Könnte es Leben auf Saturns großem Mond Titan geben? Das Stellen dieser Frage zwingt Astrobiologen und Chemiker, sorgfältig und kreativ über die Chemie des Lebens nachzudenken und wie sie auf anderen Welten anders sein könnte als auf der Erde. Im Februar veröffentlichte ein Forscherteam der Cornell University, darunter der Chemieingenieur-Doktorand James Stevenson, der Planetenwissenschaftler Jonathan Lunine und die Chemieingenieurin Paulette Clancy, eine bahnbrechende Studie, in der sie argumentierten, dass sich Zellmembranen unter den exotischen chemischen Bedingungen auf diesem bemerkenswerten Mond bilden könnten .
Titan ist in vielerlei Hinsicht der Zwilling der Erde. Er ist der zweitgrößte Mond im Sonnensystem und größer als der Planet Merkur. Wie die Erde hat sie eine beträchtliche Atmosphäre mit einem Luftdruck an der Oberfläche, der etwas höher ist als der der Erde. Titan ist neben der Erde das einzige Objekt in unserem Sonnensystem, von dem bekannt ist, dass es Flüssigkeitsansammlungen auf seiner Oberfläche aufweist. Cassini-Raumsonde der NASA entdeckt reichlich Seen und selbst Flüsse in den Polarregionen von Titan. Der größte See oder Meer, genannt Krakenstute , ist größer als das Kaspische Meer der Erde. Forscher wissen sowohl aus Beobachtungen von Raumfahrzeugen als auch aus Laborexperimenten, dass die Atmosphäre des Titans reich an komplexen organischen Molekülen ist, die die Bausteine des Lebens sind.
All diese Eigenschaften könnten den Anschein erwecken, als sei Titan verlockend für das Leben geeignet. Der Name ' Riss “, das sich auf ein legendäres Seeungeheuer bezieht, spiegelt phantasievoll die sehnsüchtigen Hoffnungen der Astrobiologen wider. Aber Titan ist der außerirdische Zwilling der Erde. Da sie fast zehnmal weiter von der Sonne entfernt ist als die Erde, beträgt ihre Oberflächentemperatur eisige -180 Grad Celsius. Flüssiges Wasser ist lebenswichtig, wie wir es kennen, aber auf der Oberfläche von Titan ist alles Wasser fest gefroren. Wassereis übernimmt die Rolle des siliziumhaltigen Gesteins auf der Erde und bildet die äußeren Schichten der Kruste.
Die Flüssigkeit, die Titans Seen und Flüsse füllt, ist kein Wasser, sondern eine Flüssigkeit Methan , wahrscheinlich gemischt mit anderen Substanzen wie Flüssigkeit Ethan , die hier auf der Erde alle Gase sind. Wenn es Leben in Titans Meeren gibt, ist es nicht das Leben, wie wir es kennen. Es muss eine fremde Lebensform sein, mit organischen Molekülen, die in flüssigem Methan anstelle von flüssigem Wasser gelöst sind. Ist so etwas überhaupt möglich?
Einen wichtigen Teil dieser herausfordernden Frage griff das Cornell-Team auf, indem es untersuchte, ob Zellmembranen in flüssigem Methan existieren können. Jede lebende Zelle ist im Wesentlichen ein sich selbst erhaltendes Netzwerk chemischer Reaktionen, das in angrenzenden Membranen enthalten ist. Wissenschaftler glauben, dass Zellmembranen sehr früh in der Geschichte des Lebens auf der Erde entstanden sind, und ihre Bildung könnte sogar der erste Schritt zur Entstehung des Lebens gewesen sein.
Hier auf der Erde, Zellmembranen sind so vertraut wie der Biologieunterricht an der High School. Sie bestehen aus großen Molekülen namens Phospholipide . Jeder Phospholipid Molekül hat einen „Kopf“ und einen „Schwanz“. Der Kopf enthält eine Phosphatgruppe, wobei ein Phosphoratom mit mehreren Sauerstoffatomen verbunden ist. Der Schwanz besteht aus einer oder mehreren Ketten von Kohlenstoffatomen, typischerweise 15 bis 20 Atome lang, wobei an jeder Seite Wasserstoffatome verbunden sind. Der Kopf hat aufgrund der negativen Ladung seiner Phosphatgruppe eine ungleiche Verteilung der elektrischen Ladung, und wir sagen, er ist polar. Der Schwanz hingegen ist elektrisch neutral.
