Có thể có sự sống trên Titan mặt trăng Titan Saturn? Đặt câu hỏi buộc các nhà sinh vật học và hóa học phải suy nghĩ cẩn thận và sáng tạo về hóa học của sự sống, và nó có thể khác biệt như thế nào trên các thế giới khác so với trên Trái đất. Vào tháng 2, một nhóm các nhà nghiên cứu từ Đại học Cornell, bao gồm sinh viên tốt nghiệp kỹ thuật hóa học James Stevenson, nhà khoa học hành tinh Jonathan Lunine và kỹ sư hóa học Paulette Clancy, đã công bố một nghiên cứu tiên phong cho rằng màng tế bào có thể hình thành dưới điều kiện hóa học kỳ lạ trên mặt trăng đáng chú ý này. .
Theo nhiều cách, Titan là người song sinh Earth Earth. Nó có mặt trăng lớn thứ hai trong hệ mặt trời và lớn hơn cả hành tinh sao Thủy. Giống như Trái đất, nó có bầu khí quyển đáng kể, với áp suất khí quyển bề mặt cao hơn một chút so với Trái đất. Ngoài Trái đất, Titan là vật thể duy nhất trong hệ mặt trời của chúng ta được biết là có sự tích tụ chất lỏng trên bề mặt. Tàu thăm dò không gian của NASA Cass Cassini đã phát hiện ra những hồ nước phong phú và thậm chí cả những con sông ở vùng cực Titan Titan. Hồ lớn nhất, hay biển, được gọi là Kraken Mare, lớn hơn Trái đất Caspian Sea. Các nhà nghiên cứu biết từ cả các quan sát tàu vũ trụ và các thí nghiệm trong phòng thí nghiệm rằng bầu khí quyển Titan Titan rất giàu các phân tử hữu cơ phức tạp, là các khối xây dựng của sự sống.
Tất cả những đặc điểm này có thể làm cho có vẻ như Titan rất phù hợp với cuộc sống. Cái tên ‘Kraken, đề cập đến một con quái vật biển huyền thoại, huyền ảo phản ánh những hy vọng háo hức của các nhà sinh vật học. Nhưng, Titan là người ngoài hành tinh người ngoài hành tinh Trái đất. Nằm cách mặt trời gần gấp mười lần so với Trái đất, nhiệt độ bề mặt của nó là -180 độ C. Nước lỏng rất quan trọng đối với sự sống như chúng ta biết, nhưng trên bề mặt Titan, tất cả nước là chất rắn đông lạnh. Nước đá đóng vai trò như đá chứa silicon trên Trái đất, tạo nên các lớp bên ngoài của lớp vỏ.
Chất lỏng lấp đầy các hồ và sông Titan Titan không phải là nước, mà là khí metan lỏng, có thể trộn lẫn với các chất khác như ethane lỏng, tất cả đều là khí ở đây trên Trái đất. Nếu có sự sống ở biển Titan, thì đó không phải là cuộc sống như chúng ta biết. Nó phải là một dạng sống ngoài hành tinh, với các phân tử hữu cơ hòa tan trong metan lỏng thay vì nước lỏng. Là một điều như vậy thậm chí có thể?
Nhóm Cornell đã chiếm một phần quan trọng của câu hỏi đầy thách thức này bằng cách điều tra xem liệu màng tế bào có thể tồn tại trong khí metan lỏng hay không. Về cơ bản, mọi tế bào sống là một mạng lưới các phản ứng hóa học tự duy trì, được chứa trong các màng giới hạn. Các nhà khoa học nghĩ rằng màng tế bào xuất hiện rất sớm trong lịch sử sự sống trên Trái đất và sự hình thành của chúng thậm chí có thể là bước đầu tiên trong nguồn gốc của sự sống.
