🚏 🕺🏾 👠 钛是生命的摇篮吗？ 🍻 👏🏼 👩🏾‍🤝‍👩🏻

美好的一天，亲爱的怪胎社区！我向您的法庭提交了我的第一本翻译本和《极客》的第一篇文章-“钛是生命的摇篮吗？” （在原著中-“泰坦-生命住所”）。NASA的原件在这里。本文就钛的物理化学性质而言，考虑了其上可能存在产甲烷生命形式的可能性。他试图将总理府和其他娱乐活动减少到最低限度，但到目前为止，我认为还不太成功。无论如何，有兴趣的我请教。

内容：

引言
生境
- 能源来源
- 营养素
- 流体栖息地
- 物质的流体循环和运输
碳生物化学
- 隔离是自治的一个因素
- 信息的分子载体及其复制方法
- 结构分子及其合成方法
生态系统
生命搜寻
结论

引言

当前，寻找其他星球上的生命与寻找星球上的水密不可分。水是支持地球生命的许多过程和现象的必要成分，包括自然界中的水循环以及液态水介质中常见的碳生物化学。我们将这些因素视为理所当然，并将其发展与液态水的出现联系起来。水作为通用溶剂的作用与其化学和物理性质密切相关。考虑到其他液体是生命的基础，有必要在满足生命需求的同时考虑其理化性质。

钛是在表面上证明存在液态甲烷和乙烷的唯一天体。作为土星最大的卫星，土卫六与地球相比很小，它的重力约为地球的1/7。钛表面的大气压力是地球的1.5倍，平均温度为95 K.大气中主要存在氮（95％），甲烷（5％）和氢（0.1％），并且其中含有微量的复杂有机化合物。在土卫六的低层大气中，甲烷的活跃循环伴随着季节性云的形成和降水。钛在土星附近处于同步轨道，循环周期为16天（昼夜循环）。土星自转轴的倾斜度约为27°，提供了泰坦北半球和南半球的季节变化，周期为30年。

土卫六的低层大气太稠密，无法响应16天的周期，但在30年周期中它们的变化非常明显。夏季，密云聚集在土卫六的极地地区，在那里发生许多光化学反应。大气中氮和甲烷的分解会导致泰坦大气上层有机分子出现雾霾，其中一些分子沉降到表面。光化学反应的主要产物之一是乙烷，它收集在表面并与甲烷混合。土卫六上形成的碳氢化合物湖直径约1000公里。惠更斯着陆探针证明了甲烷和乙烷对钛土壤的增湿作用。

我们可以假设在泰坦生命的条件下起源于液态烃吗？本文的目的是考虑到碳氢化合物环境的特性，其中的碳的生物化学和基于其形成的生态系统，试图将钛表征为可能的生命摇篮。

生境

环境中生命的可能性取决于液体（在地球情况下为水）的物理化学相互作用以及其中存在固体颗粒的情况。阳光，火山作用和其他物理过程为地球上的生命创造了最重要的条件，例如：

化学或光能的来源
营养素
流体栖息地
养分和废物运输的流体循环

泰坦上有这样的条件吗？

能源来源

土卫六上存在化学能源的可能性已广为人知。事实证明，钛大气中光化学反应的有机产物在与大气氢相互作用时能够释放能量。

乙炔（乙炔）的加氢是最有效的反应，每摩尔C ₂ H ₂释放334 kJ的能量，相当于开始在地球上生长产甲烷菌所需的能量（40 kJ），或者与甲烷和氧气反应，因此〜 900 kJ /摩尔在表中所示的反应-放热现象，但条件下，它们泰坦动力学抑制[动力学INHIBITED] ，这是从图生物学的点理想。因此，例如在地面条件下，O ₂的反应CH _4在动力学上受到抑制，但是催化反应的甲烷营养体由于其过程而获得了能量。

