هل يمكن أن تكون هناك حياة على القمر تيتان الضخم لكوكب زحل؟ إن طرح السؤال يجبر علماء الأحياء الفلكية والكيميائيين على التفكير بعناية وإبداع في كيمياء الحياة ، وكيف يمكن أن تكون مختلفة في عوالم أخرى عما هي عليه على الأرض. في فبراير ، نشر فريق من الباحثين من جامعة كورنيل ، بما في ذلك طالب الدراسات العليا في الهندسة الكيميائية جيمس ستيفنسون ، وعالم الكواكب جوناثان لونين ، والمهندسة الكيميائية بوليت كلانسي ، دراسة رائدة تجادل بأن أغشية الخلايا يمكن أن تتشكل في ظل الظروف الكيميائية الغريبة الموجودة على هذا القمر الرائع. .
من نواح كثيرة ، تيتان هو توأم الأرض. إنه ثاني أكبر قمر في المجموعة الشمسية وأكبر من كوكب عطارد. مثل الأرض ، لها غلاف جوي كبير ، مع ضغط جوي سطحي أعلى قليلاً من ضغط الأرض. إلى جانب الأرض ، تيتان هو الجسم الوحيد في نظامنا الشمسي المعروف بتراكم السوائل على سطحه. مسبار الفضاء كاسيني التابع لوكالة ناسا اكتشف بحيرات وفيرة وحتى الأنهار في المناطق القطبية لتيتان. أكبر بحيرة أو بحر يسمى كراكن ماري ، أكبر من بحر قزوين على الأرض. يعرف الباحثون من خلال ملاحظات المركبات الفضائية والتجارب المعملية أن الغلاف الجوي لتيتان غني بالجزيئات العضوية المعقدة ، والتي تشكل اللبنات الأساسية للحياة.
كل هذه الميزات قد تجعل الأمر يبدو كما لو أن Titan مناسب بشكل مثير للحياة. الاسم ' كسر '، الذي يشير إلى وحش البحر الأسطوري ، يعكس بشكل خيالي الآمال الشديدة لعلماء الأحياء الفلكية. لكن تيتان هو التوأم الفضائي للأرض. نظرًا لكونه بعيدًا عن الشمس بعشر مرات تقريبًا ، فإن درجة حرارة سطحه تصل إلى -180 درجة مئوية. الماء السائل أمر حيوي للحياة كما نعرفها ، ولكن على سطح تيتان تتجمد جميع المياه. يأخذ الجليد المائي الدور الذي تؤديه الصخور المحتوية على السيليكون على الأرض ، حيث تشكل الطبقات الخارجية للقشرة.
إن السائل الذي يملأ بحيرات وأنهار تيتان ليس ماءً بل سائلًا الميثان ، ربما ممزوجة بمواد أخرى مثل السائل الإيثان ، وكلها غازات هنا على الأرض. إذا كانت هناك حياة في بحار تيتان ، فهي ليست الحياة كما نعرفها. يجب أن يكون شكلًا غريبًا من أشكال الحياة ، حيث تذوب الجزيئات العضوية في الميثان السائل بدلاً من الماء السائل. شيء من هذا القبيل ممكن حتى؟
تناول فريق كورنيل جزءًا رئيسيًا من هذا السؤال الصعب بالتحقيق فيما إذا كانت أغشية الخلايا يمكن أن توجد في الميثان السائل. كل خلية حية هي ، في الأساس ، شبكة ذاتية الاستدامة من التفاعلات الكيميائية ، الموجودة داخل الأغشية المحيطة. يعتقد العلماء أن أغشية الخلايا ظهرت في وقت مبكر جدًا من تاريخ الحياة على الأرض ، وربما كان تكوينها هو الخطوة الأولى في نشأة الحياة.
هنا على الأرض، أغشية الخلايا مألوفة مثل فصل علم الأحياء في المدرسة الثانوية. وهي مصنوعة من جزيئات كبيرة تسمى الفسفوليبيد . كل الفوسفوليبيد الجزيء له 'رأس' و 'ذيل'. يحتوي الرأس على مجموعة فوسفاتية بها ذرة فوسفور مرتبطة بعدة ذرات أكسجين. يتكون الذيل من سلسلة واحدة أو أكثر من ذرات الكربون ، يتراوح طولها عادةً من 15 إلى 20 ذرة ، مع ذرات الهيدروجين المرتبطة على كل جانب. الرأس ، بسبب الشحنة السالبة لمجموعة الفوسفات الخاصة به ، له توزيع غير متكافئ للشحنة الكهربائية ، ونقول إنها قطبية. من ناحية أخرى ، الذيل متعادل كهربائيًا.