Ở đây trên trái đất, màng tế bào cũng quen thuộc như lớp sinh học trung học. Chúng được tạo thành từ các phân tử lớn gọi là phospholipids. Mỗi phân tử phospholipid có một ‘đầu và một’ đuôi. Đầu chứa một nhóm phốt phát, với một nguyên tử phốt pho liên kết với một số nguyên tử oxy. Đuôi bao gồm một hoặc nhiều chuỗi nguyên tử carbon, thường dài từ 15 đến 20 nguyên tử, với các nguyên tử hydro được liên kết ở mỗi bên. Đầu, do điện tích âm của nhóm phốt phát của nó, có sự phân bố điện tích không đều, và chúng tôi nói rằng nó là cực. Đuôi, mặt khác, là trung tính điện.
Các tính chất điện này xác định cách các phân tử phospholipid sẽ hoạt động khi chúng hòa tan trong nước. Nói về điện, nước là một phân tử cực. Các electron trong phân tử nước bị thu hút mạnh hơn vào nguyên tử oxy của nó so với hai nguyên tử hydro của nó. Vì vậy, phía của phân tử nơi hai nguyên tử hydro có điện tích dương nhẹ và phía oxy có điện tích âm nhỏ. Những tính chất cực của nước làm cho nó thu hút đầu cực của phân tử phospholipid, được cho là ưa nước, và đẩy lùi đuôi không phân cực của nó, được cho là kỵ nước.
Khi các phân tử phospholipid hòa tan trong nước, tính chất điện của hai chất phối hợp với nhau để làm cho các phân tử phospholipid tự tổ chức thành một màng. Màng này tự đóng lại thành một quả cầu nhỏ gọi là liposome. Các phân tử phospholipid tạo thành một phân tử hai lớp dày. Các đầu ưa nước cực hướng ra ngoài về phía nước trên cả mặt trong và mặt ngoài của màng. Các đuôi kỵ nước được kẹp giữa, đối mặt với nhau. Trong khi các phân tử phospholipid vẫn cố định trong lớp của chúng, với đầu hướng ra ngoài và đuôi hướng vào trong, chúng vẫn có thể di chuyển xung quanh với nhau, tạo cho màng chất lỏng linh hoạt cần thiết cho sự sống.
Màng hai lớp Phospholipid là cơ sở của tất cả các màng tế bào trên cạn. Ngay cả bản thân nó, một liposome có thể phát triển, sinh sản và hỗ trợ một số phản ứng hóa học quan trọng đối với sự sống, đó là lý do tại sao một số nhà hóa sinh nghĩ rằng sự hình thành của liposome có thể là bước đầu tiên đối với sự sống. Ở bất cứ giá nào, sự hình thành màng tế bào chắc chắn phải là một bước khởi đầu trong sự xuất hiện của cuộc sống trên Trái đất.
Nếu một dạng sống nào đó tồn tại trên Titan, dù là quái vật biển hay (rất có thể) là vi khuẩn, thì gần như chắc chắn sẽ cần phải có màng tế bào, giống như mọi sinh vật sống trên Trái đất. Các màng kép phospholipid có thể hình thành trong metan lỏng trên Titan không? Câu trả lời là không. Không giống như nước, phân tử metan có sự phân bố đều các điện tích. Nó thiếu chất lượng cực cực của nước, và do đó không thể thu hút các đầu cực của phân tử phospholipid. Sự hấp dẫn này là cần thiết cho các phospholipid để tạo thành màng tế bào kiểu Trái đất.
Các thí nghiệm đã được tiến hành trong đó phospholipid được hòa tan trong chất lỏng không phân cực ở nhiệt độ phòng Trái đất. Trong những điều kiện này, các phospholipid tạo thành màng hai lớp ’từ trong ra ngoài. Các đầu cực của các phân tử phospholipid nằm ở trung tâm, thu hút lẫn nhau bởi các điện tích của chúng. Các đuôi không phân cực hướng ra ngoài ở mỗi bên của màng từ trong ra ngoài, đối diện với dung môi không phân cực.