如果氧化还原对（例如，C ₂ ħ ₂，3H ₂）是在大气中形成的，广泛分布在钛上，并且易溶于液态乙烷和甲烷；我们可以假设不需要光合作用。尽管如此，考虑其路线的可能性还是很有趣的。泰坦大气中的光分布模型以及惠更斯着陆器直接测量的照明水平为我们提供了一个非常完整的图像，说明了太阳光通过大气穿透到地面的情况。由于土卫六远离太阳（10 AU）且大气中烟雾浓密，其表面的最大照度不超过地球的0.1％。但是，这些条件非常适合光合作用，即使在太阳光通量限制为10 ^6的情况下，光合作用仍在陆地条件下继续进行相比晴天正午。因此，只要使用与大地颜料相似的光，就可以在钛表面进行光合作用。值得注意的是，即使考虑到所有上述因素，钛表面从太阳接收的能量也要比通过化学反应获得的能量大几个数量级。因此，钛生物圈将最有效地直接消耗太阳能。在地球上，光合作用的过程主要使用CO ₂和H ₂ O，而在Titan Titan _4上可以代替它们，而H ₂将是反应的副产物。

营养素

钛中经常发现有机物质，包括含氮物质。因此，碳，氢和氮存在于多种化合物中。土卫六表面上有水冰，但到目前为止，还没有发现其他含氧化合物。因此，与地球上的生命相比，土卫六上的生命可以用作营养的元素非常有限。
营养不良会影响生命形式的发展。下表显示了钛中易溶于甲烷和乙烷的有机化合物。

Titan可能面临的最严重的问题是接触溶于水的无机元素（Fe，Cu，Mn，Zn，Ni，S，Ca，Na，K等）。特别令人感兴趣的是使用金属作为酶的主要成分。在这种情况下，可以采用两种方法：

减少（与地球相比）保守地使用难以到达的元素
使用H ₂ O代替命名的无机物质

磷在地球生物圈中的生物地球化学循环就是使用一种难以达到的物质的例子，这种物质的形态不易于消耗，并且不包含在物质的自然循环中。钛在无机化学元素上也会发生类似的情况。这种物质的可能来源可能是流星雨和彗星。值得注意的是，以这种方式可以保持Titan上大气中的CO，CO ₂和H ₂ O含量。因此，一种小的但足以维持生命的形式的无机物质流与有机雾气一起流到了可以加工和使用的表面。

原则上，使用无机元素可以完全替代生命形式。如果Titan上的生命不需要光合作用并且不需要N _2的固氮作用（在光化学反应过程中合成的有机物质中存在游离氮），可以消除需要使用金属基催化剂的两个主要原因。另外，假定钛上的水分子可以与地球上酶中的金属以相同的作用使用。不可能使用氢键在水中建立超分子结构，但是，假定在Titan的条件下，它们的力对于在低温下保持复杂的结构是可以接受的。氢键（5-30 kJ / mol）比范德华力强，但比共价键（〜300 kJ / mol）或离子键（20-30 kJ / mol）弱。钛在95 K的温度下的热能（RT）为〜1 kJ / mol。水是土卫六上的极少数极性分子之一，非常适合形成氢键。单个的H2O分子或烃小分子中的小簇可以在基于氢键的结构中起到催化剂的作用。

在地球上，生活是普遍的，因为可居住的液态水很普遍。即使在智利最干旱的人间阿塔卡马沙漠中，也会发现液态水。土卫六上的流体也像地下水一样广泛分布：已经发现了北部的许多大湖泊和南半球的至少一个大湖泊。惠更斯种植设备的数据显示，泰坦赤道地区的土壤被甲烷和乙烷润湿。轨道观测表明，低纬度地区的大多数土壤都是潮湿的。赤道附近也可能有小湖。它们的起源，内容和分布的性质仍不清楚。除安大略湖外，大多数大型水域都位于北半球，97％的湖泊位于900×1800 km的区域内（约占Titan表面积的2％）。

泰坦上的所有储层都可以分为两个大类。大型湖泊（几百公里宽）达到几百米的深度。它们的海岸线不平坦，它们与河道相连（例如，利基亚海）。相比之下，小湖更小，海岸线更平坦。空洞与小湖泊非常相似，位于湖泊本身上方250米处。这可能表明存在一定程度的液体的含水层和地下通道网络。

泰坦上的湖泊。泰坦北半球的人工颜色地图。湖泊是蓝色的，土地是棕色的。该地图基于卡西尼号雷达数据。海神海（Kraken Sea）是土卫六上最大的湖泊，位于极点下方。右上方是第二大利吉海。

