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Ist Titan die Wiege des Lebens?

Guten Tag, liebe Geek-Community! Ich präsentiere Ihrem Gericht meine erste Übersetzung und den ersten Beitrag zu Geektimes - "Ist Titan die Wiege des Lebens?" (im Original - "Titan - Die Wohnstätte des Lebens"). Das Original der NASA ist hier . Die Arbeit untersucht die physikochemischen Eigenschaften von Titan im Hinblick auf die Möglichkeit des Auftretens methanogener Lebensformen darauf. Er hat versucht, die Kanzlei und andere Freuden zu minimieren, aber meiner Meinung nach bisher nicht allzu erfolgreich. Auf jeden Fall interessiert, frage ich unter Katze.



Inhalt:


  • Einführung
  • Lebensraum
    • Energiequellen
    • Nährstoffe
    • Flüssiger Lebensraum
    • Der Flüssigkeitskreislauf und der Transport von Substanzen

  • Kohlenstoffbiochemie
    • Kompartimentierung als Faktor der Autonomie
    • Molekülträger von Informationen und Methoden zu ihrer Replikation
    • Strukturmoleküle und Methoden zu ihrer Synthese
  • Ökosysteme
  • Lebenssuche
  • Schlussfolgerungen

Einführung


Derzeit ist die Suche nach Leben auf anderen Planeten untrennbar mit der Suche nach Wasser auf ihnen verbunden. Wasser ist eine notwendige Komponente für eine Reihe von Prozessen und Phänomenen, die das Leben auf der Erde unterstützen, einschließlich des Wasserkreislaufs in der Natur und der bekannten Biochemie von Kohlenstoff in einem flüssigen wässrigen Medium. Wir halten diese Faktoren für selbstverständlich und verbinden ihre Entwicklung mit der Entstehung von flüssigem Wasser. Die Rolle von Wasser als universelles Lösungsmittel hängt eng mit seinen chemischen und physikalischen Eigenschaften zusammen. Wenn man andere Flüssigkeiten als Grundlage des Lebens betrachtet, ist es notwendig, ihre physikalisch-chemischen Eigenschaften zu berücksichtigen, um die Bedürfnisse des Lebens zu erfüllen.

Titan ist der einzige Himmelskörper, an dem die Existenz einer Flüssigkeit - Methan und Ethan - an der Oberfläche nachgewiesen wird. Als größter Satellit des Saturn ist Titan im Vergleich zur Erde recht klein: Die Schwerkraft auf ihm beträgt etwa 1/7 der Erde. Der atmosphärische Druck auf der Oberfläche von Titan ist 1,5-mal höher als der der Erde und seine Durchschnittstemperatur beträgt 95 K. In der Atmosphäre herrschen Stickstoff (95%), Methan (5%) und Wasserstoff (0,1%) vor, und es gibt Spuren komplexer organischer Verbindungen. In der unteren Atmosphäre von Titan findet eine aktive Zirkulation von flüssigem Methan mit saisonaler Wolkenbildung und Niederschlag statt. Titan befindet sich in einer synchronen Umlaufbahn in der Nähe des Saturn mit einer Zirkulationsdauer von 16 Tagen (Tag- und Nachtzyklus). Die Neigung der Rotationsachse des Saturn bei ~ 27˝ sorgt für einen Wechsel der Jahreszeiten in der nördlichen und südlichen Hemisphäre von Titan mit einem Zyklus von 30 Jahren.

Die unteren Schichten der Titanatmosphäre sind zu dicht, um auf den 16-Tage-Zyklus zu reagieren, aber ihre Veränderungen während des 30-Jahres-Zyklus sind ziemlich auffällig. Im Sommer sammeln sich dichte Wolken in den Polarregionen von Titan an, wo viele photochemische Reaktionen auftreten. Die Dissoziation von atmosphärischem Stickstoff und Methan führt zum Auftreten von Trübungen durch organische Moleküle in den oberen Schichten der Titanatmosphäre, von denen sich einige an der Oberfläche absetzen. Eines der Hauptprodukte der photochemischen Reaktion ist Ethan, das sich an der Oberfläche sammelt und mit Methan mischt. Auf Titan gebildete Kohlenwasserstoffseen haben einen Durchmesser von ~ 1000 km. Die Befeuchtung des Titanbodens mit Methan und Ethan wurde mit der Huygens-Landungssonde nachgewiesen.