Cuộc sống Titanian có thể có một màng phospholipid bên trong? Nhóm Cornell đã kết luận rằng điều này sẽ làm việc, vì hai lý do. Đầu tiên là ở nhiệt độ đông lạnh của metan lỏng, đuôi phospholipid trở nên cứng nhắc, tước đi bất kỳ màng từ trong ra ngoài nào có thể hình thành nên tính linh hoạt của chất lỏng cần thiết cho sự sống. Thứ hai là hai thành phần chính của phospholipids; phốt pho và oxy, có lẽ không có sẵn trong các hồ mêtan của Titan. Trong quá trình tìm kiếm màng tế bào Titanian, nhóm Cornell cần thăm dò vượt ra ngoài lãnh vực quen thuộc của sinh học trung học.
Mặc dù không bao gồm phospholipid, các nhà khoa học cho rằng bất kỳ màng tế bào Titan nào cũng sẽ giống như màng phospholipid từ trong ra ngoài được tạo ra trong phòng thí nghiệm. Nó sẽ bao gồm các phân tử phân cực bám vào nhau trong dung dịch metan lỏng không phân cực. Những phân tử đó có thể là gì? Để trả lời, các nhà nghiên cứu đã tìm đến dữ liệu từ tàu vũ trụ Cassini và từ các thí nghiệm trong phòng thí nghiệm tái tạo hóa học của khí quyển Titan.
Không khí Titan Titan được biết là có một hóa học rất phức tạp. Nó được làm chủ yếu từ khí nitơ và khí mêtan. Khi tàu vũ trụ Cassini phân tích thành phần của nó bằng phương pháp quang phổ, nó đã tìm thấy dấu vết của một loạt các hợp chất của carbon, nitơ và hydro, được gọi là nitriles và amin. Các nhà nghiên cứu đã mô phỏng hóa học của bầu khí quyển Titan Titan trong phòng thí nghiệm bằng cách cho hỗn hợp nitơ và metan vào các nguồn năng lượng mô phỏng ánh sáng mặt trời trên Titan. Một hầm các phân tử hữu cơ được gọi là ‘tholins, được hình thành. Nó bao gồm các hợp chất của hydro và carbon, được gọi là hydrocarbon, cũng như nitriles và amin.
Các nhà điều tra Cornell đã xem nitriles và amin là những ứng cử viên tiềm năng cho màng tế bào Titan của họ. Cả hai đều là các phân tử phân cực có thể dính vào nhau tạo thành một màng trong metan lỏng không phân cực do sự phân cực của các nhóm chứa nitơ được tìm thấy trong cả hai. Họ lập luận rằng các phân tử ứng cử viên phải nhỏ hơn nhiều so với phospholipid, để chúng có thể tạo thành màng chất lỏng ở nhiệt độ metan lỏng. Họ đã xem xét nitriles và amin chứa chuỗi từ ba đến sáu nguyên tử carbon. Các nhóm có chứa nitơ được gọi là nhóm ‘azoto, các nhóm, vì vậy nhóm đã đặt tên đối tác Titanian giả thuyết của họ với liposome là‘ azotosome.
Tổng hợp các azotosome cho nghiên cứu thực nghiệm sẽ rất khó khăn và tốn kém, bởi vì các thí nghiệm cần phải được tiến hành ở nhiệt độ đông lạnh của metan lỏng. Nhưng vì các phân tử ứng cử viên đã được nghiên cứu rộng rãi vì những lý do khác, các nhà nghiên cứu Cornell cảm thấy hợp lý khi chuyển sang các công cụ hóa học tính toán để xác định xem các phân tử ứng cử viên của chúng có thể kết hợp thành một màng linh hoạt trong metan lỏng hay không. Các mô hình tính toán đã được sử dụng thành công để nghiên cứu màng tế bào phospholipid thông thường.
