👨🏿‍🎨 👩🏽‍🔬 👦🏿 هل التيتانيوم هو مهد الحياة؟ 👨🏼‍🏫 🖐🏽 📎

يوم جيد ، مجتمع المهوس العزيز! أقدم إلى محكمتك أول ترجمة وأول منشور على Geektimes - "هل التيتانيوم هو مهد الحياة؟" (في الأصل - "تيتان - دار الحياة"). الأصل من وكالة ناسا هنا . تبحث الورقة الخصائص الفيزيائية الكيميائية للتيتانيوم من حيث إمكانية حدوث أشكال الحياة الميثوجينية عليه. حاول التقليل من المستشارية وغيرها من المسرات ، ولكن حتى الآن ، في رأيي ، لم يكن ناجحًا جدًا. على أي حال ، مهتمة ، أسأل تحت القط.

المحتوى:

مقدمة
الموئل
- مصادر الطاقة
- المغذيات
- موطن السوائل
- دورة السوائل ونقل المواد
الكيمياء الحيوية للكربون
- التقسيم كعامل للاستقلالية
- الجزيئات الحاملة للمعلومات وطرق تكرارها
- الجزيئات الهيكلية وطرق تركيبها
النظم البيئية
البحث عن الحياة
الاستنتاجات

مقدمة

في الوقت الحالي ، يرتبط البحث عن الحياة على الكواكب الأخرى ارتباطًا وثيقًا بالبحث عن الماء عليها. الماء مكون ضروري لعدد من العمليات والظواهر التي تدعم الحياة على الأرض ، بما في ذلك دورة المياه في الطبيعة والكيمياء الحيوية المألوفة للكربون في وسط مائي سائل. نحن نأخذ هذه العوامل كأمر مسلم به ، ونربط تطورها بظهور الماء السائل. يرتبط دور الماء كمذيب عالمي ارتباطًا وثيقًا بخصائصه الكيميائية والفيزيائية. بالنظر إلى السوائل الأخرى كأساس للحياة ، من الضروري مراعاة خصائصها الفيزيائية الكيميائية من حيث تلبية احتياجات الحياة.

التيتانيوم هو الجسم السماوي الوحيد الذي ثبت فيه وجود سائل - الميثان والإيثان - على السطح. كونه أكبر قمر صناعي لزحل ، فإن تيتان صغير جدًا مقارنة بالأرض: الجاذبية عليه حوالي 1/7 من الأرض. الضغط الجوي على سطح التيتانيوم أعلى 1.5 مرة من سطح الأرض ، ومتوسط درجة الحرارة 95 كيلو نيتروجين (95٪) ، وميثان (5٪) وهيدروجين (0.1٪) يسودان في الغلاف الجوي ، وهناك آثار لمركبات عضوية معقدة فيه. في الغلاف الجوي السفلي من تيتان ، هناك تداول نشط للميثان السائل مع تكوين سحابة موسمية وهطول الأمطار. يقع التيتانيوم في مدار متزامن بالقرب من زحل مع فترة تداول 16 يومًا (دورة نهارية وليلية). يوفر منحدر محور دوران زحل عند ~ 27 درجة تغييرًا في المواسم في نصفي الكرة الأرضية الشمالي والجنوبي من تيتان بدورة 30 عامًا.

إن الطبقات السفلية من الغلاف الجوي لتيتان كثيفة للغاية بحيث لا تستجيب لدورة الـ 16 يومًا ، لكن تغيراتها خلال دورة الثلاثين عامًا ملحوظة تمامًا. في الصيف ، تتراكم السحب الكثيفة في المناطق القطبية من تيتان ، حيث تحدث العديد من التفاعلات الكيميائية الضوئية. يؤدي تفكك النيتروجين والميثان في الغلاف الجوي إلى ظهور الضباب من الجزيئات العضوية في الطبقات العليا من الغلاف الجوي لتيتان ، والتي يستقر بعضها على السطح. أحد المنتجات الرئيسية للتفاعل الكيميائي الضوئي هو الإيثان ، الذي يتجمع على السطح ويمتزج بالميثان. تصل بحيرات الهيدروكربونات التي تشكلت على تيتان إلى قطر 1000 كم. تم إثبات ترطيب تيتانيوم بالميثان والإيثان بواسطة مسبار الهبوط Huygens.

هل يمكن أن نفترض أنه في ظل ظروف عمر تيتان نشأت على أساس الهيدروكربونات السائلة؟ الغرض من هذه المقالة هو محاولة وصف التيتانيوم بأنه مهد محتمل للحياة ، مع الأخذ في الاعتبار خصائص بيئة الهيدروكربونات والكيمياء الحيوية للكربون فيها والنظم البيئية التي تتكون على أساسها.