利格亚海的雷达图像显示了复杂的海岸线以及湖泊与河流的连接。湖泊的宽度约为400公里，

据推测，泰坦上的湖泊是由于液态甲烷和乙烷溶解了固体有机物而形成了地球上的喀斯特地貌。来自轨道的光谱图像可以识别土卫六上的五种类型的土地：

亮区
黑暗赤道沙丘
蓝色区域
发射波长为5μm的区域
黑暗的湖泊

根据雷达的数据，在极地和赤道湖附近的土壤中，记录到大量的碳氢化合物和腈，但完全没有水冰。但是，惠更斯着陆点的表面发射光谱表明有一层覆盖着潮湿土壤的粒状水冰。通过将惠更斯光谱仪数据外推到其他赤道地区，可以假设低纬度地区的土壤一直处于湿润状态。这可能是由于潮湿的地下层的存在，也可能是由于降雨的系统性，这些降雨在这些纬度上得到了证实。据估计，降水后土壤可以保持潮湿5至50天。因此，如果生命可以存在于液态CH ₄和C ₂ H _6中那么应该将其分发到Titan上。

惠更斯着陆点的钛表面，10.2°S，192.4°W。图像中编号了8个可见的宝石，并排显示了其中两个的大小。与着陆模块的距离以蓝色显示。据信，这些宝石是由覆有固体有机物的水冰组成的。石头的圆形形状表明液体对它们的影响。

物质的流体循环和运输

在地球上，水是H ₂ O 分子本身与固体颗粒（盐）的混合物。溶解在其中的空气可以忽略不计。蒸发导致淡水与盐的分离，导致形成两种不同的液体栖息地：淡水（湖泊和河流）和咸水（海洋）。由于地球的大部分表面都被水覆盖，因此蒸发和降水过程是一个连续的循环。

如上所述，在泰坦的几个赤道区域记录了液体沉淀。另外，在夏季的极地地区和中纬度地区，还会形成云层。通常，在> 60°的纬度地区，降水量大大超过蒸发量，而在中低纬度地区，蒸发量较高，这与这些地区没有水库相吻合。

与地球不同，钛表面上的液体由三个主要成分组成：甲烷，乙烷和溶解的大气氮（溶解度N ₂甲烷和乙烷中的比例达到20％）。与甲烷和氮气相比，乙烷不易挥发，因此，当液体蒸发时，乙烷会保留在表面上。因此，氮和甲烷（以及程度较小的乙烷）在大气中时，可以与表面上的液体相互作用。土卫六上的雨是这些气体的混合物。

研究表明，三组分液体在蒸发和冷凝过程中的行为与单组分液体不同，这是由于其组成化合物的挥发性不同。特别地，液体的密度随温度增加。因此，极性区域中的液体比赤道处的液体密度低。众所周知，土卫六上的液体密度与压力成反比，而压力与地球上的水的性质根本不同。与地球相比，上述所有因素都导致泰坦上的流体循环系统更加复杂。

上述差异体现在土卫六的湖泊组成中：北部的湖泊由甲烷组成，而南部的湖泊由乙烷组成。安大略湖可能是曾经更大的蒸发水库的一部分。这样，它就像尘世的死海。但是，与地球不同，尚不清楚当水体被挥发性较小的液体饱和时，它是否变得不适合生活。乙烷是有机分子的强于甲烷（约20倍的优势）和氮的溶剂，因此乙烷色淀可能更适合生命形式的出现和发展。

如果土卫六上的湖泊是喀斯特，那么它们的年龄可以与月球浮雕最年轻形式的年龄相媲美（不到100,000年）。另外，假定北部中纬度地区的岩溶构造形成速率是南部地区的三倍。这是由于以下事实：根据气候模型的预测，在南部纬度，虽然降雨强度更高，但降雨频率较低。

因此，土卫六上的甲烷和乙烷是活跃而复杂的流体循环的一部分，包括降水，蒸发，湖泊形成和土壤湿度。这样的循环对于营养物质和废物的运输应该是可以接受的，没有生命就不可能存在。