Hier auf der Erde bestehen Zellmembranen aus Phospholipidmolekülen, die in flüssigem Wasser gelöst sind. Ein Phospholipid hat ein Rückgrat aus Kohlenstoffatomen (grau) und enthält außerdem Wasserstoff (himmelblau), Phosphor (gelb), Sauerstoff (rot) und Stickstoff (blau). Aufgrund der positiven Ladung, die mit der stickstoffhaltigen Cholingruppe verbunden ist, und der negativen Ladung, die mit der Phosphatgruppe verbunden ist, ist der Kopf polar und zieht Wasser an. Es ist daher hydrophil. Der Kohlenwasserstoffschwanz ist elektrisch neutral und hydrophob. Der Aufbau einer Zellmembran beruht auf diesen elektrischen Eigenschaften von Phospholipiden und Wasser. Die Moleküle bilden eine Doppelschicht, wobei die hydrophilen Köpfe nach außen, zum Wasser und die hydrophoben Schwänze nach innen, zueinander zeigen. Bildnachweis: Ties van Brussel
Diese elektrischen Eigenschaften bestimmen, wie sich Phospholipidmoleküle verhalten, wenn sie in Wasser . Wasser ist elektrisch gesehen ein polares Molekül. Die Elektronen im Wassermolekül werden von seinem Sauerstoffatom stärker angezogen als von seinen beiden Wasserstoffatomen. Die Seite des Moleküls, auf der sich die beiden Wasserstoffatome befinden, hat also eine leichte positive Ladung, und die Sauerstoffseite hat eine kleine negative Ladung. Diese polaren Eigenschaften von Wasser bewirken, dass es den polaren Kopf des Phospholipidmoleküls anzieht, der als hydrophil bezeichnet wird, und seinen unpolaren Schwanz abstößt, der als hydrophob bezeichnet wird.
Wenn Phospholipidmoleküle in Wasser gelöst werden, wirken die elektrischen Eigenschaften der beiden Substanzen zusammen, um die Phospholipidmoleküle zu einer Membran zu organisieren. Die Membran schließt sich zu einer kleinen Kugel, die man Liposom nennt. Die Phospholipidmoleküle bilden eine zwei Moleküle dicke Doppelschicht. Die polaren hydrophilen Köpfe weisen sowohl auf der Innen- als auch auf der Außenfläche der Membran nach außen in Richtung des Wassers. Die hydrophoben Schwänze sind dazwischen eingeklemmt und einander zugewandt. Während die Phospholipidmoleküle mit ihren Köpfen nach außen und ihren Schwänzen nach innen in ihrer Schicht fixiert bleiben, können sie sich dennoch relativ zueinander bewegen, was der Membran die für das Leben notwendige Flüssigkeitsflexibilität verleiht.
Phospholipid-Doppelschichtmembranen sind die Grundlage aller terrestrischen Zellmembranen. Auch allein kann ein Liposom wachsen, sich reproduzieren und bestimmte lebenswichtige chemische Reaktionen unterstützen, weshalb einige Biochemiker glauben, dass die Bildung von Liposomen der erste Schritt zum Leben gewesen sein könnte. Jedenfalls muss die Bildung von Zellmembranen sicherlich ein früher Schritt bei der Entstehung des Lebens auf der Erde sein.
Links ist Wasser, bestehend aus Wasserstoff (H) und Sauerstoff (O), ein polares Lösungsmittel. Sauerstoff zieht Elektronen stärker an als Wasserstoff, wodurch die Wasserstoffseite des Moleküls eine positive Nettoladung und die Sauerstoffseite eine negative Nettoladung erhält. Das Delta-Symbol ( ) zeigt an, dass die Ladung teilweise ist, d. h. weniger als eine volle Einheit positiver oder negativer Ladung. Rechts ist Methan aufgrund der symmetrischen Verteilung der Wasserstoffatome (H) um ein zentrales Kohlenstoffatom (C) ein unpolares Lösungsmittel. Kredit: Jynto, modifiziert von Paul Patton .