الموئل

يتم تحديد إمكانية الحياة في البيئة من خلال التفاعلات الفيزيائية الكيميائية للسوائل (الماء في حالة الأرض) ووجود جسيمات صلبة فيه. تخلق أشعة الشمس والبراكين والعمليات الفيزيائية الأخرى أهم الظروف للحياة على الأرض ، مثل وجود:

مصادر الطاقة الكيميائية أو الخفيفة
المغذيات
موطن السوائل
دورة السوائل لنقل المواد الغذائية والنفايات

هل هناك مثل هذه الشروط على تيتان؟

مصادر الطاقة

إن إمكانية وجود مصادر طاقة كيميائية في تيتان مفهومة جيدًا. ثبت أن المنتجات العضوية للتفاعلات الكيميائية الضوئية في جو التيتانيوم قادرة على إطلاق الطاقة عند التفاعل مع الهيدروجين الجوي.

هدرجة ethyne (الأسيتيلين) - الأكثر رد فعل فعال، والإفراج عن 334 كج من الطاقة لكل مول من C ₂ H ₂ ، وهو مشابه إلى الطاقة اللازمة لتشغيل نمو methanogens في العالم (40 كج) أو عن طريق تفاعل الميثان والأكسجين، مما أدى إلى إطلاق سراح ~ 900 كيلوجول / مول. ردود الفعل هو مبين في الجدول - طارد للحرارة، ولكن الظروف التي تيتان إعاقة حركيا [مثبط حركيا] ، والذي يعتبر مثاليا من وجهة نظر علم الأحياء. لذا ، على سبيل المثال ، في ظروف الأرض ، رد فعل O ₂و CH ₄ مثبط حركياً ، لكن الميثانوتروفيس ، الذي يحفز التفاعل ، يتلقى الطاقة نتيجة لمساره.

إذا كانت أزواج الأكسدة (مثل C ₂ H ₂ ، 3H ₂) يتم تشكيلها في الغلاف الجوي ، ويتم توزيعها على نطاق واسع على التيتانيوم وهي قابلة للذوبان بسهولة في الإيثان السائل والميثان ؛ يمكننا افتراض أن التركيب الضوئي للحياة غير مطلوب. ومع ذلك ، من المثير للاهتمام للغاية النظر في إمكانية مساره. تعطينا نماذج توزيع الضوء في جو تيتان والقياسات المباشرة لمستوى الإضاءة بواسطة مركبة الهبوط Huygens صورة كاملة للغاية لاختراق ضوء الشمس إلى السطح من خلال الغلاف الجوي. نظرًا لبُعد تيتان عن الشمس (10 AU) وضباب كثيف في الغلاف الجوي ، فإن أقصى إضاءة على سطحه لا تتجاوز 0.1٪ من الأرض. ومع ذلك ، فإن هذه الظروف أكثر من مناسبة لعملية التمثيل الضوئي ، والتي تستمر في الظروف الأرضية حتى مع الحد من التدفق الشمسي من 10 ⁶مرات مقارنة مع الظهيرة المشمسة. وبالتالي ، فإن التمثيل الضوئي على سطح التيتانيوم ممكن شريطة أن يتم استخدام أصباغ الأرض المماثلة. من الجدير بالذكر أنه حتى مع الأخذ في الاعتبار جميع العوامل المذكورة أعلاه ، فإن كمية الطاقة التي يتلقاها سطح التيتانيوم من الشمس هي أكبر من تلك التي يمكن الحصول عليها نتيجة للتفاعلات الكيميائية. لذلك ، سيكون المحيط الحيوي التيتانيوم أكثر كفاءة لاستهلاك الطاقة الشمسية مباشرة. على الأرض ، تستخدم عملية التمثيل الضوئي بشكل رئيسي CO ₂ و H ₂ O ، بينما على Titan CH ₄ يمكن أن تحل محلها ، و H ₂ ستكون ناتجًا ثانويًا للتفاعل .

المغذيات

تم العثور على المواد العضوية ، بما في ذلك التي تحتوي على النيتروجين ، على التيتانيوم في كثير من الأحيان. وبالتالي ، يوجد الكربون والهيدروجين والنيتروجين في مجموعة متنوعة من المركبات. يوجد جليد مائي على سطح تيتان ، ولكن حتى الآن لم يتم العثور على مركبات أخرى تحتوي على الأكسجين. لهذا السبب ، يمكن أن تحتوي الحياة على Titan على مجموعة محدودة جدًا من العناصر المستخدمة كمغذيات مقارنة بالحياة الأرضية.
يمكن أن تؤثر مجموعة فقيرة من العناصر الغذائية على مستوى تطور أشكال الحياة. يوضح الجدول أدناه المواد القابلة للذوبان بسهولة في مركبات الميثان والإيثان العضوية الموجودة على التيتانيوم.