钛上的碳生物化学

地球生命是基于液态水中含碳化合物的化学活性。土卫六上可能存在的寿命的基础应该是乙烷和甲烷的液体混合物中碳的化学反应。陆地生命形式使用的关键结构（例如，脂质双层作为细胞膜的一部分；氨基酸； DNA）只有在存在水样溶剂的情况下才能起作用。在地球上，碳的生物化学提供：

划分原则
复制和存储信息分子的存在和能力
结构分子的存在及其合成方法

这些过程可以在泰坦条件下进行吗？

隔离是自治的一个因素

假定生命出现的必要因素是在生命系统内部和外部环境之间出现的壳。在地球上，细胞膜基于脂质双层，并且由于双极性脂质与液态水的相互作用而起作用。最近的研究提出了一种称为氮质体的膜模型。能够在低温下在液态甲烷中起作用。该膜由小的有机含氮化合物（例如丙烯腈）组成。膜的结构完整性基于富氮分子的极性“头部”之间的吸引力以及它们通过氮和氢原子的键合。尽管在实验室条件下合成含氮体非常困难，但该结构本身是在泰坦条件下相当可行的模型。

信息的分子载体及其加倍的方法

已经发现，任何信息载体分子（例如DNA）都不应依赖于其中编码的信息而改变其形状。对于此最重要的功能，例如，DNA分子不同于蛋白质。序列中甚至替换一个氨基酸都将导致蛋白质形状的根本改变，而DNA则不受这种改变的影响。因此，DNA是适合存储信息的分子，而蛋白质不是。

最近的研究表明，被认为是信息传递分子在钛上的候选化合物的酯实际上在170 K以下的温度下不溶（在Titan上约为95 K），而生物聚合物的溶解度是生命发展的必要条件。水是一种很好的溶剂，仅因为它在高温下呈液态并且其分子是极性的。因此，阻碍在钛上溶解的主要因素是甲烷和乙烷分子的低温和非极性性质。寻找在这些条件下可溶的分子一直持续到今天。

如果发现这样的分子，则其各部分之间的连接可能是氢。一种选择是与极性氧和含氮分子的氢键。除它们之外，导电聚合物（例如聚吡咯或聚苯胺）可以存储信息。它们由碳，氮和氢组成，并且可以在稳定的氧化还原状态之间转换，这可以成为编码信息的基础。

结构分子及其合成方法

对于地球生命来说，蛋白质已成为主要的结构分子。仅使用约20种必需氨基酸，生命形式就可以合成大量的各种蛋白质。由于自身之间的相互作用以及主要是疏水和亲水特性，单个蛋白质被“包装”为更复杂的形式。

在土卫六上的液体中，蛋白质类似物可以包括烃链，基于芳香族化合物的结构，碳纳米结构（包括石墨烯）和各种类型的富勒烯。向这些化合物中添加氮可以显着增加其多样性。

生态系统

众所周知，地球上大多数生命形式都是成群生活。在这些群体中，物质和遗传信息的交换更加有效。根据最近的数据，微生物群落对恶劣条件的耐受性比单个个体更好。地球上的液态水允许生物体进行物理接触；此外，它还可以运输细胞分泌的物质。
如果土卫六上的生命是基于液态甲烷和乙烷中存在的生物分子，那么类似地球的生态系统也可能在那里形成。生命形式的信号分子可以是可在甲烷-乙烷液体介质中移动的低分子量烃。如果钛上的遗传物质存储在可溶性聚合物中，那么它们也可以在其表面上的液体介质中移动。甚至有可能陆地病毒与内部的碳氢化合物壳和遗传物质具有相似性。

生命搜寻

鉴于土卫六上拟议的生命形式与地球上的拟议生命形式之间存在巨大差异，因此有必要制定一项在土星卫星上寻找生命的策略。但是，它的基本原理已经得到发展。

生命的主要特性之一是它对所用分子的选择性。土卫六上可能存在化学相似物质的各种变化，生命形式必须在它们之间做出选择。因此，在存在生命的情况下，应在土卫六上观察到各种分子浓度的显着差异，而在非生物环境中，差异将不那么明显。

生命的生物选择性最明显的例子是手性。地球上的生命仅使用L-氨基酸，而不使用其D-类似物。在土卫六上发现同质性将是生命的重要证据。手性的最简单例子是一个原子，该原子带有四个连接在其上的基团，这样，当叠加在其上及其镜面反射时，它们将不会重合。通过向碳氢化合物中添加氮，可以形成手性中心。