Können wir annehmen, dass unter den Bedingungen von Titan das Leben auf der Basis flüssiger Kohlenwasserstoffe entstanden ist? Der Zweck dieses Artikels ist es, zu versuchen, Titan als mögliche Wiege des Lebens zu charakterisieren, unter Berücksichtigung der Eigenschaften der Kohlenwasserstoffumgebung, der Biochemie des darin enthaltenen Kohlenstoffs und der Ökosysteme, die sich auf seiner Grundlage bilden.

Lebensraum


Die Möglichkeit des Lebens in der Umwelt wird durch die physikochemischen Wechselwirkungen von Flüssigkeiten (Wasser im Fall der Erde) und das Vorhandensein fester Partikel in der Umwelt bestimmt. Sonnenlicht, Vulkanismus und andere physikalische Prozesse schaffen die wichtigsten Bedingungen für das Leben auf der Erde, wie z.

  1. Quellen chemischer oder Lichtenergie
  2. Nährstoffe
  3. Flüssiger Lebensraum
  4. Der Flüssigkeitskreislauf für den Transport von Nährstoffen und Abfällen

Gibt es solche Bedingungen auf Titan?

Energiequellen


Die Möglichkeit der Existenz chemischer Energiequellen auf Titan ist gut bekannt. Es ist erwiesen, dass organische Produkte photochemischer Reaktionen in der Titanatmosphäre bei Wechselwirkung mit atmosphärischem Wasserstoff Energie freisetzen können.



Die Hydrierung von Ethin (Acetylen) ist die effektivste Reaktion, bei der 334 kJ Energie pro Mol C 2 H 2 freigesetzt werden. Dies ist vergleichbar mit der Energie, die benötigt wird, um das Wachstum von Methanogenen auf der Erde zu starten (40 kJ), oder mit der Reaktion von Methan und Sauerstoff, wodurch ~ 900 kJ / mol. Die Reaktionen in der Tabelle dargestellt - exothermen, aber die Bedingungen sie Titan kinetisch gehemmt [kinetisch GESPERRT] , die ideal aus der Sicht der Biologie ist. So zum Beispiel unter terrestrischen Bedingungen die Reaktion von O 2und CH 4 wird kinetisch gehemmt, aber Methanotrophe, die die Reaktion katalysieren, erhalten aufgrund ihres Verlaufs Energie.

Wenn Redoxpaare (z. B. C 2 H 2 , 3H 2)) in der Atmosphäre gebildet werden, auf Titan weit verbreitet sind und in flüssigem Ethan und Methan leicht löslich sind; wir können davon ausgehen, dass keine Photosynthese des Lebens erforderlich ist. Trotzdem ist es sehr interessant, die Möglichkeit seines Verlaufs in Betracht zu ziehen. Modelle der Lichtverteilung in der Titanatmosphäre und direkte Messungen des Beleuchtungsniveaus durch den Huygens-Lander geben uns ein sehr vollständiges Bild des Eindringens von Sonnenlicht an die Oberfläche durch die Atmosphäre. Aufgrund der Entfernung von Titan von der Sonne (10 AE) und des dichten Dunstes in der Atmosphäre überschreitet die maximale Beleuchtung auf seiner Oberfläche 0,1% der Erdbeleuchtung nicht. Trotzdem sind diese Bedingungen mehr als geeignet für die Photosynthese, die unter terrestrischen Bedingungen auch bei einer Begrenzung des Sonnenflusses von 10 6 fortgesetzt wirdmal im Vergleich zum sonnigen Mittag. Somit ist eine Photosynthese auf der Oberfläche von Titan möglich, sofern erdähnliche Pigmente verwendet werden. Es ist erwähnenswert, dass selbst unter Berücksichtigung aller oben genannten Faktoren die Energiemenge, die die Oberfläche des Titans von der Sonne erhält, um Größenordnungen größer ist als die, die durch chemische Reaktionen erhalten werden kann. Daher wäre die Titan-Biosphäre am effizientesten, um Sonnenenergie direkt zu verbrauchen. Auf der Erde werden bei der Photosynthese hauptsächlich CO 2 und H 2 O verwendet, während auf Titan CH 4 ihren Platz einnehmen könnte und H 2 ein Nebenprodukt der Reaktion wäre .

Nährstoffe


Organische Substanzen, einschließlich stickstoffhaltiger Substanzen, sind auf Titan ziemlich häufig zu finden. Somit sind Kohlenstoff, Wasserstoff und Stickstoff in einer Vielzahl von Verbindungen vorhanden. Es gibt Wassereis auf der Oberfläche von Titan, aber bisher wurden keine anderen Verbindungen mit Sauerstoff gefunden. Aus diesem Grund kann das Leben auf Titan im Vergleich zum irdischen Leben nur eine sehr begrenzte Anzahl von Elementen enthalten, die als Nährstoffe verwendet werden.
Ein schlechter Nährstoffsatz kann den Entwicklungsstand der Lebensformen beeinflussen. Die folgende Tabelle zeigt die in Titan leicht löslichen organischen Methan- und Ethanverbindungen.



