هل يمكن أن تكون هناك حياة على قمر زحل الكبير تيتان؟ إن طرح السؤال يجبر علماء الفلك والكيميائيين على التفكير بعناية وإبداع في كيمياء الحياة ، وكيف يمكن أن يكون مختلفًا في عوالم أخرى عن العالم. 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 تقول أن أغشية الخلايا يمكن أن تتشكل في ظل الظروف الكيميائية الغريبة الموجودة على هذا القمر الرائع .
من نواح عديدة ، تيتان هو توأم الأرض. إنه ثاني أكبر قمر في النظام الشمسي وأكبر من كوكب عطارد. مثل الأرض ، لها جو كبير ، مع ضغط جوي سطحي أعلى بقليل من ضغط الأرض. إلى جانب الأرض ، تيتان هو الجسم الوحيد في نظامنا الشمسي المعروف بتراكمه السائل على سطحه. اكتشف مسبار الفضاء كاسيني التابع لناسا بحيرات وفيرة وأنهار حتى في المناطق القطبية من تيتان. أكبر بحيرة ، أو بحر ، تسمى Kraken Mare ، أكبر من بحر قزوين على الأرض. يعرف الباحثون من كل من ملاحظات المركبات الفضائية والتجارب المختبرية أن الغلاف الجوي لتيتان غني بالجزيئات العضوية المعقدة ، والتي هي لبنات الحياة.
كل هذه الميزات قد تجعل الأمر يبدو كما لو أن Titan مناسب تمامًا للحياة. يعكس اسم "كراكن" ، الذي يشير إلى وحش بحري أسطوري ، بشكل خيالي الآمال المتلهفة لعلماء الفلك. لكن تيتان هو التوأم الغريب للأرض. كونها أبعد بعشر مرات تقريبًا عن الشمس ، تكون درجة حرارة سطحها شديدة البرودة -180 درجة مئوية. الماء السائل حيوي للحياة كما نعرفه ، ولكن على سطح تيتان ، تكون جميع المياه متجمدة. يأخذ جليد الماء الدور الذي تؤديه الصخور المحتوية على السيليكون على الأرض ، مما يشكل الطبقات الخارجية للقشرة.
السائل الذي يملأ بحيرات وأنهار تيتان ليس الماء ، ولكن الميثان السائل ، ربما يختلط بمواد أخرى مثل الإيثان السائل ، وكلها غازات هنا على الأرض. إذا كانت هناك حياة في بحار تيتان ، فهي ليست الحياة كما نعرفها. يجب أن يكون شكلًا غريبًا للحياة ، مع ذوبان 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 في ما إذا كان يمكن أن توجد أغشية الخلايا في الميثان السائل. كل خلية حية هي ، في الأساس ، شبكة ذاتية الاكتفاء من التفاعلات الكيميائية ، الموجودة داخل الأغشية المحيطة. يعتقد العلماء أن أغشية الخلايا ظهرت في وقت مبكر جدًا من تاريخ الحياة على الأرض ، وربما يكون تكوينها هو الخطوة الأولى في أصل الحياة.
هنا على الأرض ، أغشية الخلايا مألوفة مثل صف الأحياء في المدرسة الثانوية. وهي مصنوعة من جزيئات كبيرة تسمى phospholipids. كل جزيء فوسفوليبيد له "رأس" و "ذيل". يحتوي الرأس على مجموعة فوسفات ، وذرة فوسفور مرتبطة بعدة ذرات أكسجين. يتكون الذيل من سلسلة واحدة أو أكثر من ذرات الكربون ، عادة ما تكون من 15 إلى 20 ذرة ، مع ذرات هيدروجين مرتبطة على كل جانب. الرأس ، بسبب الشحنة السلبية لمجموعة الفوسفات ، لديه توزيع غير متساو للشحنة الكهربائية ، ونقول أنها قطبية. من ناحية أخرى ، الذيل محايد كهربائيا.