أخطر مشكلة قد تواجهها الحياة في Titan هي الوصول إلى العناصر غير العضوية (Fe ، Cu ، Mn ، Zn ، Ni ، S ، Ca ، Na ، K ، إلخ) القابلة للذوبان في الماء. من المهم بشكل خاص استخدام المعادن كمكونات رئيسية للأنزيمات. في هذه الحالة ، هناك نهجان ممكنان:

تقليل الاستخدام المحافظ (مقارنة بالأرض) للعناصر التي يصعب الوصول إليها
استخدام H ₂ O كما المستبدلة ذكر المواد غير العضوية

تعد الدورة البيوجيوكيميائية للفسفور في المحيط الحيوي للأرض مثالًا على استخدام مادة يصعب الوصول إليها ليست في شكل جاهز للاستهلاك ولا يتم تضمينها في الدورة الطبيعية للمواد. يمكن أن يحدث شيء مماثل على التيتانيوم للعناصر الكيميائية غير العضوية. قد تكون المصادر المحتملة لهذه المواد هي زخات الشهب والمذنبات. من الجدير بالذكر أنه بهذه الطريقة يتم الحفاظ على مستوى CO و CO ₂ و H ₂ O في الغلاف الجوي على Titan . وهكذا ، يتدفق تيار من المواد غير العضوية مع ضباب عضوي إلى السطح حيث يمكن معالجتها واستخدامها.

بديل لما سبق يمكن أن يكون الرفض الكامل لأشكال الحياة من استخدام العناصر غير العضوية من حيث المبدأ. إذا كانت الحياة على Titan لا تتطلب التمثيل الضوئي ولا تحتاج إلى تثبيت النيتروجين من N ₂(يوجد النيتروجين الحر في المواد العضوية التي يتم تصنيعها أثناء التفاعلات الكيميائية الضوئية) ، يمكن القضاء على السببين الرئيسيين لضرورة استخدام المحفزات القائمة على المعادن. بالإضافة إلى ذلك ، من المفترض أن جزيئات الماء على التيتانيوم يمكن استخدامها في نفس دور المعادن في الإنزيمات على الأرض. من المستحيل استخدام روابط الهيدروجين لبناء هياكل فوق الجزيئية في الماء ، ومع ذلك ، يُفترض أنه في ظل ظروف تيتان ، ستكون قواتها مقبولة لعقد الهياكل المعقدة عند درجات حرارة منخفضة. رابطة الهيدروجين (5-30 كيلوجول / مول) أقوى من قوى فان دير فالس ، ولكنها أضعف من التساهمي (~ 300 كيلوجول / مول) أو الأيونية (20-30 كيلوجول / مول). الطاقة الحرارية (RT) على التيتانيوم عند درجة حرارة 95 كلفن ~ 1 كيلو جول / مول. الماء ، كونه أحد الجزيئات القطبية القليلة في تيتان ،مناسب تمامًا لتشكيل روابط الهيدروجين. يمكن لجزيئات H2O الفردية أو مجموعاتها الصغيرة الموجودة في "خلايا" الهيدروكربون أن تلعب دور المحفزات في الهياكل القائمة على الروابط الهيدروجينية.

الحياة على الأرض شائعة لأن المياه السائلة الصالحة للسكن شائعة. حتى في صحراء أتاكاما الأرضية الأكثر جفافاً في تشيلي ، تم العثور على الماء السائل. السوائل على تيتان ، مثل مياه الأرض ، منتشرة أيضًا: تم اكتشاف العديد من البحيرات الكبيرة في الشمال وبحيرة واحدة كبيرة على الأقل في نصف الكرة الجنوبي. أظهرت بيانات جهاز الزراعة Huygens أن التربة في منطقة تيتان الاستوائية رطبة بالميثان والإيثان. تشير الملاحظات من المدار إلى أن معظم التربة عند خطوط العرض المنخفضة رطبة. من الممكن وجود بحيرات صغيرة بالقرب من خط الاستواء. طبيعة أصلها ومحتواها وتوزيعها لا تزال غير معروفة بالضبط. تقع معظم المسطحات المائية الكبيرة ، باستثناء بحيرة أونتاريو ، في نصف الكرة الشمالي ،تقع 97٪ من البحيرات في مساحة 900 × 1800 كم (حوالي 2٪ من مساحة تيتان).