Das schwerwiegendste Problem, mit dem Titan möglicherweise konfrontiert ist, ist der Zugang zu anorganischen Elementen (Fe, Cu, Mn, Zn, Ni, S, Ca, Na, K usw.), die in Wasser löslich sind. Von besonderem Interesse ist die Verwendung von Metallen als Hauptbestandteile von Enzymen. In dieser Situation sind zwei Ansätze möglich:
  1. Reduzierte (im Vergleich zur Erde) konservative Verwendung schwer zugänglicher Elemente
  2. Die Verwendung von H 2 O als Ersatz für die genannten anorganischen Substanzen

Der biogeochemische Phosphorkreislauf in der Biosphäre der Erde ist ein Beispiel für die Verwendung einer schwer zugänglichen Substanz, die nicht in konsumierbarer Form vorliegt und nicht im natürlichen Stoffkreislauf enthalten ist. Ähnliches kann auf Titan für anorganische chemische Elemente passieren. Mögliche Quellen für solche Substanzen können Meteorschauer und Kometen sein. Es ist erwähnenswert, dass auf diese Weise der Gehalt an CO, CO 2 und H 2 O in der Atmosphäre auf Titan aufrechterhalten wird . So gelangt ein kleiner, aber für Lebensformen ausreichender Strom anorganischer Substanzen zusammen mit organischem Dunst an die Oberfläche, wo er verarbeitet und verwendet werden kann.

Eine Alternative zu dem oben Gesagten kann im Prinzip eine vollständige Ablehnung von Lebensformen von der Verwendung anorganischer Elemente sein. Wenn das Leben auf Titan keine Photosynthese erfordert und keine Stickstofffixierung von N 2 erforderlich ist(freier Stickstoff ist in organischen Substanzen vorhanden, die während photochemischer Reaktionen synthetisiert werden), können die beiden Hauptgründe, warum Katalysatoren auf Metallbasis verwendet werden müssen, beseitigt werden. Darüber hinaus wird angenommen, dass Wassermoleküle auf Titan in der gleichen Rolle wie Metalle in Enzymen auf der Erde verwendet werden können. Die Verwendung von Wasserstoffbrückenbindungen zum Aufbau supramolekularer Strukturen in Wasser ist unmöglich. Es wird jedoch angenommen, dass ihre Kräfte unter den Bedingungen von Titan akzeptabel sind, um komplexe Strukturen bei niedrigen Temperaturen zu halten. Die Wasserstoffbindung (5-30 kJ / mol) ist stärker als die Van-der-Waals-Kräfte, aber schwächer als die kovalente (~ 300 kJ / mol) oder ionische (20-30 kJ / mol). Die Wärmeenergie (RT) auf Titan bei einer Temperatur von 95 K beträgt ~ 1 kJ / mol. Wasser ist eines der wenigen polaren Moleküle auf Titan.gut geeignet für die Bildung von Wasserstoffbrücken. Einzelne H2O-Moleküle oder ihre kleinen Cluster in Kohlenwasserstoff- „Zellen“ können die Rolle von Katalysatoren in Strukturen spielen, die auf Wasserstoffbrücken basieren.


Auf der Erde ist Leben üblich, weil bewohnbares flüssiges Wasser häufig ist. Selbst in der trockensten irdischen Wüste von Atacama in Chile wird flüssiges Wasser gefunden. Flüssigkeit auf Titan ist ebenso wie Erdwasser weit verbreitet: Viele große Seen im Norden und mindestens ein großer See auf der Südhalbkugel wurden entdeckt. Die Daten der Huygens-Pflanzapparate zeigten, dass der Boden in der Äquatorregion von Titan mit Methan und Ethan angefeuchtet war. Beobachtungen aus der Umlaufbahn legen nahe, dass die meisten Böden in niedrigen Breiten feucht sind. Es ist möglich, dass es in der Nähe des Äquators auch kleine Seen gibt. Die Art ihrer Herkunft, ihres Inhalts und ihrer Verbreitung ist noch nicht genau bekannt. Die meisten großen Gewässer mit Ausnahme des Ontario-Sees befinden sich auf der Nordhalbkugel.97% der Seen befinden sich in einer Region mit einer Größe von 900 × 1800 km (etwa 2% der Oberfläche von Titan).