هنا على الأرض ، تتكون أغشية الخلايا من جزيئات الفسفوليبيد الذائبة في الماء السائل. يحتوي الفسفوليبيد على عمود فقري من ذرات الكربون (رمادي) ، ويحتوي أيضًا على الهيدروجين (أزرق سماوي) ، والفوسفور (أصفر) ، وأكسجين (أحمر) ، ونيتروجين (أزرق). بسبب الشحنة الموجبة المرتبطة بمجموعة الكولين المحتوية على النيتروجين ، والشحنة السالبة المرتبطة بمجموعة الفوسفات ، يكون الرأس قطبيًا ، ويجذب الماء. لذلك فهو ماء. ذيل الهيدروكربون متعادل كهربائيًا ومقاوم للماء. يرجع تكوين غشاء الخلية إلى هذه الخصائص الكهربائية للفوسفوليبيد والماء. تشكل الجزيئات طبقة مزدوجة ، مع الرؤوس المحبة للماء متجهة للخارج ، نحو الماء ، وذيول كارهة للماء تواجه الداخل ، تجاه بعضها البعض. الائتمان: العلاقات فان بروكسل
تحدد هذه الخصائص الكهربائية كيف ستتصرف جزيئات الفسفوليبيد عندما تذوب فيها ماء . من الناحية الكهربائية ، الماء جزيء قطبي. تنجذب الإلكترونات الموجودة في جزيء الماء إلى ذرة الأكسجين بشكل أقوى من انجذابها إلى ذرتي الهيدروجين. إذن ، الجانب من الجزيء حيث توجد ذرتا الهيدروجين له شحنة موجبة طفيفة ، وجانب الأكسجين به شحنة سالبة صغيرة. هذه الخصائص القطبية للماء تجعله يجذب الرأس القطبي لجزيء الفسفوليبيد ، والذي يقال أنه محب للماء ، ويصد ذيله غير القطبي ، والذي يقال إنه كاره للماء.
عندما يتم إذابة جزيئات الفسفوليبيد في الماء ، تعمل الخواص الكهربائية للمادتين معًا لتتسبب في تنظيم جزيئات الفسفوليبيد في غشاء. ينغلق الغشاء على نفسه في كرة صغيرة تسمى الجسيم الشحمي. تشكل جزيئات الفسفوليبيد طبقة ثنائية من جزيئين بسمك. تتجه الرؤوس القطبية المحبة للماء نحو الخارج نحو الماء على السطح الداخلي والخارجي للغشاء. يتم وضع ذيول الكارهة للماء بين بعضها البعض في مواجهة بعضها البعض. بينما تظل جزيئات الفسفوليبيد ثابتة في طبقتها ، مع مواجهة رؤوسها للخارج وذيولها للداخل ، لا يزال بإمكانها التحرك فيما يتعلق ببعضها البعض ، مما يمنح الغشاء مرونة السوائل اللازمة للحياة.
أغشية الفسفوليبيد ثنائية الطبقة هي أساس جميع أغشية الخلايا الأرضية. حتى لوحده ، يمكن للجسيم الشحمي أن ينمو ويتكاثر ويساعد في تفاعلات كيميائية معينة مهمة للحياة ، وهذا هو السبب في أن بعض علماء الكيمياء الحيوية يعتقدون أن تكوين الجسيمات الشحمية قد يكون الخطوة الأولى نحو الحياة. على أي حال ، يجب أن يكون تكوين أغشية الخلايا بالتأكيد خطوة مبكرة في ظهور الحياة على الأرض.
على اليسار ، يتكون الماء من الهيدروجين (H) والأكسجين (O) ، وهو مذيب قطبي. يجذب الأكسجين الإلكترونات بقوة أكبر من الهيدروجين ، مما يعطي جانب الهيدروجين من الجزيء شحنة موجبة صافية وجانب الأكسجين صافي شحنة سالبة. يشير رمز دلتا () إلى أن الشحنة جزئية ، أي أقل من وحدة كاملة من الشحنة الموجبة أو السالبة. على اليمين ، الميثان هو مذيب غير قطبي ، بسبب التوزيع المتماثل لذرات الهيدروجين (H) حول ذرة كربون مركزية (C). تنسب إليه: Jynto كما تم تعديله بواسطة Paul Patton .