تحدد هذه الخواص الكهربائية كيف ستتصرف جزيئات الفوسفوليبيد عندما تذوب في الماء. من الناحية الكهربائية ، الماء جزيء قطبي. تنجذب الإلكترونات الموجودة في جزيء الماء بقوة إلى ذرة الأكسجين منها إلى ذرتي الهيدروجين. لذا ، فإن جانب الجزيء حيث ذرتا الهيدروجين لهما شحنة موجبة طفيفة ، وجانب الأكسجين لديه شحنة سالبة صغيرة. هذه الخصائص القطبية للمياه تجعلها تجذب الرأس القطبي لجزيء الفوسفوليبيد ، الذي يقال إنه محبة للماء ، ويطرد ذيله غير القطبي ، الذي يقال إنه مسعور.
عندما تذوب جزيئات الفوسفوليبيد في الماء ، تعمل الخواص الكهربائية لهاتين المادتين معًا لجعل جزيئات الفوسفوليبيد تنظم نفسها في غشاء. يغلق الغشاء على نفسه في كرة صغيرة تسمى ليبوزوم. تشكل جزيئات الفسفوليبيد جزيئات ثنائية الطبقة سميكة. تواجه الرؤوس القطبية المحبة للماء إلى الخارج نحو الماء على كل من السطح الداخلي والخارجي للغشاء. تقع ذيول مسعور بين مواجهة بعضها البعض. في حين أن جزيئات الفوسفوليبيد تظل ثابتة في طبقتها ، مع توجيه رؤوسها للخارج وأذنابها ، لا يزال بإمكانها التحرك فيما يتعلق ببعضها البعض ، مما يمنح الغشاء مرونة السوائل اللازمة للحياة.
أغشية ثنائية الطبقة الفسفورية هي أساس جميع أغشية الخلايا الأرضية. حتى لوحده ، يمكن أن ينمو ليبوسوم ، وينتج ويساعد تفاعلات كيميائية معينة مهمة للحياة ، وهذا هو السبب في أن بعض علماء الكيمياء الحيوية يعتقدون أن تكوين الليبوزومات قد يكون الخطوة الأولى نحو الحياة. على أي حال ، يجب أن يكون تكوين أغشية الخلايا بالتأكيد خطوة مبكرة في ظهور الحياة على الأرض.
إذا كان هناك شكل من أشكال الحياة موجود على تيتان ، سواء كان وحشًا بحريًا أو ميكروبًا (على الأرجح) ، فمن شبه المؤكد أنه سيحتاج إلى غشاء خلية ، تمامًا مثل كل شيء حي على الأرض. هل يمكن أن تتشكل أغشية ثنائية الفوسفوليبيد في ميثان سائل على تيتان؟ الجواب لا. على عكس الماء ، فإن جزيء الميثان لديه توزيع متساوي للشحنات الكهربائية. تفتقر إلى الصفات القطبية للماء ، وبالتالي لا يمكنها جذب الرؤوس القطبية لجزيء الفوسفوليبيد. هذا الجذب ضروري للفوسفوليبيدات لتشكيل غشاء الخلية على غرار الأرض.
وقد أجريت التجارب حيث تذوب الدهون الفوسفاتية في السوائل غير القطبية في درجة حرارة الغرفة الأرضية. في ظل هذه الظروف ، تشكل الدهون الفوسفاتية غشاء من طبقتين من الداخل إلى الخارج. الرؤوس القطبية لجزيئات الفوسفوليبيد في المركز ، تنجذب إلى بعضها البعض من خلال الشحنات الكهربائية. تواجه ذيول غير قطبية إلى الخارج على كل جانب من الغشاء الداخلي ، وتواجه المذيب غير القطبي.