Alle Stauseen auf Titan können in zwei große Gruppen unterteilt werden. Große Seen (mehrere hundert Kilometer breit) erreichen eine Tiefe von mehreren hundert Metern. Ihre Küste ist uneben, sie sind mit Flusskanälen verbunden (zum Beispiel dem Meer von Ligeya). Im Gegensatz dazu sind kleine Seen kleiner und ihre Küste ist gleichmäßiger. Leere Mulden, die kleinen Seen sehr ähnlich sind, befinden sich 250 Meter über den Seen. Dies kann auf das Vorhandensein von Grundwasserleitern und eines unterirdischen Netzwerks von Kanälen hinweisen, die einen bestimmten Flüssigkeitsstand festlegen.


Seen auf dem Titan. Karte der nördlichen Hemisphäre von Titan in künstlichen Farben. Seen sind blau, Land ist braun. Die Karte basiert auf Cassini-Radardaten. Das Krakenmeer, der größte See auf Titan, befindet sich direkt unter der Stange. Oben rechts befindet sich das zweitgrößte Meer von Ligey.


Ein Radarbild des Ligeya-Meeres, das die komplexe Küste und die Verbindung des Sees mit Flüssen zeigt. Die Breite des Sees beträgt ca. 400 km.

Es wird angenommen, dass sich die Seen auf Titan infolge der Auflösung fester organischer Substanzen durch flüssiges Methan und Ethan wie Karst auf der Erde gebildet haben. Spektralbilder aus der Umlaufbahn ermöglichen die Identifizierung von fünf Landtypen auf Titan:
  1. Heller Bereich
  2. Dunkle äquatoriale Dünen
  3. Blaue Bereiche
  4. Bereiche, die bei einer Wellenlänge von 5 μm emittieren
  5. Dunkle Seen

Laut Radar wird im Boden in der Nähe der Polar- und Äquatorialseen ein hoher Gehalt an Kohlenwasserstoffen und Nitrilen registriert, jedoch kein Wassereis. Das Oberflächenemissionsspektrum am Landepunkt von Huygens weist jedoch auf eine Schicht aus körnigem Wassereis hin, die mit feuchtem Boden bedeckt ist. Durch Extrapolation der Huygens-Spektrometerdaten auf andere Äquatorregionen kann davon ausgegangen werden, dass der Boden in niedrigen Breiten ständig angefeuchtet wird. Dies kann entweder durch das Vorhandensein einer feuchten Untergrundschicht oder durch systematische Regenfälle verursacht werden, deren Auftreten in diesen Breiten bestätigt wird. Es wird geschätzt, dass der Boden nach dem Niederschlag 5 bis 50 Tage lang feucht bleiben kann. Wenn also Leben in flüssigem CH 4 und C 2 H 6 existieren kanndann sollte es auf Titan verteilt werden.


Titanoberfläche am Landeplatz von Huygens, 10,2 ° S, 192,4 ° W. Im Bild sind 8 sichtbare Steine ​​nummeriert, von denen die Größe von zwei nebeneinander angegeben ist. Der Abstand zum Landemodul wird blau angezeigt. Es wird angenommen, dass die Steine ​​aus Wassereis bestehen, das mit fester organischer Substanz beschichtet ist. Die abgerundete Form der Steine ​​zeigt die Wirkung von Flüssigkeit auf sie an.

Der Flüssigkeitskreislauf und der Transport von Substanzen


Auf der Erde ist Wasser eine Mischung der H 2 O- Moleküle selbst mit festen Partikeln - Salzen. Die darin gelöste Luft kann vernachlässigt werden. Die Verdunstung führt zur Trennung von Süßwasser von Salzen, wodurch sich zwei verschiedene flüssige Lebensräume bilden: frisch (Seen und Flüsse) und salzig (Meere und Ozeane). Aufgrund der Tatsache, dass der größte Teil der Erdoberfläche mit Wasser bedeckt ist, sind die Verdunstungs- und Niederschlagsprozesse ein kontinuierlicher Kreislauf.

Wie oben erwähnt, wurde in mehreren äquatorialen Regionen von Titan ein flüssiger Niederschlag aufgezeichnet. Darüber hinaus kommt es im Sommer in den Polarregionen und in mittleren Breiten zu Wolkenbildung. In der Regel übersteigt die Niederschlagsmenge die Verdunstung in Breiten> 60 ° erheblich, während in niedrigen und mittleren Breiten das Verdunstungsvolumen höher ist, was mit dem Fehlen von Stauseen in diesen Gebieten vereinbar ist.