يمكن تقسيم جميع الخزانات الموجودة على Titan إلى مجموعتين كبيرتين. تصل البحيرات الكبيرة (عدة مئات من الكيلومترات) إلى عمق عدة مئات من الأمتار. ساحلها غير متساوٍ ، فهي متصلة بقنوات النهر (على سبيل المثال ، بحر ليجيا). في المقابل ، تكون البحيرات الصغيرة أصغر حجمًا ، كما أن خطها الساحلي أكثر تعقيدًا. توجد أجوف فارغة ، تشبه إلى حد كبير البحيرات الصغيرة ، على بعد 250 مترًا فوق البحيرات نفسها. قد يشير هذا إلى وجود طبقات المياه الجوفية وشبكة من القنوات تحت السطحية التي تحدد مستوى معينًا من السائل.

بحيرات على تيتان. خريطة النصف الشمالي من تيتان بألوان اصطناعية. البحيرات زرقاء ، الأرض بنية. تستند الخريطة إلى بيانات رادار كاسيني. يقع بحر كراكن ، أكبر بحيرة في تيتان ، أسفل القطب مباشرة. أعلى اليمين هو ثاني أكبر بحر ليجي.

صورة رادارية لبحر ليجيا تظهر الخط الساحلي المعقد وربط البحيرة بالأنهار. يبلغ عرض البحيرة حوالي 400 كيلومتر

، ويفترض أن بحيرات تيتان تكونت مثل الكارست على الأرض نتيجة لتذويب المواد العضوية الصلبة بواسطة الميثان السائل والإيثان. تتيح الصور الطيفية من المدار تحديد خمسة أنواع من الأراضي على تيتان:

منطقة مشرقة
كثبان استوائية داكنة
المناطق الزرقاء
المناطق التي ينبعث منها على طول موجة 5 ميكرومتر
بحيرات داكنة

وفقًا للرادار ، في التربة بالقرب من البحيرات القطبية والاستوائية ، يتم تسجيل نسبة عالية من الهيدروكربونات والنتريل ، ولكن الغياب الكامل لجليد الماء. ومع ذلك ، يشير طيف الانبعاث السطحي عند نقطة هبوط Huygens إلى طبقة من جليد الماء الحبيبي المغطى بالتربة الرطبة. من خلال استقراء بيانات مطياف Huygens إلى مناطق استوائية أخرى ، يمكن افتراض أن التربة عند خطوط العرض المنخفضة مبللة باستمرار. يمكن أن يحدث هذا إما بسبب وجود طبقة رطبة تحت سطح الأرض ، أو بسبب الأمطار المنهجية ، والتي يتم تأكيد حدوثها عند خطوط العرض هذه. تشير التقديرات إلى أن التربة يمكن أن تظل رطبة لمدة 5 إلى 50 يومًا بعد هطول الأمطار. وبالتالي ، إذا كانت الحياة يمكن أن توجد في سائل CH ₄ و C ₂ H ₆ثم يجب توزيعه على تيتان.

سطح التيتانيوم في موقع هبوط Huygens ، 10.2 درجة جنوبًا ، 192.4 درجة غربًا يتم ترقيم 8 أحجار مرئية في الصورة ، ويشار إلى أحجام اثنين منها جنبًا إلى جنب. يشار إلى المسافة من وحدة الهبوط باللون الأزرق. يعتقد أن الأحجار تتكون من جليد الماء المطلي بمادة عضوية صلبة. يشير الشكل المستدير للحجارة إلى تأثير السائل عليها.

دورة السوائل ونقل المواد

على الأرض ، الماء عبارة عن خليط من جزيئات H ₂ O نفسها بجسيمات صلبة - أملاح. يمكن إهمال الهواء المذاب فيه. يؤدي التبخر إلى فصل المياه العذبة عن الأملاح ، مما يؤدي إلى تكوين موائل سائلة مختلفة: العذبة (البحيرات والأنهار) والمالحة (البحار والمحيطات). نظرًا لحقيقة أن معظم سطح الأرض مغطى بالماء ، فإن عمليات التبخر والترسيب عبارة عن دورة مستمرة.

كما لوحظ أعلاه ، تم تسجيل هطول الأمطار السائلة في العديد من المناطق الاستوائية من تيتان. بالإضافة إلى ذلك ، في الصيف في المناطق القطبية وفي خطوط العرض المتوسطة ، يحدث تكوين السحابة. كقاعدة ، تتجاوز كمية الترسيب بشكل كبير التبخر في خطوط العرض> 60 درجة ، بينما في خطوط العرض المنخفضة والمتوسطة يكون حجم التبخر أعلى ، وهو ما يتفق مع عدم وجود الخزانات في هذه المناطق.

