Könnte es Leben auf Saturns großem Mond Titan geben? Das Stellen der Frage zwingt Astrobiologen und Chemiker, sorgfältig und kreativ über die Chemie des Lebens nachzudenken und darüber, wie sie auf anderen Welten anders sein kann als auf der Erde. Im Februar veröffentlichte ein Forscherteam der Cornell University, darunter der Doktorand für Chemieingenieurwesen James Stevenson, der Planetenwissenschaftler Jonathan Lunine und die Chemieingenieurin Paulette Clancy, eine wegweisende Studie, in der argumentiert wurde, dass sich unter den exotischen chemischen Bedingungen auf diesem bemerkenswerten Mond Zellmembranen bilden könnten .
In vielerlei Hinsicht ist Titan der Zwilling der Erde. Es ist der zweitgrößte Mond im Sonnensystem und größer als der Planet Merkur. Wie die Erde hat es eine beträchtliche Atmosphäre mit einem atmosphärischen Oberflächendruck, der etwas höher ist als der der Erde. Neben der Erde ist Titan das einzige Objekt in unserem Sonnensystem, von dem bekannt ist, dass es Flüssigkeitsansammlungen auf seiner Oberfläche hat. Die Cassini-Raumsonde der NASA entdeckte zahlreiche Seen und sogar Flüsse in den Polarregionen von Titan. Der größte See oder das größte Meer, Kraken Mare genannt, ist größer als das Kaspische Meer der Erde. Forscher wissen sowohl aus Beobachtungen von Raumfahrzeugen als auch aus Laborexperimenten, dass die Titanatmosphäre reich an komplexen organischen Molekülen ist, die die Bausteine des Lebens sind.
All diese Eigenschaften lassen den Eindruck entstehen, dass Titan für das Leben verlockend geeignet ist. Der Name "Kraken", der sich auf ein legendäres Seemonster bezieht, spiegelt auf phantasievolle Weise die Hoffnungen der Astrobiologen wider. Aber Titan ist der außerirdische Zwilling der Erde. Die Oberflächentemperatur ist fast zehnmal weiter von der Sonne entfernt als die Erde und beträgt kalte -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, die siliziumhaltiges Gestein auf der Erde spielt und die äußeren Schichten der Kruste bildet.
Die Flüssigkeit, die die Seen und Flüsse von Titan füllt, ist kein Wasser, sondern flüssiges Methan, wahrscheinlich gemischt mit anderen Substanzen wie flüssigem Ethan, die alle Gase hier auf der Erde sind. Wenn es Leben in Titans Meeren gibt, ist es nicht das Leben, wie wir es kennen. Es muss eine fremde Lebensform sein, bei der organische Moleküle in flüssigem Methan anstelle von flüssigem Wasser gelöst sind. Ist so etwas überhaupt möglich?
Das Cornell-Team hat einen wichtigen Teil dieser herausfordernden Frage aufgegriffen und untersucht, ob Zellmembranen in flüssigem Methan vorhanden sein können. Jede lebende Zelle ist im Wesentlichen ein sich selbst tragendes Netzwerk chemischer Reaktionen, das in Begrenzungsmembranen enthalten ist. Wissenschaftler glauben, dass Zellmembranen sehr früh in der Geschichte des Lebens auf der Erde entstanden sind und ihre Bildung möglicherweise sogar der erste Schritt zur Entstehung des Lebens gewesen sein könnte.
Hier auf der Erde sind Zellmembranen so vertraut wie der Biologieunterricht an der High School. Sie bestehen aus großen Molekülen, die Phospholipide genannt werden. Jedes Phospholipidmolekül hat einen „Kopf“ und einen „Schwanz“. Der Kopf enthält eine Phosphatgruppe mit einem Phosphoratom, das an mehrere Sauerstoffatome gebunden ist. Der Schwanz besteht aus einer oder mehreren Ketten von Kohlenstoffatomen, typischerweise 15 bis 20 Atomen lang, mit Wasserstoffatomen, die auf jeder Seite verbunden sind. Der Kopf hat aufgrund der negativen Ladung seiner Phosphatgruppe eine ungleiche Verteilung der elektrischen Ladung, und wir sagen, dass er polar ist. Der Schwanz hingegen ist elektrisch neutral.
