Mungkinkah ada kehidupan di bulan besar Saturnus Titan? Mengemukakan soalan itu memaksa ahli astrobiologi dan ahli kimia untuk berfikir dengan teliti dan kreatif tentang kimia kehidupan, dan bagaimana ia mungkin berbeza di dunia lain daripada di Bumi. Pada bulan Februari, sepasukan penyelidik dari Universiti Cornell, termasuk pelajar siswazah kejuruteraan kimia, James Stevenson, saintis planet Jonathan Lunine, dan jurutera kimia Paulette Clancy, menerbitkan kajian perintis dengan alasan bahawa membran sel dapat terbentuk di bawah keadaan kimia eksotik yang terdapat pada bulan yang luar biasa ini .
Dalam banyak cara, Titan adalah kembar Bumi. Ini adalah bulan kedua terbesar dalam sistem suria dan lebih besar daripada planet Merkurius. Seperti Bumi, ia mempunyai atmosfer yang besar, dengan tekanan atmosfera permukaan sedikit lebih tinggi daripada Bumi. Selain Bumi, Titan adalah satu-satunya objek dalam sistem suria kita yang diketahui mempunyai pengumpulan cecair di permukaannya. Penyelidikan ruang angkasa Cassini NASA menemui banyak tasik dan bahkan sungai di wilayah kutub Titan. Tasik terbesar, atau laut, yang disebut Kraken Mare, lebih besar daripada Laut Kaspia Bumi. Para penyelidik tahu dari kedua-dua pemerhatian kapal angkasa dan eksperimen makmal bahawa atmosfer Titan kaya dengan molekul organik yang kompleks, yang merupakan asas kehidupan.
Semua ciri ini mungkin kelihatan seolah-olah Titan sangat mengasyikkan seumur hidup. Nama ‘Kraken’, yang merujuk kepada raksasa laut yang legenda, dengan indah menggambarkan harapan para astrobiologis yang sangat bersemangat. Tetapi, Titan adalah kembar asing Bumi. Menjadi hampir sepuluh kali lebih jauh dari matahari daripada Bumi, suhu permukaannya adalah sejuk -180 darjah Celsius. Air cair sangat penting bagi kehidupan seperti yang kita ketahui, tetapi di permukaan Titan semua air beku padat. Air es mengambil peranan seperti batu yang mengandung silikon di Bumi, membentuk lapisan luar kerak bumi.
Cecair yang memenuhi tasik dan sungai Titan bukanlah air, tetapi metana cair, mungkin dicampurkan dengan bahan lain seperti etana cair, yang semuanya adalah gas di Bumi. Sekiranya ada kehidupan di laut Titan, bukan kehidupan seperti yang kita ketahui. Ia mestilah bentuk kehidupan yang asing, dengan molekul organik larut dalam metana cair dan bukannya air cair. Adakah perkara seperti itu boleh dilakukan?
Pasukan Cornell mengambil bahagian penting dari soalan yang mencabar ini dengan menyiasat sama ada membran sel boleh wujud dalam metana cair. Setiap sel hidup, pada dasarnya, merupakan rangkaian reaksi kimia yang dapat bertahan sendiri, yang terkandung dalam membran yang mengikat. Para saintis berpendapat bahawa membran sel muncul sangat awal dalam sejarah kehidupan di Bumi, dan pembentukannya mungkin merupakan langkah pertama dalam asal kehidupan.
Di Bumi, membran sel sama seperti kelas biologi sekolah menengah. Mereka terbuat dari molekul besar yang disebut fosfolipid. Setiap molekul fosfolipid mempunyai 'kepala' dan 'ekor'. Kepala mengandungi kumpulan fosfat, dengan atom fosfor dihubungkan dengan beberapa atom oksigen. Ekornya terdiri daripada satu atau lebih rentetan atom karbon, biasanya panjangnya 15 hingga 20 atom, dengan atom hidrogen dihubungkan pada setiap sisi. Kepala, kerana cas negatif kumpulan fosfatnya, mempunyai pengagihan cas elektrik yang tidak sama, dan kami mengatakan bahawa ia adalah kutub. Ekor, sebaliknya, tidak elektrik.
Sifat elektrik ini menentukan bagaimana molekul fosfolipid akan bertindak semasa mereka dilarutkan di dalam air. Secara elektrik, air adalah molekul polar. Elektron dalam molekul air lebih kuat tertarik pada atom oksigennya daripada dua atom hidrogennya. Jadi, sisi molekul di mana dua atom hidrogen mempunyai muatan positif yang sedikit, dan sisi oksigen mempunyai muatan negatif yang kecil. Sifat polar air menyebabkannya menarik kepala polar molekul fosfolipid, yang dikatakan hidrofilik, dan mengusir ekor nonpolarnya, yang dikatakan hidrofobik.