على عكس الأرض ، تتكون السوائل على سطح التيتانيوم من ثلاثة مكونات رئيسية: الميثان والإيثان والنيتروجين الجوي المذاب (قابلية الذوبان N ₂في الميثان والإيثان يصل إلى 20٪). الإيثان غير متطاير مقارنة بالميثان والنيتروجين ، ونتيجة لذلك يبقى على السطح عندما يتبخر السائل. وهكذا ، يمكن للنيتروجين والميثان (وبدرجة أقل الإيثان) ، عندما يكونان في الغلاف الجوي ، أن يتفاعلا مع السوائل على السطح. المطر على تيتان هو مزيج من هذه الغازات.

أظهرت الدراسات أن السائل المكون من ثلاثة مكونات يتصرف بشكل مختلف أثناء التبخر والتكثيف عن السائل أحادي المكون ، بسبب التقلبات المختلفة للمركبات المكونة له. على وجه الخصوص ، تزداد كثافة السائل مع درجة الحرارة. وبالتالي ، يكون السائل في المناطق القطبية أقل كثافة منه في خط الاستواء. من المعروف أيضًا أن كثافة السائل على تيتان ترتبط عكسياً بالضغط ، الذي يختلف اختلافًا جوهريًا عن خصائص الماء على الأرض. كل ما سبق يسبب نظامًا أكثر تعقيدًا لدوران السوائل على تيتان مقارنة بالأرض.

تنعكس الاختلافات المذكورة أعلاه في تكوين بحيرات تيتان: تتكون البحيرات الشمالية من الميثان ، بينما تتكون البحيرات الجنوبية من الإيثان. من الممكن أن تكون بحيرة أونتاريو جزءًا من خزان متبخر أكبر. بهذا ، يشبه البحر الميت الأرضي. ومع ذلك ، على عكس الأرض ، من غير المعروف ما إذا كان جسم الماء يصبح أقل ملاءمة للحياة عندما يكون مشبعًا بسائل أقل تقلبًا. الإيثان هو مذيب أقوى بكثير للجزيئات العضوية من الميثان (ميزة 20 مرة تقريبًا) والنيتروجين ، وبالتالي قد تكون بحيرات الإيثان أكثر ملاءمة لظهور وتطوير أشكال الحياة.

إذا كانت البحيرات على تيتان كارستية ، فيمكن أن يكون عمرهم قابلاً للمقارنة مع عمر أصغر أشكال الإغاثة للقمر (أقل من 100000 سنة تقريبًا). بالإضافة إلى ذلك ، يُفترض أن معدل تكوين الهياكل الكارستية في خطوط العرض الشمالية الوسطى أعلى بثلاث مرات من الجنوب. ويرجع ذلك إلى حقيقة أنه ، وفقًا لتنبؤات النموذج المناخي ، في خطوط العرض الجنوبية ، على الرغم من هطول أمطار أكثر كثافة ، ولكن أقل تكرارًا.

وبالتالي ، فإن الميثان والإيثان على تيتان جزء من دورة السوائل النشطة والمعقدة ، بما في ذلك هطول الأمطار والتبخر وتشكيل البحيرة ورطوبة التربة. يجب أن تكون هذه الدورات مقبولة لنقل العناصر الغذائية والنفايات ، والتي بدونها لا يمكن أن توجد الحياة.

الكيمياء الحيوية للكربون على التيتانيوم

تعتمد الحياة الأرضية على النشاط الكيميائي للمركبات المحتوية على الكربون في الماء السائل. يجب أن يكون أساس الحياة المحتملة على Titan هو التفاعلات الكيميائية للكربون في خليط سائل من الإيثان والميثان. يمكن أن تعمل الهياكل الرئيسية التي تستخدمها أشكال الحياة الأرضية (على سبيل المثال ، طبقة ثنائية دهنية كجزء من غشاء الخلية ؛ الأحماض الأمينية ؛ DNA) فقط إذا كان هناك مذيب شبيه بالماء. على الأرض ، توفر الكيمياء الحيوية للكربون:

مبدأ التقسيم
وجود والقدرة على نسخ الجزيئات التي تخزن وتنقل المعلومات
وجود الجزيئات الهيكلية وطرق تركيبها