إذا كان هناك شكل من أشكال الحياة على تيتان ، سواء كان وحش البحر أو (على الأرجح) ميكروب ، فمن شبه المؤكد أنه سيحتاج إلى غشاء خلوي ، تمامًا مثل كل كائن حي على الأرض. هل يمكن أن تتشكل أغشية الفسفوليبيد ثنائية الطبقة في الميثان السائل على تيتان؟ الجواب لا. على عكس الماء ، فإن جزيء الميثان له توزيع متساوٍ للشحنات الكهربائية. إنه يفتقر إلى الصفات القطبية للماء ، وبالتالي لا يمكنه جذب الرؤوس القطبية لجزيء الفسفوليبيد. هذا الجذب ضروري للفوسفوليبيدات لتشكيل غشاء خلوي على غرار الأرض.
تم إجراء تجارب حيث يتم إذابة الدهون الفسفورية في السوائل غير القطبية عند درجة حرارة الغرفة الأرضية. في ظل هذه الظروف ، تشكل الدهون الفسفورية غشاء من طبقتين 'من الداخل إلى الخارج'. تقع الرؤوس القطبية لجزيئات الفسفوليبيد في المركز ، تنجذب إلى بعضها البعض بواسطة شحناتها الكهربائية. تتجه الأطراف غير القطبية للخارج على كل جانب من جوانب الغشاء من الداخل إلى الخارج ، وتواجه المذيب غير القطبي.
إلى اليسار ، يتم إذابة الدهون الفسفورية في الماء ، وهو مذيب قطبي. إنها تشكل غشاء ثنائي الطبقة ، برؤوسها القطبية المحبة للماء تواجه الخارج باتجاه الماء ، وذيولها الكارهة للماء تواجه بعضها البعض. على اليمين ، عندما يتم إذابة الدهون الفوسفورية في مذيب غير قطبي عند درجة حرارة الغرفة الأرضية ، فإنها تشكل غشاءًا من الداخل إلى الخارج ، حيث تجذب الرؤوس القطبية بعضها البعض ، وتتجه ذيول غير قطبية للخارج نحو المذيب غير القطبي. بناء على الشكل 2 من ستيفنسون ولونين وكلانسي (2015) . الائتمان: بول باتون
هل يمكن أن تحتوي الحياة التيتانيان على غشاء فسفوليبيد مقلوب؟ خلص فريق كورنيل إلى أن هذا لن ينجح ، لسببين. الأول هو أنه في درجات الحرارة المبردة للميثان السائل ، تصبح ذيول الشحميات الفسفورية صلبة ، مما يحرم أي غشاء داخلي إلى الخارج قد يشكل مرونة السوائل اللازمة للحياة. والثاني هو أن المكونين الرئيسيين للفوسفوليبيدات ؛ الفوسفور والأكسجين ، على الأرجح غير متوفرين في بحيرات الميثان في تيتان. في بحثهم عن أغشية الخلايا التايتانية ، احتاج فريق كورنيل إلى استكشاف ما وراء المجال المألوف لبيولوجيا المدرسة الثانوية.
على الرغم من عدم احتوائه على الدهون الفوسفورية ، استنتج العلماء أن أي غشاء خلوي تيتاني سيكون مع ذلك مثل أغشية الفوسفوليبيد من الداخل إلى الخارج التي تم إنشاؤها في المختبر. سيتكون من جزيئات قطبية تتشبث ببعضها البعض كهربائياً في محلول ميثان سائل غير قطبي. ما هي الجزيئات التي يمكن أن تكون؟ للحصول على إجابات ، نظر الباحثون إلى البيانات من المركبة الفضائية كاسيني ومن التجارب المعملية التي أعادت إنتاج كيمياء الغلاف الجوي لتيتان.