生命的存在不能不影响环境的构成。因此，大多数O ₂，CO ₂，CH ₄甚至N ₂在地球上由活生物体产生的大气中。土卫六大气的研究似乎比从其表面收集土壤样本要简单得多，因此不应忽略。据信，H ₂可以作为对泰坦生物活性最准确的指示。只要生命消耗超过10 ⁹ cm ^-2 * s ^-1，以生命形式消耗的大气氢将显着影响其在对流层中的含量。在钛气氛中的光化学反应的结果是形成0.32至1.2 x 10 ⁹ cm ^-2 * s ^-1 C ₂ H ₂和1.2至15 x 10 ⁹ cm ^-2* s ^-1 C ₂ H ₆。如果我们假设产甲烷菌消耗了约20％的体积，那么钛表面的氢含量将变得大致恒定。否则，其数量将随着上升而逐渐增加。

存在（实线）和不存在产甲烷生命形式的情况下，钛表面氢的示意图

生命存在的另一个迹象是乙炔和乙烷的含量。已经证实，在钛的表面上，乙烷比根据模型应少几个数量级。后者预测应该有足够的乙烷覆盖几米厚的土卫六表面。卡西尼号探测器未找到该层。此外，与模型相比，Titan缺乏乙炔，尽管其在大气中合成且具有估计的表面储量。在惠更斯探测器着陆期间未发现任何乙炔痕迹。这些事实表明，在乙烷和乙炔的参与下，表面发生了一些化学反应。
发现在土卫六大气中的氢浓度是非均质的，并且在北纬50°平行线以上明显超过了平均值。可以假定，由于乙烷的溶解性更好，所以富含乙醇的南半球比北半球消耗更多的氢。

一些模型预测，泰坦大气中氢的向下流动。有四种可能的解释（按概率顺序）：

该模型可能会错误或不正确地模拟钛的气候和化学条件，并且可能不存在氢气。
氢可能从上层大气转移到下层大气的物理过程。因此，氢可以与固体重有机颗粒一起进入钛表面。
如果在泰坦表面确实观察到氢含量下降，那么对此的非生物解释需要在表面存在某种催化剂。
氢，乙炔和乙烷的消耗以未知的生命形式发生，该生命形式是基于液态甲烷和乙烷中的碳而形成的。

因此，在土卫六上发现生命痕迹的最佳方法是准确测量低层大气中的氢，乙炔和乙烷的水平。

结论

文章认为土星土卫六的卫星是以前未知生命形式的可能摇篮。在其表面上存在液体介质，足够的光和能量，不断地从大气中流入有机物质似乎是其发展的非常有利的条件。在这些条件下，可能存在（理论上）细胞膜。然而，实验室研究未能找到适合泰坦条件的信息载体分子。因此，泰坦生命的可能性仍然是一个悬而未决的问题。

拟议的生活形式可能面临的主要挑战是（以克服困难的顺序）：

表面化学元素种类少
低温，因此物质在液体介质中的溶解度低
甲烷和乙烷分子的非极性性质，降低了有机和无机分子在其中的溶解度
与蛋白质相比，结构烃分子种类少

考虑到这些限制，可以假设如果泰坦上有生命，那么它是原始的，异养的，新陈代谢缓慢且基因型相对简单。生物群落也不是多样的，可以是地球上极端微生物的群落的类似物。

钛的生命形式包括：

来自大气的恒定，容易获得的营养流
表面没有紫外线和电离辐射
在约95 K的温度下发生热分解的可能性低

泰坦只有最简单的生态系统，没有初级生产者和掠食者。生命形式应该非常不需要能量，因此它们的增长将减慢。土卫六上的寿命很可能只不过是在氮壳中发生的自催化反应而已。但是，如果它能够存储和传输遗传信息，也就是达尔文的信息，那么它将展示一个太阳系中两种不同生命形式的独立生成的一个很好的例子。而且，谁知道：也许，它的发现将是与拥有多种多样且令人赞叹的生物的宇宙相识的第一步。

钛是生命的摇篮吗？

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