هل يمكن أن تتم هذه العمليات في ظل ظروف تيتان؟

التقسيم كعامل للاستقلالية

من المفترض أن العامل الضروري في ظهور الحياة هو ظهور قشرة بين الجزء الداخلي من النظام الحي والبيئة الخارجية. على الأرض ، يعتمد غشاء الخلية على طبقة ثنائية الدهون ، ويعمل بسبب تفاعل الدهون الثنائية القطب مع الماء السائل. نتيجة للدراسات الحديثة ، تم اقتراح نموذج غشاء يسمى جزيء النيتروجين.قادرة على العمل في الميثان السائل عند درجات حرارة منخفضة. يتكون هذا الغشاء من مركبات عضوية صغيرة تحتوي على النيتروجين ، مثل أكريلونيتريل. تعتمد السلامة الهيكلية للغشاء على التجاذب بين "الرؤوس" القطبية للجزيئات الغنية بالنيتروجين وترابطها بواسطة ذرات النيتروجين والهيدروجين. وعلى الرغم من أن توليف جزيئات النيتروجين في ظروف المختبر أمر صعب للغاية ، إلا أن البنية نفسها هي نموذج قابل للحياة تمامًا في ظل ظروف تيتان.

جزيئات حاملي المعلومات وطرق مضاعفتها

وجد أن أي جزيء حامل للمعلومات (مثل DNA) لا يجب أن يغير شكله اعتمادًا على المعلومات المشفرة فيه. بالنسبة لهذه الميزة الأكثر أهمية ، على سبيل المثال ، تختلف جزيئات الحمض النووي عن البروتينات. سيؤدي استبدال حمض أميني واحد في تسلسل إلى تغيير جذري في شكل البروتين ، في حين أن الحمض النووي محصن ضد مثل هذه التغييرات. لذلك ، فإن DNA هو جزيء مناسب لتخزين المعلومات ، لكن البروتينات ليست كذلك.

أظهرت الدراسات الحديثة أن الاسترات ، التي اعتبرت مرشحة لدور جزيء نقل المعلومات على التيتانيوم ، غير قابلة للذوبان عمليا في درجات حرارة أقل من 170 كلفن (وعلى تيتان ، أذكر ، ~ 95 كلفن) ، وقابلية ذوبان البوليمرات الحيوية شرط ضروري لتطور الحياة. الماء مذيب جيد فقط لأنه في حالة سائلة عند درجات حرارة عالية وجزيئاته قطبية. وبالتالي ، فإن العوامل الرئيسية التي تعوق قابلية الذوبان في التيتانيوم هي درجة الحرارة المنخفضة والطبيعة غير القطبية لجزيئات الميثان والإيثان. يستمر البحث عن جزيء قابل للذوبان في ظل هذه الظروف حتى يومنا هذا.

إذا تم العثور على هذا الجزيء ، فمن المحتمل أن يكون الاتصال بين أجزائه هيدروجين. قد يكون أحد الخيارات رابطة هيدروجينية مع جزيئات الأكسجين والنيتروجين القطبية. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن أن تخزن بوليمرات التوصيل الكهربائي مثل polyryrrole أو polyaniline المعلومات. وهي تتكون من الكربون والنيتروجين والهيدروجين ويمكنها الانتقال بين حالات الأكسدة والاختزال المستقرة ، والتي يمكن أن تصبح الأساس لمعلومات التشفير.

الجزيئات الهيكلية وطرق تركيبها

بالنسبة للحياة الأرضية ، أصبح البروتين هو الجزيء الهيكلي الرئيسي. باستخدام ~ 20 من الأحماض الأمينية الأساسية فقط ، تقوم أشكال الحياة بتجميع كمية كبيرة من البروتينات المختلفة. يتم "تجميع" البروتينات الفردية في أشكال أكثر تعقيدًا بسبب كل من التفاعلات فيما بينها ، وبشكل رئيسي ، خصائصها الكارهة للماء.

في السوائل على تيتان ، يمكن أن تشتمل نظائر البروتين على سلاسل الهيدروكربونات والهياكل العطرية القائمة على المركبات العطرية والبنى النانوية الكربونية (بما في ذلك الجرافين) وأنواع مختلفة من الفوليرين. يمكن أن يؤدي إضافة النيتروجين إلى هذه المركبات إلى زيادة تنوعها بشكل ملحوظ.

النظم البيئية

من المعروف أن معظم أشكال الحياة على الأرض تعيش في مجموعات. داخل هذه المجموعات ، يحدث تبادل أكثر كفاءة للمواد والمعلومات الوراثية. وفقًا للبيانات الحديثة ، يمكن لمجتمعات الكائنات الحية الدقيقة تحمل الظروف القاسية بشكل أفضل من الأفراد الأفراد. تسمح المياه السائلة للأرض للكائنات الحية بالاتصال الجسدي ؛ بالإضافة إلى ذلك ، فإنه ينقل المواد التي تفرزها الخلية.
إذا كانت الحياة على Titan تعتمد على الجزيئات الحيوية الموجودة في الميثان السائل والإيثان ، فمن المحتمل أن تتشكل النظم البيئية الشبيهة بالأرض هناك أيضًا. يمكن أن تكون جزيئات الإشارة لأشكال الحياة هيدروكربونات منخفضة الوزن الجزيئي ومتحركة في وسط سائل الميثان والإيثان. إذا تم تخزين المادة الوراثية على التيتانيوم في بوليمرات قابلة للذوبان ، فيمكن أيضًا أن تكون متحركة في وسط سائل على سطحها. من الممكن أن يكون هناك تشابه بين الفيروسات الأرضية مع الأصداف الهيدروكربونية والمواد الوراثية بداخلها.