هل يمكن أن يكون لحياة تيتانيان غشاء فوسفوليبي من الداخل؟ استنتج فريق كورنيل أن هذا لن ينجح لسببين. الأول هو أنه في درجات الحرارة المبردة للميثان السائل ، تصبح ذيول الفوسفوليبيدات جامدة ، مما يحرم أي غشاء داخلي قد يشكل مرونة السوائل اللازمة للحياة. والثاني هو أن مكونين رئيسيين من الدهون الفوسفاتية. الفوسفور والأكسجين ، ربما لا تتوفر في بحيرات الميثان في تيتان. في بحثهم عن أغشية الخلايا التايتانية ، احتاج فريق كورنيل إلى التحقيق خارج النطاق المألوف لبيولوجيا المدرسة الثانوية.
على الرغم من أنها لا تتكون من الدهون الفوسفاتية ، فقد اعتقد العلماء أن أي غشاء خلية تيتاني سيكون مع ذلك مثل الأغشية الفسفورية الداخلية التي تم إنشاؤها في المختبر. وستتكون من جزيئات قطبية تلتصق ببعضها البعض كهربائياً في محلول ميثان سائل غير قطبي. ما هي الجزيئات التي قد تكون تلك؟ للحصول على إجابات ، نظر الباحثون إلى بيانات من مركبة كاسيني الفضائية ومن التجارب المعملية التي أعادت إنتاج كيمياء الغلاف الجوي لتيتان.
من المعروف أن جو تيتان لديه كيمياء معقدة للغاية. وهي مصنوعة في الغالب من غاز النيتروجين والميثان. عندما حللت المركبة الفضائية كاسيني تكوينها باستخدام التحليل الطيفي ، وجدت آثارًا لمجموعة متنوعة من مركبات الكربون والنيتروجين والهيدروجين ، تسمى النتريل والأمينات. قام الباحثون بمحاكاة كيمياء جو تيتان في المختبر من خلال تعريض خليط من النيتروجين والميثان لمصادر الطاقة التي تحاكي ضوء الشمس على تيتان. يتم تشكيل يخنة من الجزيئات العضوية تسمى "الثولين". يتكون من مركبات الهيدروجين والكربون ، تسمى الهيدروكربونات ، وكذلك النتريل والأمينات.
رأى محققو كورنيل النتريل والأمينات كمرشحين محتملين لأغشية خلايا تيتان. كلاهما جزيئات قطبية قد تلتصق ببعضها البعض لتشكل غشاءًا في ميثان سائل غير قطبي بسبب قطبية المجموعات المحتوية على النيتروجين الموجودة في كل منهما. لقد استنتجوا أن الجزيئات المرشحة يجب أن تكون أصغر بكثير من الدهون الفوسفاتية ، بحيث يمكنها تكوين أغشية سائلة عند درجات حرارة الميثان السائلة. اعتبروا النتريل والأمينات التي تحتوي على سلاسل من ثلاث إلى ست ذرات كربون. تسمى المجموعات التي تحتوي على النيتروجين باسم مجموعات "azoto" ، لذلك أطلق الفريق على نظيره التايتاني نظيره في ليبوزوم "azotosome".
كان تجميع الآزوتوزات للدراسة التجريبية أمرًا صعبًا ومكلفًا ، لأن التجارب ستحتاج إلى إجرائها في درجات الحرارة المبردة للميثان السائل. ولكن بما أن الجزيئات المرشحة قد تمت دراستها على نطاق واسع لأسباب أخرى ، فقد شعر باحثو كورنيل بأنه مبرر في اللجوء إلى أدوات الكيمياء الحاسوبية لتحديد ما إذا كانت الجزيئات المرشحة يمكن أن تلتصق كغشاء مرن في الميثان السائل. تم استخدام النماذج الحسابية بنجاح لدراسة أغشية الخلايا الفوسفورية التقليدية.