Wenn auf Titan irgendeine Form von Leben existiert, sei es ein Seeungeheuer oder (wahrscheinlicher) eine Mikrobe, müsste sie mit ziemlicher Sicherheit eine Zellmembran haben, genau wie jedes Lebewesen auf der Erde. Könnten sich Phospholipid-Doppelschichtmembranen in flüssigem Methan auf Titan bilden? Die Antwort ist nein. Im Gegensatz zu Wasser hat das Methanmolekül eine gleichmäßige Verteilung der elektrischen Ladungen. Es fehlen die polaren Eigenschaften des Wassers und kann daher die polaren Köpfe des Phospholipidmoleküls nicht anziehen. Diese Anziehung wird benötigt, damit die Phospholipide eine erdähnliche Zellmembran bilden können.
Es wurden Experimente durchgeführt, bei denen Phospholipide in unpolaren Flüssigkeiten bei irdischer Raumtemperatur gelöst wurden. Unter diesen Bedingungen bilden die Phospholipide eine „von innen nach außen“ zweischichtige Membran. Im Zentrum stehen die polaren Köpfe der Phospholipidmoleküle, die durch ihre elektrischen Ladungen zueinander angezogen werden. Die unpolaren Schwänze zeigen auf jeder Seite der Inside-Out-Membran nach außen, dem unpolaren Lösungsmittel zugewandt.
Links sind Phospholipide in Wasser, einem polaren Lösungsmittel, gelöst. Sie bilden eine Doppelschichtmembran, wobei ihre polaren, hydrophilen Köpfe nach außen in Richtung Wasser zeigen und ihre hydrophoben Schwänze einander zugewandt sind. Rechts, wenn Phospholipide in einem unpolaren Lösungsmittel bei irdischer Raumtemperatur aufgelöst werden, bilden sie eine von innen nach außen gerichtete Membran, wobei sich die polaren Köpfe gegenseitig anziehen und die unpolaren Schwänze nach außen in Richtung des unpolaren Lösungsmittels zeigen. Basierend auf Abbildung 2 von Stevenson, Lunine und Clancy (2015) . Bildnachweis: Paul Patton
Könnte das Leben der Titanen eine umgedrehte Phospholipidmembran haben? Das Cornell-Team kam zu dem Schluss, dass dies aus zwei Gründen nicht funktionieren würde. Der erste ist, dass bei den kryogenen Temperaturen von flüssigem Methan die Schwänze der Phospholipide starr werden, wodurch jede sich bildende Inside-Out-Membran der für das Leben erforderlichen Flüssigkeitsflexibilität beraubt wird. Der zweite ist, dass zwei Hauptbestandteile von Phospholipiden; Phosphor und Sauerstoff, sind in den Methanseen von Titan wahrscheinlich nicht verfügbar. Bei ihrer Suche nach titanischen Zellmembranen musste das Cornell-Team über den vertrauten Bereich der High-School-Biologie hinausgehen.
Obwohl sie nicht aus Phospholipiden besteht, argumentierten die Wissenschaftler, dass jede titanische Zellmembran dennoch wie die im Labor hergestellten umgedrehten Phospholipidmembranen wäre. Es würde aus polaren Molekülen bestehen, die in einer Lösung von unpolarem flüssigem Methan elektrisch aneinander haften. Welche Moleküle könnten das sein? Um Antworten zu finden, suchten die Forscher nach Daten der Raumsonde Cassini und aus Laborexperimenten, die die Chemie der Titanatmosphäre reproduzierten.