البحث عن الحياة

نظرًا للاختلاف الهائل بين أشكال الحياة المقترحة على Titan من الأشكال الأرضية ، فمن الضروري تطوير استراتيجية للعثور على الحياة على هذا القمر الصناعي من زحل. ومع ذلك ، فقد تم تطوير مبادئها الأساسية بالفعل.

واحدة من الخصائص الرئيسية للحياة هي انتقائيتها فيما يتعلق بالجزيئات المستخدمة. قد تكون هناك اختلافات مختلفة من المواد المماثلة كيميائيًا على Titan ، وسيتعين على أشكال الحياة الاختيار بينها. وهكذا ، في وجود الحياة ، يجب ملاحظة اختلاف كبير في تركيز الجزيئات المختلفة على تيتان ، في حين أن الاختلافات في البيئة اللاأحيائية ستكون أقل حدة.

وأبرز مثال على الانتقائية البيولوجية للحياة هو chirality. تستخدم الحياة على الأرض الأحماض الأمينية L فقط ، وليس نظائرها D. اكتشاف المثلية على تيتان سيكون دليلاً جادًا على الحياة. إن أبسط مثال على chirality هو ذرة ذات أربع مجموعات مرتبطة بها بطريقة ، عندما تتراكب عليها وانعكاسها المرآة ، فإنها لن تتزامن. يمكن تكوين مراكز chirality بإضافة النيتروجين إلى الهيدروكربونات.

لا يمكن لوجود الحياة إلا أن يؤثر على تكوين البيئة. لذا ، فإن معظم O ₂ و CO ₂ و CH ₄ وحتى N ₂في الغلاف الجوي للأرض التي تنتجها الكائنات الحية. تبدو دراسة الغلاف الجوي لتيتان أبسط بكثير من جمع عينات التربة من سطحه ، لذلك لا ينبغي إهمالها. ويعتقد أن H ₂ يمكن أن يكون بمثابة المؤشر الأكثر دقة للنشاط البيولوجي على Titan . سيؤثر استهلاك الهيدروجين في الغلاف الجوي بأشكال الحياة بشكل كبير على محتواه في طبقة التروبوسفير ، بشرط أن يتجاوز استهلاكه 10 ⁹ سم ^-2 * ثانية ^-1 . نتيجة للتفاعلات الضوئية في الغلاف الجوي من التيتانيوم ، من 0.32 إلى 1.2 × 10 ⁹ سم ^-2 * ثانية ^-1 C ₂ H ₂ ومن 1.2 إلى 15 × 10 ⁹ سم ^-2S * ^-1 C ₂ H ₆ . إذا افترضنا أن الميثانوجينات تستهلك حوالي 20 ٪ من هذا الحجم ، فإن محتوى الهيدروجين على سطح التيتانيوم يصبح ثابتًا تقريبًا. خلاف ذلك ، سيزداد المبلغ تدريجيًا مع الارتفاع.

التوزيع التخطيطي للهيدروجين على سطح التيتانيوم في وجود (خط صلب) وغياب أشكال الحياة الميثانوجينية

علامة أخرى على وجود الحياة هي مستوى الأسيتيلين والإيثان. وقد تم تأكيد أنه على سطح التيتانيوم عدة أوامر بحجم إيثان أقل مما يجب أن يكون وفقًا للنماذج. توقع الأخير أنه يجب أن يكون هناك ما يكفي من الإيثان لتغطية سطح تيتان بطبقة سمكها عدة أمتار. لم يجد مسبار كاسيني مثل هذه الطبقة. بالإضافة إلى ذلك ، بالمقارنة مع النماذج ، هناك نقص في الأسيتيلين على Titan ، على الرغم من توليفه في الغلاف الجوي والاحتياطيات السطحية المقدرة. لم يتم العثور على أي آثار للأسيتيلين أثناء هبوط مسبار Huygens. تشير هذه الحقائق إلى بعض التفاعلات الكيميائية التي تحدث على السطح بمشاركة الإيثان والأسيتيلين.
وجد أن تركيز الهيدروجين في الغلاف الجوي لتيتان غير متجانس ويتجاوز بشكل كبير المتوسط فوق خط العرض 50 درجة شمالًا. يمكن افتراض أن نصف الكرة الجنوبي الغني بالإيثان الغني يستهلك المزيد من الهيدروجين من نصف الكرة الشمالي بسبب خصائص الذوبان الأفضل للإيثان.