Im Gegensatz zur Erde bestehen Flüssigkeiten auf der Oberfläche von Titan aus drei Hauptkomponenten: Methan, Ethan und gelöstem Luftstickstoff (Löslichkeit N 2)in Methan und Ethan erreicht 20%). Ethan ist im Vergleich zu Methan und Stickstoff nicht flüchtig, wodurch es beim Verdampfen der Flüssigkeit an der Oberfläche verbleibt. Somit können Stickstoff und Methan (und in viel geringerem Maße Ethan) in der Atmosphäre mit Flüssigkeiten auf der Oberfläche interagieren. Regen auf Titan ist eine Mischung dieser Gase.

Studien haben gezeigt, dass sich eine Dreikomponentenflüssigkeit beim Verdampfen und Kondensieren aufgrund der unterschiedlichen Flüchtigkeit ihrer Bestandteile anders verhält als eine Einkomponentenflüssigkeit. Insbesondere nimmt die Dichte einer Flüssigkeit mit der Temperatur zu. Somit ist die Flüssigkeit in den Polarregionen weniger dicht als am Äquator. Es ist auch bekannt, dass die Dichte einer Flüssigkeit auf Titan in umgekehrter Beziehung zum Druck steht, der sich grundlegend von den Eigenschaften von Wasser auf der Erde unterscheidet. All dies führt zu einem komplexeren System der Flüssigkeitszirkulation auf Titan im Vergleich zur Erde.

Die oben genannten Unterschiede spiegeln sich in der Zusammensetzung der Titan-Seen wider: Die nördlichen bestehen aus Methan, während die südlichen aus Ethan bestehen. Es ist möglich, dass der Ontariosee Teil eines einst größeren, verdampften Reservoirs ist. Dadurch ähnelt es dem irdischen Toten Meer. Im Gegensatz zur Erde ist jedoch nicht bekannt, ob das Gewässer für das Leben weniger geeignet ist, wenn es mit einer weniger flüchtigen Flüssigkeit gesättigt ist. Ethan ist ein viel stärkeres Lösungsmittel für organische Moleküle als Methan (~ 20-facher Vorteil) und Stickstoff, und daher sind Ethanseen möglicherweise besser für die Entstehung und Entwicklung von Lebensformen geeignet.

Wenn die Seen auf Titan Karst sind, kann ihr Alter mit dem Alter der jüngsten Formen des Mondreliefs (weniger als ~ 100.000 Jahre) vergleichbar sein. Außerdem wird angenommen, dass die Bildungsrate von Karststrukturen in den mittleren nördlichen Breiten dreimal höher ist als in den südlichen. Dies liegt an der Tatsache, dass nach den Vorhersagen des Klimamodells in den südlichen Breiten zwar intensivere, aber weniger häufige Regenfälle auftreten.

Somit sind Methan und Ethan auf Titan Teil eines aktiven und komplexen Flüssigkeitskreislaufs, einschließlich Niederschlag, Verdunstung, Seebildung und Bodenfeuchtigkeit. Solche Zyklen sollten für den Transport von Nährstoffen und Abfällen akzeptabel sein, ohne die kein Leben existieren kann.

Kohlenstoffbiochemie auf Titan


Das irdische Leben basiert auf der chemischen Aktivität kohlenstoffhaltiger Verbindungen in flüssigem Wasser. Die Grundlage für ein mögliches Leben auf Titan sollten die chemischen Reaktionen von Kohlenstoff in einem flüssigen Gemisch aus Ethan und Methan sein. Die von terrestrischen Lebensformen verwendeten Schlüsselstrukturen (z. B. eine Lipiddoppelschicht als Teil einer Zellmembran; Aminosäuren; DNA) können nur funktionieren, wenn ein wasserähnliches Lösungsmittel vorhanden ist. Auf der Erde bietet die Biochemie des Kohlenstoffs:
  • Prinzip der Unterteilung
  • Die Existenz und Fähigkeit, Moleküle zu kopieren, die Informationen speichern und übertragen
  • Die Existenz von Strukturmolekülen und Methoden zu ihrer Synthese

Können diese Prozesse unter den Bedingungen von Titan stattfinden?