Apabila molekul fosfolipid dilarutkan di dalam air, sifat elektrik kedua-dua bahan tersebut bekerjasama menyebabkan molekul fosfolipid tersusun menjadi membran. Membran menutup ke dirinya sendiri ke dalam sfera kecil yang disebut liposom. Molekul fosfolipid membentuk dua lapisan dua molekul tebal. Kepala hidrofilik kutub menghadap ke luar ke arah air di permukaan dalam dan luar membran. Ekor hidrofobik terjepit di antara satu sama lain. Walaupun molekul fosfolipid tetap terpaku di lapisannya, dengan kepala menghadap ke luar dan ekornya menghadap ke dalam, mereka masih dapat bergerak saling berkaitan satu sama lain, memberikan selaput kelenturan cecair yang diperlukan untuk hidup.
Membran fosfolipid bilayer adalah asas dari semua membran sel terestrial. Walaupun dengan sendirinya, liposom dapat tumbuh, membiak dan membantu reaksi kimia tertentu yang penting bagi kehidupan, sebab itulah sebilangan ahli biokimia berpendapat bahawa pembentukan liposom mungkin merupakan langkah pertama menuju kehidupan. Bagaimanapun, pembentukan membran sel pasti merupakan langkah awal kemunculan hidup di Bumi.
Sekiranya ada beberapa bentuk kehidupan di Titan, sama ada raksasa laut atau (kemungkinan besar) mikroba, ia pasti memerlukan membran sel, seperti yang dilakukan oleh setiap makhluk hidup di Bumi. Bolehkah membran fosfolipid bilayer terbentuk dalam metana cair di Titan? Jawapannya adalah tidak. Tidak seperti air, molekul metana mempunyai pengagihan cas elektrik yang sama rata. Ia tidak mempunyai kualiti kutub air, sehingga tidak dapat menarik kepala polar molekul fosfolipid. Daya tarikan ini diperlukan untuk fosfolipid untuk membentuk membran sel gaya Bumi.
Eksperimen telah dilakukan di mana fosfolipid dilarutkan dalam cecair bukan polar pada suhu bilik Bumi. Dalam keadaan ini, fosfolipid membentuk membran dua lapisan 'dalam-keluar'. Kepala polar molekul fosfolipid berada di tengah, saling menarik antara satu sama lain oleh cas elektrik mereka. Ekor bukan polar menghadap ke luar pada setiap sisi membran dalam-keluar, menghadap pelarut bukan polar.
Mungkinkah kehidupan Titanian mempunyai membran fosfolipid dari dalam? Pasukan Cornell menyimpulkan bahawa ini tidak akan berjaya, kerana dua sebab. Yang pertama adalah bahawa pada suhu kriogenik metana cair, ekor fosfolipid menjadi kaku, kehilangan selaput dari dalam yang mungkin membentuk kelenturan bendalir yang diperlukan untuk hidup. Yang kedua ialah dua bahan utama fosfolipid; fosforus dan oksigen, mungkin tidak terdapat di tasik metana di Titan. Dalam pencarian membran sel Titanian, pasukan Cornell perlu melakukan penyelidikan di luar bidang biologi sekolah menengah yang tidak asing lagi.
Walaupun tidak terdiri dari fosfolipid, para saintis berpendapat bahawa mana-mana membran sel Titanian akan seperti membran fosfolipid dari dalam yang dibuat di makmal. Ini terdiri daripada molekul polar yang menempel secara elektrik dalam larutan metana cecair bukan polar. Molekul apa itu? Untuk mendapatkan jawapan, para penyelidik mencari data dari kapal angkasa Cassini dan dari eksperimen makmal yang menghasilkan semula kimia atmosfer Titan.
Suasana Titan diketahui mempunyai kimia yang sangat kompleks. Ia terbuat dari gas nitrogen dan metana. Ketika kapal angkasa Cassini menganalisis komposisinya menggunakan spektroskopi, ia menemukan jejak pelbagai sebatian karbon, nitrogen, dan hidrogen, yang disebut nitril dan amina. Para penyelidik telah mensimulasikan kimia atmosfer Titan di makmal dengan mendedahkan campuran nitrogen dan metana ke sumber tenaga yang mensimulasikan cahaya matahari di Titan. Rebusan molekul organik yang disebut 'tholins' terbentuk. Ini terdiri daripada sebatian hidrogen dan karbon, yang disebut hidrokarbon, serta nitril dan amina.