Các mô phỏng tính toán nhóm của nhóm cho thấy rằng một số chất ứng cử viên có thể bị loại trừ vì chúng không kết dính dưới dạng màng, quá cứng hoặc sẽ tạo thành chất rắn. Tuy nhiên, các mô phỏng cũng cho thấy rằng một số chất sẽ tạo thành màng với các đặc tính phù hợp. Một chất phù hợp là acrylonitrile, mà Cassini cho thấy có mặt trong bầu khí quyển Titan Titan với nồng độ 10 phần triệu. Mặc dù có sự khác biệt lớn về nhiệt độ giữa các azotozome gây bệnh và liposome ở nhiệt độ phòng, các mô phỏng cho thấy chúng thể hiện các tính chất tương tự đáng kinh ngạc của sự ổn định và phản ứng với căng thẳng cơ học. Sau đó, màng tế bào có thể tồn tại trong khí metan lỏng.
Các nhà khoa học từ Cornell xem phát hiện của họ không khác gì một bước đầu tiên hướng tới việc chứng minh rằng sự sống trong khí mêtan là có thể, và hướng tới phát triển các phương pháp mà tàu vũ trụ trong tương lai sẽ cần để tìm kiếm nó trên Titan. Nếu sự sống có thể xảy ra trong khí mêtan, thì hệ lụy cuối cùng cũng vượt xa Titan.
Khi tìm kiếm các điều kiện phù hợp với sự sống trong thiên hà, các nhà thiên văn học thường tìm kiếm các ngoại hành tinh trong vùng có thể ở sao Star, được định nghĩa là khoảng cách hẹp mà một hành tinh có bầu khí quyển giống Trái đất sẽ có nhiệt độ bề mặt phù hợp với nước lỏng. Nếu cuộc sống mêtan là có thể, thì các ngôi sao cũng sẽ có một vùng có thể ở được bằng khí mê-tan, một khu vực nơi khí mê-tan có thể tồn tại dưới dạng chất lỏng trên một hành tinh hoặc mặt trăng, làm cho sự sống của khí mê-tan có thể. Số lượng thế giới có thể ở được trong thiên hà sẽ được tăng lên rất nhiều. Có lẽ, trên một số thế giới, sự sống mêtan phát triển thành các dạng phức tạp mà chúng ta khó có thể tưởng tượng được. Có lẽ một số trong số họ thậm chí hơi giống quái vật biển.
Tài liệu tham khảo và đọc thêm:
N. Atkinson (2010) Cuộc sống ngoài hành tinh trên Titan? Đợi một phút, Tạp chí không gian.
N. Atkinson (2010) Cuộc sống trên Titan có thể có mùi và bùng nổ, Tạp chí Vũ trụ.
M. L. Cable, S. M. Horst, R. Hodyss, P. Beauchamp, M. A. Smith, P. Willis, (2012) Titan tholins: Mô phỏng hóa học hữu cơ Titan trong thời đại Cassini-Huygens, Phê bình hóa học, 112: 1882-1909.
E. Howell (2014) Những hồ nước giống như gương Titan Titan vĩ đại sẽ xuất hiện dưới sự giám sát của Cassini trong tuần này, Tạp chí Vũ trụ.
J. Major (2013) Titan cực Bắc Cực được tải với hồ, Tạp chí không gian.
C. P. McKay, H. D. Smith, (2005) Khả năng cho sự sống methanogen trong khí metan lỏng trên bề mặt Titan, Icarus 178: 274-276.
J. Stevenson, J. Lunine, P. Clancy, (2015) Các lựa chọn thay thế màng trong thế giới không có oxy: Tạo ra một azotosome, Tiến bộ khoa học 1 (1): e1400067.
S. Oleson (2014) Tàu ngầm Titan: Khám phá độ sâu của Kraken, Trung tâm nghiên cứu Glenn của NASA, Thông cáo báo chí.
Nhiệm vụ Cassini Solstice, Phòng thí nghiệm Động cơ phản lực của NASA
NASA và ESA kỷ niệm 10 năm kể từ khi Titan hạ cánh, NASA 2015