Kompartimentierung als Faktor der Autonomie


Es wird angenommen, dass ein notwendiger Faktor für die Entstehung des Lebens das Auftreten einer Hülle zwischen dem inneren Teil des lebenden Systems und der äußeren Umgebung ist. Auf der Erde basiert die Zellmembran auf einer Lipiddoppelschicht und wirkt aufgrund der Wechselwirkung von bipolaren Lipiden mit flüssigem Wasser. Als Ergebnis neuerer Studien wurde ein Membranmodell namens Stickstoffosom vorgeschlagen.in flüssigem Methan bei niedrigen Temperaturen funktionsfähig. Diese Membran besteht aus kleinen organischen stickstoffhaltigen Verbindungen wie Acrylnitril. Die strukturelle Integrität der Membran basiert auf der Anziehungskraft zwischen den polaren „Köpfen“ stickstoffreicher Moleküle und ihrer Bindung durch Stickstoff- und Wasserstoffatome. Und obwohl die Synthese von Stickstoffosomen unter Laborbedingungen äußerst schwierig ist, ist die Struktur selbst ein Modell, das unter den Bedingungen von Titan durchaus realisierbar ist.

Molekülträger von Informationen und Methoden zu deren Verdoppelung


Es wurde festgestellt, dass ein Informationsträgermolekül (wie z. B. DNA) seine Form in Abhängigkeit von der darin codierten Information nicht ändern sollte. Für dieses wichtigste Merkmal unterscheiden sich beispielsweise DNA-Moleküle von Proteinen. Das Ersetzen auch nur einer Aminosäure in einer Sequenz führt zu einer radikalen Änderung der Form des Proteins, während die DNA gegen solche Änderungen immun ist. Daher ist DNA ein geeignetes Molekül zum Speichern von Informationen, Proteine ​​jedoch nicht.

Jüngste Studien haben gezeigt, dass Ester, die als Kandidaten für die Rolle eines Informationstransfermoleküls auf Titan angesehen wurden, bei Temperaturen unter 170 K (und auf Titan ~ 95 K) praktisch unlöslich sind und die Löslichkeit von Biopolymeren eine notwendige Voraussetzung für die Entwicklung des Lebens ist. Wasser ist nur deshalb ein gutes Lösungsmittel, weil es sich bei hohen Temperaturen in einem flüssigen Zustand befindet und seine Moleküle polar sind. Daher sind die Hauptfaktoren, die die Löslichkeit auf Titan behindern, die niedrige Temperatur und die unpolare Natur der Methan- und Ethanmoleküle. Die Suche nach einem unter diesen Bedingungen löslichen Molekül geht bis heute weiter.

Wenn ein solches Molekül gefunden wird, ist die Verbindung zwischen seinen Teilen wahrscheinlich Wasserstoff. Eine der Optionen kann eine Wasserstoffbindung mit polaren sauerstoff- und stickstoffhaltigen Molekülen sein. Zusätzlich können elektrisch leitende Polymere wie Polypyrrol oder Polyanilin Informationen speichern. Sie bestehen aus Kohlenstoff, Stickstoff und Wasserstoff und können zwischen stabilen Redoxzuständen übergehen, die als Grundlage für die Codierung von Informationen dienen können.

Strukturmoleküle und Methoden zu ihrer Synthese


Für das irdische Leben ist Protein zum Hauptstrukturmolekül geworden. Mit nur ~ 20 essentiellen Aminosäuren synthetisieren Lebensformen eine große Menge verschiedener Proteine. Einzelne Proteine ​​werden aufgrund ihrer Wechselwirkungen und vor allem ihrer hydrophoben und hydrophilen Eigenschaften in komplexere Formen „verpackt“.

In Flüssigkeiten auf Titan können Proteinanaloga Kohlenwasserstoffketten, Strukturen auf der Basis aromatischer Verbindungen, Kohlenstoffnanostrukturen (einschließlich Graphen) und verschiedene Arten von Fullerenen umfassen. Die Zugabe von Stickstoff zu diesen Verbindungen kann ihre Diversität signifikant erhöhen.

Ökosysteme


Es ist bekannt, dass die meisten Lebensformen auf der Erde in Gruppen leben. Innerhalb solcher Gruppen findet ein effizienterer Austausch von Substanzen und genetischen Informationen statt. Jüngsten Daten zufolge können Mikroorganismengemeinschaften raue Bedingungen viel besser vertragen als Einzelpersonen. Das flüssige Wasser der Erde ermöglicht es Organismen, physischen Kontakt herzustellen. Darüber hinaus führt es den Transport von Substanzen durch, die von der Zelle abgesondert werden.
Wenn das Leben auf Titan auf Biomolekülen basiert, die in flüssigem Methan und Ethan vorhanden sind, können sich dort wahrscheinlich auch erdähnliche Ökosysteme bilden. Signalmoleküle für Lebensformen können niedermolekulare Kohlenwasserstoffe sein, die in einem flüssigen Methan-Ethan-Medium mobil sind. Wenn das genetische Material auf Titan in löslichen Polymeren gespeichert ist, können sie auch in einem flüssigen Medium auf seiner Oberfläche mobil sein. Es ist sogar möglich, dass terrestrische Viren Ähnlichkeiten mit Kohlenwasserstoffschalen und genetischem Material aufweisen.

