้ออาศัยของดาวซึ่งหมายถึงระยะทางแคบ ๆ ที่ดาวเคราะห์ที่มีชั้นบรรยากาศคล้ายโลกจะมีอุณหภูมิพื้นผิวที่เหมาะสมสำหรับน้ำของเหลว หากเป็นไปได้ว่ามีชีวิตมีเธนดาวก็จะมีโซนอาศัยก๊าซมีเทนซึ่งเป็นบริเวณที่มีเธนอยู่เป็นของเหลวบนดาวเคราะห์หรือดวงจันทร์ทำให้มีเทนมีชีวิตได้ จำนวนของโลกที่น่าอยู่ในกาแลคซีจะเพิ่มขึ้นอย่างมาก บางทีในบางโลกชีวิตมีเทนวิวัฒนาการเป็นรูปแบบที่ซับซ้อนจนแทบจะจินตนาการไม่ออก บางทีพวกเขาบางคนอาจเป็นเหมือนสัตว์ทะเล
การอ้างอิงและการอ่านเพิ่มเติม:
N. Atkinson (2010) ชีวิตมนุษย์ต่างดาวบนไททัน? แขวนนิตยสารอวกาศสักครู่
N. Atkinson (2010) Life on Titan อาจส่งกลิ่นและระเบิดนิตยสารอวกาศ
M. L. Cable, S. M. Horst, R. Hodyss, P. Beauchamp, M. A. Smith, P. Willis, (2012) ไททัน tholins: การจำลองเคมีอินทรีย์ไททันของไททันในยุค Cassini-Huygens, รีวิวเคมี, 112: 1882-1909
E. Howell (2014) ทะเลสาบที่มีรูปร่างเหมือนกระจกอันงดงามของไททันจะมาอยู่ภายใต้การพิจารณาของ Cassini ในสัปดาห์นี้ซึ่งเป็นนิตยสาร Space
J. Major (2013) ขั้วโลกเหนือของไททันเต็มไปด้วยทะเลสาบนิตยสารอวกาศ
C. P. McKay, H. D. Smith, (2005) ความเป็นไปได้สำหรับชีวิตก๊าซมีเทนในมีเธนเหลวบนพื้นผิวของไททัน, อิคารัส 178: 274-276
J. Stevenson, J. Lunine, P. Clancy, (2015) ทางเลือกของเมมเบรนในโลกที่ไม่มีออกซิเจน: การสร้าง azotosome, ความก้าวหน้าทางวิทยาศาสตร์ 1 (1): e1400067
S. Oleson (2014) เรือดำน้ำ Titan: สำรวจความลึกของ Kraken, ศูนย์วิจัย NASA Glenn, ข่าวประชาสัมพันธ์
ภารกิจ Cassini Solstice ห้องปฏิบัติการขับเคลื่อนเครื่องบินไอพ่นของนาซา
NASA และ ESA เฉลิมฉลอง 10 ปีนับตั้งแต่ไททันลงจอด NASA 2015