Penyiasat Cornell melihat nitril dan amina sebagai calon yang berpotensi untuk membran sel Titanian mereka. Kedua-duanya adalah molekul polar yang mungkin melekat bersama untuk membentuk membran dalam metana cair bukan polar kerana kekutuban kumpulan yang mengandungi nitrogen yang terdapat di kedua-duanya. Mereka beralasan bahawa molekul calon mestilah jauh lebih kecil daripada fosfolipid, sehingga dapat membentuk membran cecair pada suhu metana cair. Mereka menganggap nitril dan amina mengandungi rentetan antara tiga dan enam atom karbon. Kumpulan yang mengandungi nitrogen disebut kumpulan "azoto", jadi pasukan menamakan rakan Titanian hipotesis mereka ke liposom sebagai "azotosom".
Mensintesis azotosom untuk kajian eksperimental pasti sukar dan mahal, kerana eksperimen perlu dilakukan pada suhu kriogenik metana cair. Tetapi kerana molekul calon telah dipelajari secara meluas untuk alasan lain, para penyelidik Cornell merasa dibenarkan untuk beralih ke alat kimia komputasi untuk menentukan apakah molekul calon mereka dapat berpadu sebagai membran fleksibel dalam metana cair. Model komputasi berjaya digunakan untuk mengkaji membran sel fosfolipid konvensional.
Simulasi pengkomputeran kumpulan menunjukkan bahawa sebilangan calon bahan dapat dikesampingkan kerana tidak berpadu sebagai selaput, terlalu kaku, atau akan membentuk pepejal. Walaupun begitu, simulasi juga menunjukkan bahawa sebilangan zat akan membentuk membran dengan sifat yang sesuai. Satu bahan yang sesuai adalah acrylonitrile, yang ditunjukkan oleh Cassini terdapat di atmosfer Titan pada 10 bahagian per juta kepekatan. Walaupun terdapat perbezaan suhu yang sangat besar antara azotozom kriogenik dan liposom suhu bilik, simulasi menunjukkan bahawa mereka menunjukkan sifat kestabilan dan tindak balas yang sangat serupa terhadap tekanan mekanikal. Selaput sel mungkin untuk hidup dalam metana cair.
Para saintis dari Cornell melihat penemuan mereka sebagai langkah pertama untuk menunjukkan bahawa kehidupan dalam metana cair adalah mungkin, dan ke arah mengembangkan kaedah yang diperlukan oleh kapal angkasa masa depan untuk mencarinya di Titan. Sekiranya kehidupan mungkin berlaku dalam metana cair, implikasinya akhirnya melampaui Titan.
Semasa mencari keadaan yang sesuai untuk kehidupan di galaksi, para astronom biasanya mencari eksoplanet dalam zon bintang yang dapat dihuni, yang ditakrifkan sebagai jarak jarak sempit di mana planet dengan atmosfer seperti Bumi akan mempunyai suhu permukaan yang sesuai untuk air cair. Sekiranya kehidupan metana mungkin, maka bintang juga akan memiliki zon yang dapat dihuni metana, suatu wilayah di mana metana dapat wujud sebagai cairan di planet atau bulan, sehingga memungkinkan kehidupan metana. Jumlah dunia yang dapat dihuni di galaksi akan meningkat. Mungkin, di beberapa dunia, kehidupan metana berkembang menjadi bentuk kompleks yang hampir tidak dapat kita bayangkan. Mungkin ada di antara mereka yang seperti monster laut.
Rujukan dan Bacaan Lanjut:
N. Atkinson (2010) Kehidupan Alien di Titan? Tunggu Sebentar, Majalah Angkasa.
N. Atkinson (2010) Kehidupan di Titan Mungkin Bau dan Meledak, Space Magazine.
M. L. Cable, S. M. Horst, R. Hodyss, P. Beauchamp, M. A. Smith, P. Willis, (2012) Titan tholins: Simulasi kimia organik Titan pada era Cassini-Huygens, Ulasan Kimia, 112: 1882-1909.
E. Howell (2014) Titan's Majestic Mirror-Like Lakes Akan Datang di bawah Pemeriksaan Cassini Minggu Ini, Space Magazine.
J. Major (2013) Kutub Utara Titan Dimuat Dengan Tasik, Majalah Angkasa.
C. P. McKay, H. D. Smith, (2005) Kemungkinan hidup metanogenik dalam metana cair di permukaan Titan, Icarus 178: 274-276.
J. Stevenson, J. Lunine, P. Clancy, (2015) Alternatif membran di dunia tanpa oksigen: Penciptaan azotosom, Science Advances 1 (1): e1400067.
S. Oleson (2014) Kapal selam Titan: Menjelajahi kedalaman Kraken, Pusat Penyelidikan NASA Glenn, Siaran akhbar.
Cassini Solstice Mission, NASA Jet Propulsion Laboratory
NASA dan ESA meraikan 10 tahun sejak Titan mendarat, NASA 2015