تتنبأ بعض النماذج بتدفق هيدروجين إلى الأسفل في جو تيتان. هناك أربعة تفسيرات محتملة لهذا (حسب الاحتمال):

قد يحاكي النموذج بشكل خاطئ أو غير دقيق الظروف المناخية والكيميائية للتيتانيوم وقد لا يكون هناك تدفق للهيدروجين.
قد تكون هناك عملية فيزيائية لنقل الهيدروجين من الغلاف الجوي العلوي إلى الأسفل. لذا ، يمكن للهيدروجين الحصول على سطح التيتانيوم بجزيئات عضوية ثقيلة صلبة.
إذا لوحظ انخفاض في مستوى الهيدروجين بالفعل على سطح تيتان ، فإن التفسير غير الحيوي لهذا يتطلب وجود محفز معين على السطح.
يحدث استهلاك الهيدروجين والأسيتيلين والإيثان في شكل حياة غير معروف يتكون على أساس الكربون في الميثان السائل والإيثان.

وبالتالي ، فإن أفضل طريقة للعثور على آثار للحياة على Titan هي قياس مستويات الهيدروجين والأسيتيلين والإيثان بدقة في الغلاف الجوي السفلي.

الاستنتاجات

تعتبر المقالة القمر الصناعي لـ Saturn Titan بمثابة مهد محتمل لشكل حياة غير معروف سابقًا. يبدو أن وجود وسيط سائل على سطحه ، وكمية كافية من الضوء والطاقة ، وتدفق مستمر للمواد العضوية من الغلاف الجوي ظروف مواتية للغاية لتطويره. في ظل هذه الظروف ، قد يوجد غشاء الخلية (نظريًا). ومع ذلك ، لم تتمكن الدراسات المختبرية من العثور على جزيء حامل معلومات مناسب لظروف تيتان. وبالتالي ، لا تزال إمكانية الحياة على تيتان مسألة مفتوحة.

التحديات الرئيسية التي قد يواجهها نموذج الحياة المقترح هي (من حيث صعوبة التغلب عليها):

تنوع ضعيف للعناصر الكيميائية على السطح
درجات حرارة منخفضة ، ونتيجة لذلك ، قابلية ذوبان منخفضة للمواد في الوسائط السائلة
الطبيعة غير القطبية لجزيئات الميثان والإيثان ، مما يقلل من قابلية الذوبان في الجزيئات العضوية وغير العضوية فيها
مجموعة صغيرة من جزيئات الهيدروكربون الهيكلية مقارنة بالبروتينات

بالنظر إلى هذه القيود ، يمكن افتراض أنه إذا كانت هناك حياة على تيتان ، فهي بدائية وغيرية ، ولديها أيض بطيء ونمط جيني بسيط نسبيًا. مجتمعات الكائنات الحية ليست متنوعة أيضًا ويمكن أن تكون نظائرها لمجتمعات البكتيريا المتطرفة على الأرض.

تشمل فوائد التيتانيوم لأشكال الحياة ما يلي:

تدفق مستمر وسهل الوصول إلى المغذيات من الغلاف الجوي
غياب الأشعة فوق البنفسجية والمؤينة على السطح
احتمالية منخفضة للتحلل الحراري عند درجات حرارة حوالي 95 كلفن

يمكن أن توجد أبسط النظم البيئية فقط على تيتان ، دون المنتجين الأساسيين والحيوانات المفترسة. يجب أن تكون أشكال الحياة غير متسامحة للغاية للطاقة ، وبالتالي ، سوف يتباطأ نموها. من الممكن تمامًا أن تكون الحياة على Titan أكبر قليلاً من التفاعلات التحفيزية التلقائية التي تحدث في غلاف النيتروجين [الأزوتومات] . ولكن إذا كانت قادرة على تخزين ونقل المعلومات الوراثية ، أي أنها داروين ، فستظهر مثالًا جيدًا للجيل المستقل من شكلين مختلفين من الحياة في نظام شمسي واحد. ومن يدري: ربما ، سيكون اكتشافه الخطوة الأولى على طريق التعرف على الكون ، المليء بالكائنات الحية المتنوعة والمدهشة.

هل التيتانيوم هو مهد الحياة؟