Lebenssuche


Angesichts des enormen Unterschieds zwischen den vorgeschlagenen Lebensformen auf Titan und den irdischen ist es notwendig, eine Strategie zu entwickeln, um Leben auf diesem Saturn-Satelliten zu finden. Die Grundprinzipien wurden jedoch bereits entwickelt.

Eine der Haupteigenschaften des Lebens ist seine Selektivität gegenüber den verwendeten Molekülen. Auf Titan können verschiedene Variationen chemisch ähnlicher Substanzen vorhanden sein, und Lebensformen müssen eine Wahl zwischen ihnen treffen. In Gegenwart von Leben sollte daher ein signifikanter Unterschied in der Konzentration verschiedener Moleküle auf Titan beobachtet werden, während in einer abiotischen Umgebung die Unterschiede weniger scharf sind.

Das auffälligste Beispiel für die biologische Selektivität des Lebens ist die Chiralität. Das Leben auf der Erde verwendet nur L-Aminosäuren, nicht deren D-Analoga. Die Entdeckung der Homochiralität auf Titan wäre ein ernsthafter Beweis für das Leben. Das einfachste Beispiel für Chiralität ist ein Atom, an das vier Gruppen so gebunden sind, dass sie bei Überlagerung und Spiegelreflexion nicht zusammenfallen. Die Bildung von Chiralitätszentren ist durch Zugabe von Stickstoff zu Kohlenwasserstoffen möglich.

Die Existenz des Lebens kann nur die Zusammensetzung der Umwelt beeinflussen. Also der größte Teil von O 2 , CO 2 , CH 4 und sogar N 2in der Erdatmosphäre, die von lebenden Organismen erzeugt wird. Die Untersuchung der Atmosphäre von Titan scheint viel einfacher zu sein als das Sammeln von Bodenproben von seiner Oberfläche, daher sollte sie nicht vernachlässigt werden. Es wird angenommen, dass H 2 als genauester Indikator für die biologische Aktivität auf Titan dienen kann . Der Verbrauch von atmosphärischem Wasserstoff durch Lebensformen beeinflusst seinen Gehalt in der Troposphäre erheblich, vorausgesetzt, sein Verbrauch übersteigt 10 9 cm -2 * s -1 . Als ein Ergebnis der photochemischen Reaktionen in der Atmosphäre aus Titan von 0,32 bis 1,2 x 10 gebildet 9 cm -2 * s -1 C 2 H 2 und 1,2 bis 15 x 10 9 cm -2* s -1 C 2 H 6 . Wenn wir annehmen, dass Methanogene ~ 20% dieses Volumens verbrauchen, wird der Wasserstoffgehalt an der Oberfläche von Titan ungefähr konstant. Andernfalls steigt seine Menge mit zunehmendem Anstieg allmählich an.

Schematische Verteilung von Wasserstoff an der Oberfläche von Titan in Gegenwart (durchgezogene Linie) und Abwesenheit von methanogenen Lebensformen

Ein weiteres Zeichen für die Existenz von Leben ist der Gehalt an Acetylen und Ethan. Es wurde bestätigt, dass auf der Oberfläche von Titan mehrere Größenordnungen weniger Ethan vorhanden ist, als nach den Modellen sein sollte. Letzterer sagte voraus, dass es genügend Ethan geben sollte, um die Oberfläche von Titan mit einer mehrere Meter dicken Schicht zu bedecken. Die Cassini-Sonde hat eine solche Schicht nicht gefunden. Darüber hinaus fehlt Titan im Vergleich zu den Modellen trotz seiner Synthese in der Atmosphäre und der geschätzten Oberflächenreserven an Acetylen. Während der Landung der Huygens-Sonde wurden keine Spuren von Acetylen gefunden. Diese Tatsachen deuten auf einige chemische Reaktionen an der Oberfläche hin, an denen Ethan und Acetylen beteiligt sind.
Es wurde festgestellt, dass die Wasserstoffkonzentration in der Titanatmosphäre heterogen ist und den Durchschnitt über dem Breitengrad von 50 ° nördlicher Breite deutlich übersteigt. Es ist davon auszugehen, dass die reichere ethanreiche südliche Hemisphäre aufgrund der besseren Auflösungseigenschaften von Ethan mehr Wasserstoff verbraucht als die nördliche Hemisphäre.

