Forskare på Chalmers tekniska högskola har gjort nya upptäckter för den pågående forskningen om möjligheterna för liv på Titan, Saturnus största måne. Med kvantmekaniska beräkningar har de kunnat visat att azotosomer, ett alternativ för att skapa cellmembran som tidigare föreslagits, inte kan bildas där. Forskningen har publicerats i den vetenskapliga tidskriften Science Advances.

Forskare som letar efter liv på Titan, Saturnus största måne, använde kvantmekaniska beräkningar för att undersöka azotosomers livsduglighet, som en potentiell form av cellmembran. Bild: Nasa/Yen Strandqvist/Chalmers

Saturnus största måne Titan har en dynamisk yta med säsongsbundna regnperioder, sjöar och hav i dess polarregioner, liksom en tät kväverik atmosfär. De här förhållandena liknar i viss mån Jordens och därför överväger flera forskare möjligheten till liv på Titan. Vätskorna på Titan består dock till skillnad från Jorden inte av vatten utan av hav av metan och etan. Temperaturen på ytan är även cirka -180 °C. Under sådana förhållanden kan inte lipidbaserade cellmembran, likt de som finns på Jorden, fungera. Forskare i astrobiologi har därför letat efter alternativa former av cellmembran som skulle kunna tolerera den extrema miljön. En sådan alternativ form som förslagits av en forskningsgrupp från Cornell University är de så kallade ”azotosomerna”.

Azotosomidén har väckt uppmärksamhet inom astrobiologifältet och beräkningar har visat att den här sortens strukturer skulle kunna överleva under förhållandena som finns på Titan. Azotosomer är föreslagna att bildas av en organisk molekyl som heter akrylnitril som även har upptäckts på Titan.

– Titan är en fascinerande plats för att pröva vår kunskap om prebiotisk kemi – kemin som föregår liv, säger Martin Rahm, forskningsledare på Kemi och kemiteknik på Chalmers tekniska högskola. Vilka kemiska eller kanske biologiska strukturer skulle kunna bildas under de här förhållandena? Azotosomer som ett alternativt cellmembran var verkligen ett intressant förslag enligt det vi vet.

– Men vårt nya forskningsarbete visar tyvärr att även om den här strukturen kanske skulle fungera i Titans extrema förhållanden skulle den ändå inte kunna bildas.

Med hjälp av avancerade kvantmekaniska beräkningar jämförde forskarna energin av det föreslagna azotosommembranet inneslutet i metan med den kristallina formen av akrylnitril, dess molekylära is. De upptäckte att för varje enhet av akrylnitril som tillförs azotosomen ökar dess energi avsevärt, vilket visar att membranets bildande gradvis blir mer och mer termodynamiskt ogynnsamt. Slutsatsen som drogs är att även om azotosomer skulle kunna existera på Titan utan att falla samman så skulle de inte kunna bildas under sådana förhållanden. I stället skulle akrylnitril kristalliseras till dess molekylära is.

Trots de ”negativa” resultaten av arbetet anser Martin Rahm att studien, som är gjord tillsammans med doktoranden Hilda Sandström, tillför mycket värdefull information i aktuell forskning inom astrobiologi.

– Vi hoppas bidra till den pågående diskussionen om kemins och biologins gränser i extrema miljöer. Även om vi har visat att akrylnitril inte är gångbart som byggmaterial för att forma cellmembran på Titan, har vi nu fått en bättre förståelse för när cellmembran kan bildas, förklarar han.

Deras arbete är också ett viktigt steg framåt för att visa på möjligheterna med beräkningar inom astrobiologi. Sådana beräkningar kan ge uppskattningar om kemiska strukturer och processer kan vara biosignaturer, tecken på potentiell biologi, redan före experiment eller provtagning har skett.

Intresset för astrobiologi på Titan är mycket stort – så stort att Nasa kommer att skicka iväg miljarddollarrymdfarkosten Dragonfly till Titan 2026. Efter en 8 år lång resa dit kommer Dragonfly under tre år att utforska möjligheterna för prebiotisk kemi och leta efter förekomsten av liv.

Artikeln ”Can polarity-inverted membranes self-assemble on Titan?” kan läsas i den vetenskapliga tidskriften Science Advances:

Samtidigt som forskarna understryker att liv i de extrema förhållandena som finns på Titan och liknande världar är högst osannolikt, överväger de likväl andra möjligheter. De framför hypotesen att cellmembran kanske inte är nödvändigt för allt liv, även om det verkar så på Jorden.

Cellmembran fyller en viktig funktion på Jorden genom att skydda cellens innehåll från att bli utspätt och förstört i omkringliggande vatten. På Titans yta skulle dock en hypotetiskt livsbärande biomolekyl endast kunna existera i fast form på grund av den låga temperaturen och aldrig riskera att förstöras genom att lösas upp.

Eftersom hypotetiska biomolekyler på Titan skulle vara orörliga skulle de behöva förlita sig på att små energirika molekyler, som vätgas eller acetylen, kan nå dem innan de kan växa eller kopiera sig själva. Sådana små molekyler skulle behöva transporteras igenom den omgivande atmosfären eller genom flytande kolväten och ett membran skulle i båda fallen hejda den nödvändiga diffusionen. Ett membran skulle troligtvis även vara ett hinder i motsatt riktning, då restprodukter från biomolekylens metabolism behöver transporteras bort.

– Man kan därför ifrågasätta nyttan av ett cellmembran under så pass annorlunda förhållanden, förklarar Martin Rahm.

Filed under: SvenskTeknik