من المعروف أن الغلاف الجوي لتيتان يحتوي على كيمياء معقدة للغاية. وهي مصنوعة في الغالب من غاز النيتروجين وغاز الميثان. عندما حللت المركبة الفضائية كاسيني تركيبتها باستخدام التحليل الطيفي ، وجدت آثارًا لمجموعة متنوعة من مركبات الكربون والنيتروجين والهيدروجين ، تسمى النتريل والأمينات. قام الباحثون بمحاكاة كيمياء الغلاف الجوي لتيتان في المختبر من خلال تعريض مزيج من النيتروجين والميثان لمصادر الطاقة التي تحاكي ضوء الشمس على تيتان. يخنة من الجزيئات العضوية تسمى ' ثولين ' لقد تكون. يتكون من مركبات الهيدروجين والكربون ، تسمى الهيدروكربونات ، وكذلك النتريل والأمينات.
رأى محققو كورنيل النتريل والأمينات كمرشحين محتملين لأغشية الخلايا التايتانية. كلاهما عبارة عن جزيئات قطبية قد تلتصق ببعضها البعض لتشكيل غشاء في الميثان السائل غير القطبي بسبب قطبية المجموعات المحتوية على النيتروجين الموجودة في كلاهما. لقد استنتجوا أن الجزيئات المرشحة يجب أن تكون أصغر بكثير من الفوسفوليبيدات ، بحيث يمكنها تكوين أغشية سائلة عند درجات حرارة الميثان السائل. لقد اعتبروا النتريل والأمينات التي تحتوي على سلاسل من ثلاث إلى ست ذرات كربون. تسمى المجموعات المحتوية على النيتروجين مجموعات 'أزوتو' ، لذلك أطلق الفريق على نظيرها الافتراضي تيتانيان إلى الجسيم الشحمي 'آزوتوسوم'.
كان تركيب الأزوتوسومات للدراسة التجريبية أمرًا صعبًا ومكلفًا ، لأن التجارب ستحتاج إلى إجرائها في درجات حرارة شديدة البرودة للميثان السائل. ولكن نظرًا للدراسة المكثفة للجزيئات المرشحة لأسباب أخرى ، فقد شعر باحثو كورنيل أن من المبرر اللجوء إلى أدوات الكيمياء الحاسوبية لتحديد ما إذا كانت جزيئاتهم المرشحة يمكن أن تتماسك كغشاء مرن في الميثان السائل. تم استخدام النماذج الحسابية بنجاح لدراسة أغشية الخلايا الفسفورية التقليدية.
تم تحديد الأكريلونيتريل كأساس محتمل لأغشية الخلايا في الميثان السائل على تيتان. من المعروف أنه موجود في الغلاف الجوي لتيتان بتركيز 10 أجزاء في المليون وقد تم إنتاجه في المحاكاة المعملية لتأثيرات مصادر الطاقة على الغلاف الجوي لتيتان من النيتروجين والميثان. كجزيء قطبي صغير قادر على الذوبان في الميثان السائل ، فهو مادة مرشحة لتشكيل أغشية الخلايا في الكيمياء الحيوية البديلة على تيتان. أزرق فاتح: ذرات كربون ، أزرق داكن: ذرة نيتروجين ، أبيض: ذرات هيدروجين. الائتمان: بن ميلز كما عدله بول باتون.
تتم محاذاة جزيئات الأكريلونيتريل القطبية 'الرأس' مع 'الذيل' لتشكيل غشاء في الميثان السائل غير القطبي. أزرق فاتح: ذرات كربون ، أزرق داكن: ذرات نيتروجين ، أبيض: ذرات هيدروجين. تنسب إليه: جيمس ستيفنسون .
أظهرت عمليات المحاكاة الحسابية للمجموعة أنه يمكن استبعاد بعض المواد المرشحة لأنها لن تتماسك كغشاء ، أو ستكون صلبة جدًا ، أو ستشكل مادة صلبة. ومع ذلك ، أظهرت عمليات المحاكاة أيضًا أن عددًا من المواد ستشكل أغشية بخصائص مناسبة. إحدى المواد المناسبة هي مادة الأكريلونيتريل ، والتي أظهرت كاسيني أنها موجودة في الغلاف الجوي لتيتان بمعدل تركيز 10 أجزاء لكل مليون. على الرغم من الاختلاف الهائل في درجة الحرارة بين الآزوتوزومات المبردة والجسيمات الشحمية في درجة حرارة الغرفة ، أظهرت المحاكاة أنها تظهر خصائص متشابهة بشكل لافت للنظر للاستقرار والاستجابة للإجهاد الميكانيكي. أغشية الخلايا ، إذن ، ممكنة للحياة في الميثان السائل.