Einige Modelle sagen einen Wasserstoffstrom in der Titanatmosphäre nach unten voraus. Hierfür gibt es vier mögliche Erklärungen (in der Reihenfolge der Wahrscheinlichkeit):
  1. Das Modell simuliert möglicherweise fälschlicherweise oder ungenau die klimatischen und chemischen Bedingungen von Titan, und es ist möglicherweise kein Wasserstoffstrom vorhanden.
  2. Es kann einen physikalischen Prozess des Wasserstofftransfers von der oberen zur unteren Atmosphäre geben. So kann Wasserstoff mit festen, schweren organischen Partikeln auf die Oberfläche von Titan gelangen.
  3. Wenn an der Oberfläche des Titans tatsächlich ein Abfall des Wasserstoffgehalts beobachtet wird, erfordert eine abiotische Erklärung die Anwesenheit eines bestimmten Katalysators auf der Oberfläche.
  4. Der Verbrauch von Wasserstoff, Acetylen und Ethan erfolgt in einer unbekannten Lebensform, die auf der Basis von Kohlenstoff in flüssigem Methan und Ethan gebildet wird.

Die beste Methode, um Lebensspuren auf Titan zu finden, wäre daher, die Gehalte an Wasserstoff, Acetylen und Ethan in der unteren Atmosphäre genau zu messen.

Schlussfolgerungen


Der Artikel betrachtet den Satelliten des Saturn Titan als eine mögliche Wiege einer bisher unbekannten Lebensform. Das Vorhandensein eines flüssigen Mediums auf seiner Oberfläche, eine ausreichende Menge an Licht und Energie sowie ein ständiger Zustrom organischer Substanzen aus der Atmosphäre scheinen sehr günstige Bedingungen für seine Entwicklung zu sein. Unter diesen Bedingungen kann eine (theoretisch) Zellmembran existieren. Laboruntersuchungen konnten jedoch kein Informationsträgermolekül finden, das für Bedingungen auf Titan geeignet ist. Somit bleibt die Möglichkeit des Lebens auf Titan eine offene Frage.

Die Hauptherausforderungen, denen sich die vorgeschlagene Lebensform stellen kann, sind (in der Reihenfolge ihrer Schwierigkeit, sie zu überwinden):
  1. Schlechte Vielfalt chemischer Elemente auf der Oberfläche
  2. Niedrige Temperaturen und infolgedessen geringe Löslichkeit von Substanzen in flüssigen Medien
  3. Unpolare Natur von Methan- und Ethanmolekülen, wodurch die Löslichkeit von organischen und anorganischen Molekülen in ihnen verringert wird
  4. Eine kleine Vielfalt struktureller Kohlenwasserstoffmoleküle im Vergleich zu Proteinen

Angesichts dieser Einschränkungen kann davon ausgegangen werden, dass Titan, wenn es Leben auf Titan gibt, primitiv und heterotrop ist, einen langsamen Metabolismus und einen relativ einfachen Genotyp aufweist. Gemeinschaften von Organismen sind ebenfalls nicht vielfältig und können Analoga von Gemeinschaften extremophiler Bakterien auf der Erde sein.

Zu den Titanvorteilen für Lebensformen gehören:
  1. Ständiger, leicht zugänglicher Nährstofffluss aus der Atmosphäre
  2. Das Fehlen von ultravioletter und ionisierender Strahlung an der Oberfläche
  3. Geringe Wahrscheinlichkeit der Thermolyse bei Temperaturen um 95 K.

Auf Titan können nur die einfachsten Ökosysteme existieren, ohne Primärproduzenten und Raubtiere. Lebensformen sollten für Energie äußerst anspruchslos sein, und ihr Wachstum wird daher verlangsamt. Es ist durchaus möglich, dass das Leben auf Titan kaum mehr ist als autokatalytische Reaktionen, die in einer Stickstoffhülle [Azotomen] stattfinden . Aber wenn es in der Lage ist, erbliche Informationen zu speichern und zu übertragen, das heißt, es ist Darwins, dann wird es ein gutes Beispiel für die unabhängige Erzeugung von zwei unterschiedlichen Lebensformen in einem Sonnensystem zeigen. Und wer weiß: Vielleicht ist seine Entdeckung der erste Schritt auf dem Weg zur Bekanntschaft mit dem Universum voller vielfältiger und erstaunlicher Lebewesen.

Source: https://habr.com/ru/post/de396915/

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