Diese elektrischen Eigenschaften bestimmen, wie sich Phospholipidmoleküle verhalten, wenn sie in Wasser gelöst werden. Elektrisch gesehen ist Wasser ein polares Molekül. Die Elektronen im Wassermolekül werden stärker von seinem Sauerstoffatom als von seinen beiden Wasserstoffatomen angezogen. Die Seite des Moleküls, auf der sich die beiden Wasserstoffatome befinden, ist also leicht positiv geladen, und die Sauerstoffseite ist leicht negativ geladen. 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 zu bewirken, dass sich die Phospholipidmoleküle in einer Membran organisieren. Die Membran schließt sich zu einer kleinen Kugel zusammen, die als Liposom bezeichnet wird. Die Phospholipidmoleküle bilden eine zwei Moleküle dicke Doppelschicht. Die polaren hydrophilen Köpfe zeigen sowohl auf der Innen- als auch auf der Außenfläche der Membran nach außen zum Wasser. Die hydrophoben Schwänze sind dazwischen angeordnet und stehen sich gegenüber. Während die Phospholipidmoleküle mit ihren Köpfen nach außen und ihren Schwänzen nach innen in ihrer Schicht fixiert bleiben, können sie sich immer noch relativ zueinander bewegen, was der Membran die für das Leben erforderliche Flüssigkeitsflexibilität verleiht.
Phospholipid-Doppelschichtmembranen sind die Basis aller terrestrischen Zellmembranen. Selbst für sich allein kann ein Liposom bestimmte lebenswichtige chemische Reaktionen wachsen, reproduzieren und unterstützen, weshalb einige Biochemiker der Ansicht sind, dass die Bildung von Liposomen der erste Schritt in Richtung Leben gewesen sein könnte. In jedem Fall muss die Bildung von Zellmembranen sicherlich ein früher Schritt in der Entstehung des Lebens auf der Erde gewesen sein.
Wenn auf Titan irgendeine Form von Leben existiert, ob Seemonster oder (wahrscheinlicher) Mikrobe, müsste es mit ziemlicher Sicherheit eine Zellmembran haben, genau wie jedes Lebewesen auf der Erde. Könnten sich auf flüssigem Methan auf Titan Phospholipid-Doppelschichtmembranen 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 daher können die Polköpfe des Phospholipidmoleküls nicht angezogen werden. Diese Anziehungskraft wird benötigt, damit die Phospholipide eine Zellmembran im Erdstil bilden.
Es wurden Experimente durchgeführt, bei denen Phospholipide bei irdischer Raumtemperatur in unpolaren Flüssigkeiten gelöst werden. Unter diesen Bedingungen bilden die Phospholipide eine zweischichtige „Inside-Out“ -Membran. Die Polköpfe der Phospholipidmoleküle befinden sich im Zentrum und werden durch ihre elektrischen Ladungen voneinander angezogen. Die unpolaren Schwänze zeigen auf jeder Seite der Inside-Out-Membran nach außen und sind dem unpolaren Lösungsmittel zugewandt.
Könnte das Leben der Titanen eine von innen nach außen gerichtete Phospholipidmembran haben? Das Cornell-Team kam aus zwei Gründen zu dem Schluss, dass dies nicht funktionieren würde. Das erste ist, dass bei den kryogenen Temperaturen von flüssigem Methan die Schwänze von Phospholipiden starr werden und jegliche Inside-Out-Membran, die die für das Leben erforderliche Flüssigkeitsflexibilität bilden könnte, beraubt wird. Das zweite ist, dass zwei Hauptbestandteile von Phospholipiden; Phosphor und Sauerstoff sind in den Methanseen von Titan wahrscheinlich nicht verfügbar. Auf der Suche nach titanischen Zellmembranen musste das Cornell-Team über den vertrauten Bereich der Highschool-Biologie hinaus forschen.
Obwohl sie nicht aus Phospholipiden bestehen, schlussfolgerten die Wissenschaftler, dass jede Titan-Zellmembran dennoch den im Labor hergestellten Inside-Out-Phospholipidmembranen ähneln würde. Es würde aus polaren Molekülen bestehen, die in einer Lösung von unpolarem flüssigem Methan elektrisch aneinander haften. Welche Moleküle könnten das sein? Für Antworten suchten die Forscher nach Daten aus dem Cassini-Raumschiff und aus Laborexperimenten, die die Chemie der Titanatmosphäre reproduzierten.