Es ist bekannt, dass die Atmosphäre von Titan eine sehr komplexe Chemie hat. Es besteht hauptsächlich aus Stickstoff und Methangas. Als die Raumsonde Cassini ihre Zusammensetzung mit Spektroskopie analysierte, fand sie Spuren einer Vielzahl von Verbindungen von Kohlenstoff, Stickstoff und Wasserstoff, die als Nitrile und Amine bezeichnet werden. Forscher haben die Chemie der Titanatmosphäre im Labor simuliert, indem sie Mischungen aus Stickstoff und Methan Energiequellen ausgesetzt haben, die das Sonnenlicht auf Titan simulieren. Ein Eintopf aus organischen Molekülen namens „ tholins ' gebildet. Es besteht aus Verbindungen von Wasserstoff und Kohlenstoff, den sogenannten Kohlenwasserstoffen, sowie Nitrilen und Aminen.
Die Cornell-Forscher sahen Nitrile und Amine als potenzielle Kandidaten für ihre titanischen Zellmembranen. Beide sind polare Moleküle, die aufgrund der Polarität der stickstoffhaltigen Gruppen, die in beiden gefunden werden, in unpolarem flüssigem Methan möglicherweise zusammenkleben, um eine Membran zu bilden. Sie argumentierten, dass Kandidatenmoleküle viel kleiner sein müssen als Phospholipide, damit sie bei flüssigen Methantemperaturen flüssige Membranen bilden könnten. Sie betrachteten Nitrile und Amine mit Strängen zwischen drei und sechs Kohlenstoffatomen. Stickstoffhaltige Gruppen werden „Azoto“-Gruppen genannt, daher nannte das Team ihr hypothetisches titanisches Gegenstück zum Liposom „Azotosom“.
Die Synthese von Azotosomen für experimentelle Studien wäre schwierig und teuer gewesen, da die Experimente bei den kryogenen Temperaturen von flüssigem Methan durchgeführt werden müssten. Da die Kandidatenmoleküle jedoch aus anderen Gründen intensiv untersucht wurden, sahen sich die Cornell-Forscher berechtigt, sich den Werkzeugen der Computerchemie zuzuwenden, um festzustellen, ob ihre Kandidatenmoleküle als flexible Membran in flüssigem Methan haften könnten. Computermodelle wurden erfolgreich verwendet, um konventionelle Phospholipid-Zellmembranen zu untersuchen.
Als mögliche Basis für Zellmembranen in flüssigem Methan auf Titan wurde Acrylnitril identifiziert. Es ist bekannt, dass es in der Atmosphäre von Titan in einer Konzentration von 10 ppm vorhanden ist und wurde in Laborsimulationen der Auswirkungen von Energiequellen auf die Stickstoff-Methan-Atmosphäre von Titan hergestellt. Als kleines polares Molekül, das sich in flüssigem Methan auflösen kann, ist es eine Kandidatensubstanz für die Bildung von Zellmembranen in einer alternativen Biochemie auf Titan. Hellblau: Kohlenstoffatome, Dunkelblau: Stickstoffatom, Weiß: Wasserstoffatome. Bildnachweis: Ben Mills in der von Paul Patton modifizierten Fassung.
Polare Acrylnitrilmoleküle richten „Kopf“ zu „Schwanz“ aus, um eine Membran in unpolarem flüssigem Methan zu bilden. Hellblau: Kohlenstoffatome, Dunkelblau: Stickstoffatome, Weiß: Wasserstoffatome. Kredit: James Stevenson .
Die computergestützten Simulationen der Gruppe zeigten, dass einige Kandidatensubstanzen ausgeschlossen werden konnten, weil sie nicht als Membran aneinander haften, zu starr wären oder einen Feststoff bilden würden. Dennoch zeigten die Simulationen auch, dass eine Reihe von Substanzen Membranen mit geeigneten Eigenschaften bilden würden. Eine geeignete Substanz ist Acrylnitril, von dem Cassini zeigte, dass es in der Atmosphäre von Titan in einer Konzentration von 10 ppm vorhanden ist. Trotz des enormen Temperaturunterschieds zwischen kryogenen Azotozomen und Liposomen bei Raumtemperatur zeigten die Simulationen, dass sie auffallend ähnliche Stabilitäts- und Reaktionseigenschaften auf mechanische Belastungen aufweisen. Zellmembranen sind also in flüssigem Methan lebenslang möglich.