تُظهر المحاكاة الكيميائية الحاسوبية أن الأكريلونيتريل وبعض النيتروجين القطبي الصغير الآخر الذي يحتوي على جزيئات عضوية قادرة على تكوين 'أزوتوسومات' عندما يتم إذابتها في الميثان السائل. الأزوتوسومات عبارة عن كريات صغيرة يحدها غشاء مثل الجسيمات الشحمية التي تتكون من الدهون الفوسفورية عندما تذوب في الماء. تظهر عمليات المحاكاة أن أزوتوسومات الأكريلونيتريل ستكون مستقرة ومرنة في الميثان السائل البارد بالتبريد ، مما يمنحها الخصائص التي يحتاجون إليها لتعمل كأغشية خلوية للحياة الافتراضية في تيتانيان ، أو للحياة في أي عالم به ميثان سائل على سطحه. حجم الأزوتوسوم الموضح 9 نانومتر ، بحجم الفيروس. أزرق فاتح: ذرات كربون ، أزرق داكن: ذرات نيتروجين ، أبيض: ذرات هيدروجين. تنسب إليه: جيمس ستيفنسون .
يرى العلماء من كورنيل أن النتائج التي توصلوا إليها ليست أكثر من خطوة أولى نحو إظهار أن الحياة في الميثان السائل ممكنة ، ونحو تطوير الأساليب التي مركبة فضائية في المستقبل سوف تحتاج إلى البحث عنه على تيتان. إذا كانت الحياة ممكنة في الميثان السائل ، فإن الآثار في النهاية تمتد إلى ما هو أبعد من تيتان.
عند البحث عن ظروف مناسبة للحياة في المجرة ، يبحث علماء الفلك عادةً عن الكواكب الخارجية داخل المنطقة الصالحة للسكن للنجم ، والتي تُعرَّف على أنها النطاق الضيق للمسافات التي تكون درجة حرارة سطح الكوكب ذي الغلاف الجوي الشبيه بالأرض مناسبة للماء السائل. إذا كانت حياة الميثان ممكنة ، فستكون للنجوم أيضًا منطقة ميثان صالحة للسكن ، وهي منطقة يمكن أن يتواجد فيها الميثان كسائل على كوكب أو قمر ، مما يجعل حياة الميثان ممكنة. عدد العوالم الصالحة للسكن في المجرة سيزداد بشكل كبير. ربما ، في بعض العوالم ، تتطور حياة الميثان إلى أشكال معقدة يصعب تخيلها. ربما البعض منهم يشبه إلى حد ما وحوش البحر.
المراجع وقراءات إضافية:
إن. أتكينسون (2010) الحياة الغريبة على تيتان؟ انتظر دقيقة واحدة فقط ، الكون اليوم.
إن. أتكينسون (2010) يمكن أن تكون الحياة على تيتان كريهة الرائحة ومتفجرة ، الكون اليوم.
إم إل كابل ، إس إم هورست ، آر هوديس ، بي إم بوشامب ، إم إيه سميث ، بي إيه ويليس ، (2012) Titan tholins: محاكاة الكيمياء العضوية في Titan في عصر Cassini-Huygens ، مراجعات كيميائية، 112: 1882-1909.
هاول (2014) ستخضع بحيرات تيتان الرائعة التي تشبه المرآة لفحص كاسيني هذا الأسبوع ، الكون اليوم.
ميجور (2013) القطب الشمالي لتيتان مليء بالبحيرات ، الكون اليوم.
سي بي مكاي ، إتش دي سميث ، (2005) احتمالات الحياة الميثانية في الميثان السائل على سطح تيتان ، إيكاروس 178: 274-276.
J. Stevenson، J. Lunine، P. Clancy، (2015) M بدائل أممرين في عوالم خالية من الأكسجين: إنشاء أزوتوسوم ، تقدم العلوم 1 (1): e1400067.
إس.أوليسون (2014) غواصة تيتان: استكشاف أعماق مدينة كراكن ، مركز أبحاث ناسا جلين ، بيان صحفي.
مهمة كاسيني الانقلاب ، مختبر الدفع النفاث التابع لناسا
تحتفل وكالة ناسا ووكالة الفضاء الأوروبية بمرور 10 سنوات على هبوط تيتان ، ناسا 2015