Es ist bekannt, dass die Titanatmosphäre eine sehr komplexe Chemie aufweist. Es besteht hauptsächlich aus Stickstoff und Methangas. Als das Cassini-Raumschiff seine Zusammensetzung spektroskopisch analysierte, fand es Spuren einer Vielzahl von Verbindungen aus Kohlenstoff, Stickstoff und Wasserstoff, die als Nitrile und Amine bezeichnet werden. Forscher haben die Chemie der Titanatmosphäre im Labor simuliert, indem sie Gemische aus Stickstoff und Methan Energiequellen ausgesetzt haben, die das Sonnenlicht auf Titan simulieren. Es entsteht ein Eintopf aus organischen Molekülen, die als „Tholine“ bezeichnet werden. Es besteht aus Verbindungen von Wasserstoff und Kohlenstoff, die als Kohlenwasserstoffe bezeichnet werden, sowie Nitrilen und Aminen.
Die Cornell-Forscher sahen Nitrile und Amine als potenzielle Kandidaten für ihre Titan-Zellmembranen. Beide sind polare Moleküle, die aufgrund der Polarität der stickstoffhaltigen Gruppen, die in beiden gefunden werden, zusammenkleben könnten, um eine Membran in unpolarem flüssigem Methan zu bilden. Sie schlussfolgerten, dass Kandidatenmoleküle viel kleiner als Phospholipide sein müssen, damit sie bei Temperaturen von flüssigem Methan flüssige Membranen bilden können. Sie betrachteten Nitrile und Amine mit Ketten zwischen drei und sechs Kohlenstoffatomen. Stickstoffhaltige Gruppen werden als "Azoto" -Gruppen bezeichnet, daher nannte das Team ihr hypothetisches titanisches Gegenstück zum Liposom "Azotosom".
Die Synthese von Azotosomen für experimentelle Untersuchungen 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 ausgiebig untersucht wurden, hielten es die Cornell-Forscher für gerechtfertigt, sich den Werkzeugen der Computerchemie zuzuwenden, um festzustellen, ob ihre Kandidatenmoleküle als flexible Membran in flüssigem Methan kohärieren könnten. Computermodelle wurden erfolgreich verwendet, um herkömmliche Phospholipidzellmembranen zu untersuchen.
Die Computersimulationen der Gruppe zeigten, dass einige Kandidatensubstanzen ausgeschlossen werden konnten, weil sie nicht als Membran zusammenhielten, zu starr waren oder einen Feststoff bildeten. Die Simulationen zeigten jedoch 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 Titanatmosphäre in einer Konzentration von 10 ppm vorhanden ist. Trotz des großen Temperaturunterschieds zwischen kryogenen Azotozomen und Liposomen bei Raumtemperatur zeigten die Simulationen, dass sie auffallend ähnliche Eigenschaften hinsichtlich Stabilität und Reaktion auf mechanische Beanspruchung aufweisen. Zellmembranen sind also für das Leben in flüssigem Methan möglich.
Die Wissenschaftler von Cornell betrachten ihre Ergebnisse als einen ersten Schritt, um zu zeigen, dass Leben in flüssigem Methan möglich ist, und um die Methoden zu entwickeln, die zukünftige Raumschiffe benötigen, um auf Titan danach zu suchen. Wenn in flüssigem Methan Leben möglich ist, gehen 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 in der bewohnbaren Zone eines Sterns, definiert als der enge Entfernungsbereich, über den ein Planet mit einer erdähnlichen Atmosphäre eine für flüssiges Wasser geeignete Oberflächentemperatur haben würde. Wenn Methanleben möglich ist, hätten Sterne auch eine Methan-bewohnbare Zone, eine Region, in der Methan als Flüssigkeit auf einem Planeten oder Mond existieren könnte, was Methanleben ermöglicht. Die Anzahl der bewohnbaren Welten in der Galaxie würde stark zunehmen. Vielleicht entwickelt sich das Methanleben auf einigen Welten zu komplexen Formen, die wir uns kaum vorstellen können. Vielleicht sind einige von ihnen sogar ein bisschen wie Seemonster.
Referenzen und weiterführende Literatur:
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Cassini Solstice Mission, NASA Jet Propulsion Laboratory
NASA und ESA feiern 10 Jahre seit der Landung von Titan, NASA 2015