أظهرت المحاكاة الحسابية للمجموعة أنه يمكن استبعاد بعض المواد المرشحة لأنها لن تتماسك كغشاء ، أو تكون صلبة جدًا ، أو تشكل مادة صلبة. ومع ذلك ، أظهرت المحاكاة أيضًا أن عددًا من المواد ستشكل أغشية ذات خصائص مناسبة. إحدى المواد المناسبة هي أكريلونيتريل ، والتي أظهرت كاسيني أنها موجودة في الغلاف الجوي لتيتان بتركيز 10 أجزاء لكل مليون تركيز. على الرغم من الاختلاف الهائل في درجة الحرارة بين الأزوتوزات المبردة والجسيمات الشحمية في درجة حرارة الغرفة ، أظهرت المحاكاة لهم أن يظهروا خصائص مشابهة بشكل مدهش للاستقرار والاستجابة للإجهاد الميكانيكي. أغشية الخلية ، إذن ، ممكنة للحياة في الميثان السائل.
يرى العلماء من كورنيل النتائج التي توصلوا إليها على أنها ليست أكثر من خطوة أولى نحو إظهار أن الحياة في الميثان السائل ممكنة ، ونحو تطوير الأساليب التي ستحتاجها المركبات الفضائية المستقبلية للبحث عنها على تيتان. إذا كانت الحياة ممكنة في الميثان السائل ، فإن التأثيرات تمتد في نهاية المطاف أبعد من تيتان.
عند البحث عن ظروف مناسبة للحياة في المجرة ، يبحث الفلكيون عادةً عن الكواكب الخارجية داخل منطقة النجم الصالحة للسكن ، والتي يتم تعريفها على أنها النطاق الضيق للمسافات التي يمكن أن تصل درجة حرارة سطحها إلى كوكب يشبه الغلاف الجوي مناسبًا للماء السائل. إذا كانت حياة الميثان ممكنة ، فستكون للنجوم أيضًا منطقة صالحة للميثان ، وهي منطقة يمكن أن يوجد فيها الميثان كسائل على كوكب أو قمر ، مما يجعل حياة الميثان ممكنة. سيزداد عدد العوالم الصالحة للسكن في المجرة زيادة كبيرة. ربما ، في بعض العوالم ، تتطور حياة الميثان إلى أشكال معقدة بالكاد يمكننا تخيلها. ربما بعضهم يشبه وحوش البحر.
المراجع ومزيد من القراءة:
ن.أتكينسون (2010) Alien Life on Titan؟ انتظر دقيقة واحدة فقط ، مجلة الفضاء.
أتكينسون (2010) يمكن أن تكون الحياة على تيتان كريهة الرائحة والمتفجرة ، مجلة الفضاء.
M. L. Cable، S. M. Horst، R. Hodyss، P. Beauchamp، M. A. Smith، P. Willis، (2012) Titan tholins: Simulation Titan الكيمياء العضوية في عصر Cassini-Huygens ، المراجعات الكيميائية ، 112: 1882-1909.
E. Howell (2014) بحيرات تيتانيك الشبيهة بالمرآة ستأتي تحت تدقيق كاسيني هذا الأسبوع ، مجلة الفضاء.
جيه ميجور (2013) القطب الشمالي لتيتان مليء بالبحيرات ، مجلة الفضاء.
ماك بي ، سميث د. سميث ، (2005) إمكانيات الحياة الميثانوجينية في الميثان السائل على سطح تيتان ، إيكاروس 178: 274-276.
ج. ستيفنسون ، ج. Lunine ، P. Clancy ، (2015) بدائل الغشاء في عوالم خالية من الأكسجين: إنشاء Azotosome ، Science Advances 1 (1): e1400067.
أوليسون (2014) غواصة تيتان: استكشاف أعماق كراكن ، مركز أبحاث ناسا جلين ، بيان صحفي.
بعثة كاسيني للانقلاب ، مختبر الدفع النفاث التابع لناسا
وكالة ناسا ووكالة الفضاء الأوروبية تحتفلان بمرور 10 سنوات على هبوط تيتان ، ناسا 2015