Computerchemische Simulationen zeigen, dass Acrylnitril und einige andere kleine polare stickstoffhaltige organische Moleküle in der Lage sind, „Azotosomen“ zu bilden, wenn sie auf flüssigem Methan gelöst werden. Azotosomen sind kleine membranbegrenzte Kügelchen wie die Liposomen, die von Phospholipiden gebildet werden, wenn sie in Wasser gelöst werden. Die Simulationen zeigen, dass Acrylnitril-Azotosomen in kryogenisch kaltem flüssigem Methan sowohl stabil als auch flexibel sind, was ihnen die Eigenschaften verleiht, die sie benötigen, um als Zellmembranen für hypothetisches Leben in Titan oder für Leben auf jeder Welt mit flüssigem Methan auf ihrer Oberfläche zu fungieren. Das abgebildete Azotosom ist 9 Nanometer groß, etwa so groß wie ein Virus. Hellblau: Kohlenstoffatome, Dunkelblau: Stickstoffatome, Weiß: Wasserstoffatome. Kredit: James Stevenson .
Die Wissenschaftler von Cornell sehen in ihren Erkenntnissen nichts anderes als einen ersten Schritt, um zu zeigen, dass Leben in flüssigem Methan möglich ist, und Methoden zu entwickeln, die das zukünftiges Raumschiff muss auf Titan danach suchen. Wenn Leben in flüssigem Methan möglich ist, reichen die Auswirkungen letztendlich weit über Titan hinaus.
Bei der Suche nach Bedingungen, die für das Leben in der Galaxie geeignet sind, suchen Astronomen normalerweise nach Exoplaneten innerhalb der bewohnbaren Zone eines Sterns, die als der enge Bereich von Entfernungen definiert ist, über den ein Planet mit einer erdähnlichen Atmosphäre eine für flüssiges Wasser geeignete Oberflächentemperatur aufweisen würde. Wenn Methan-Leben möglich ist, dann hätten Sterne auch eine Methan-habitable Zone, eine Region, in der Methan als Flüssigkeit auf einem Planeten oder Mond existieren könnte, was Methan-Leben ermöglicht. Die Zahl der bewohnbaren Welten in der Galaxis würde stark erhöht. Vielleicht entwickelt sich das Methanleben auf manchen Welten zu komplexen Formen, die wir uns kaum vorstellen können. Vielleicht sind einige von ihnen sogar ein bisschen wie Seeungeheuer.
Referenzen und weiterführende Literatur:
N. Atkinson (2010) Außerirdisches Leben auf Titan? Warte nur eine Minute , Universum heute.
N. Atkinson (2010) Das Leben auf Titan könnte stinkend und explosiv sein , Universum heute.
M. L. Cable, S. M. Horst, R. Hodyss, P. M. Beauchamp, M. A. Smith, P. A. Willis, (2012) Titan-Tholins: Simulation der organischen Titan-Chemie in der Cassini-Huygens-Ära , Chemical Reviews, 112: 1882-1909.
E. Howell (2014) Titans majestätische spiegelähnliche Seen werden diese Woche unter Cassinis Prüfung stehen , Universum heute.
J. Major (2013) Titans Nordpol ist voller Seen , Universum heute.
C. P. McKay, H. D. Smith, (2005) Möglichkeiten für methanogenes Leben in flüssigem Methan auf der Oberfläche von Titan , Ikarus 178: 274-276.
J. Stevenson, J. Lunine, P. Clancy, (2015) M Embrane-Alternativen in Welten ohne Sauerstoff: Bildung eines Azotosoms , Science Advances 1(1):e1400067.
S. Oleson (2014) Titan-U-Boot: Erkundung der Tiefen von Kraken , NASA Glenn Research Center, Pressemitteilung.
Cassini-Sonnenwende-Mission , NASA Jet Propulsion Laboratory
NASA und ESA feiern 10 Jahre Titan-Landung , NASA 2015
