Satürn'ün büyük uydusu Titan'da hayat olabilir mi? Soruyu sormak astrobiyologları ve kimyagerleri, yaşamın kimyası ve bunun diğer dünyalarda Dünya'dakinden farklı olabileceği konusunda dikkatli ve yaratıcı düşünmeye zorlar. Şubat ayında, kimya mühendisliği yüksek lisans öğrencisi James Stevenson, gezegen bilimcisi Jonathan Lunine ve kimya mühendisi Paulette Clancy'nin de aralarında bulunduğu Cornell Üniversitesi'nden bir araştırmacı ekibi, hücre zarlarının bu olağanüstü ayda mevcut egzotik kimyasal koşullar altında oluşabileceğini savunan öncü bir çalışma yayınladı. .
Birçok yönden Titan, Dünya'nın ikizidir. Güneş sistemindeki ikinci en büyük ay ve Merkür gezegeninden daha büyük. Dünya gibi, yüzey atmosferik basıncı Dünya'nınkinden biraz daha yüksek olan önemli bir atmosfere sahiptir. Dünyanın yanı sıra Titan, güneş sistemimizde yüzeyinde sıvı birikimi olduğu bilinen tek nesnedir. NASA’nın Cassini uzay sondası, Titan’ın kutup bölgelerindeki bol gölleri ve hatta nehirleri keşfetti. Kraken Mare olarak adlandırılan en büyük göl veya deniz, Dünya'nın Hazar Denizi'nden daha büyüktür. Araştırmacılar, hem uzay aracı gözlemlerinden hem de laboratuvar deneylerinden Titan'ın atmosferinin, yaşamın yapı taşları olan karmaşık organik moleküller açısından zengin olduğunu biliyorlar.
Tüm bu özellikler, Titan'ın yaşam için harika bir şekilde uygun gibi görünmesini sağlayabilir. Efsanevi bir deniz canavarı anlamına gelen 'Kraken' adı, astrobiyologların hevesli umutlarını yansıtıyor. Ancak Titan, Dünya’nın uzaylı ikizidir. Güneş'ten Dünya'dan neredeyse on kat daha fazla olan yüzey sıcaklığı, -180 derece santigrat derece. Sıvı su bildiğimiz gibi yaşam için hayati önem taşır, ancak Titan’ın yüzeyinde tüm su katı halde donar. Su buzu, silikon içeren kayanın Dünya üzerinde yaptığı rolü üstlenerek kabuğun dış katmanlarını oluşturur.
Titan’ın göllerini ve nehirlerini dolduran sıvı su değil, muhtemelen burada yeryüzünde gaz olan sıvı etan gibi diğer maddelerle karıştırılmış sıvı metan. Titan’ın denizlerinde yaşam varsa, bildiğimiz gibi yaşam değildir. Organik moleküller sıvı su yerine sıvı metan içinde çözülmüş yabancı bir yaşam biçimi olmalıdır. Böyle bir şey mümkün mü?
Cornell ekibi, sıvı zarda hücre zarlarının bulunup bulunmadığını araştırarak bu zorlu sorunun önemli bir bölümünü ele aldı. Her canlı hücre, esasen, bağlayıcı zarlar içinde yer alan kendi kendini sürdüren bir kimyasal reaksiyonlar ağıdır. Bilim adamları, hücre zarlarının Dünya'daki yaşam tarihinde çok erken ortaya çıktığını ve oluşumlarının yaşamın kökenindeki ilk adım olabileceğini düşünüyorlar.
Burada Dünya'da hücre zarları, lise biyoloji sınıfına aşina. Fosfolipid adı verilen büyük moleküllerden yapılırlar. Her fosfolipid molekülünün bir 'başı' ve 'kuyruğu' vardır. Kafa, birkaç oksijen atomuna bağlı bir fosfor atomu olan bir fosfat grubu içerir. Kuyruk, her iki tarafta hidrojen atomları bulunan, tipik olarak 15 ila 20 atom uzunluğunda bir veya daha fazla karbon atomu dizisinden oluşur. Kafa, fosfat grubunun negatif yükü nedeniyle, elektrik yükünün eşit olmayan bir dağılımına sahiptir ve bunun kutupsal olduğunu söylüyoruz. Kuyruk, diğer taraftan, elektriksel olarak nötrdür.
Bu elektriksel özellikler, fosfolipid moleküllerinin suda çözündüklerinde nasıl davranacaklarını belirler. Elektriksel olarak konuşursak, su kutupsal bir moleküldür. Su molekülündeki elektronlar, oksijen atomuna iki hidrojen atomundan daha güçlü bir şekilde çekilir. Dolayısıyla, molekülün iki hidrojen atomunun bulunduğu tarafında hafif bir pozitif yük vardır ve oksijen tarafında küçük bir negatif yük vardır. Suyun bu polar özellikleri, hidrofilik olduğu söylenen fosfolipid molekülünün polar başını çekmesine ve hidrofobik olduğu söylenen polar olmayan kuyruğunu itmesine neden olur.
Fosfolipid molekülleri suda çözündüğünde, iki maddenin elektriksel özellikleri birlikte çalışır ve fosfolipid moleküllerinin kendilerini bir zar halinde düzenlemelerine neden olur. Membran, lipozom adı verilen küçük bir kürenin içine kapanır. Fosfolipid molekülleri iki katmanlı kalınlıkta iki molekül oluşturur. Polar hidrofilik kafalar, membranın hem iç hem de dış yüzeyinde suya doğru bakmaktadır. Hidrofobik kuyruklar birbirine bakacak şekilde sandviçlenir. Fosfolipid molekülleri, başları dışa bakacak ve kuyrukları içeri bakacak şekilde katmanlarında sabit kalırken, membrana yaşam için gerekli olan sıvı esnekliğini vererek hala birbirlerine göre hareket edebilirler.
Fosfolipid iki tabakalı membranlar, tüm karasal hücre zarlarının temelidir. Tek başına bile, bir lipozom büyüyebilir, üreyebilir ve yaşam için önemli olan bazı kimyasal reaksiyonlara yardımcı olabilir, bu nedenle bazı biyokimyacılar lipozom oluşumunun hayata doğru ilk adım olabileceğini düşünmektedir. Her halükarda, hücre zarlarının oluşumu, yaşamın Dünya'da ortaya çıkmasında mutlaka erken bir adım olmalıdır.
Titan'da ister deniz canavarı ister (daha muhtemel) mikrop olsun, bir tür yaşam şekli varsa, tıpkı Dünya'daki her canlıda olduğu gibi, kesinlikle bir hücre zarına sahip olması gerekecektir. Titan'da sıvı metanda fosfolipid çift tabakalı membranlar oluşabilir mi? Cevap hayır. Sudan farklı olarak, metan molekülü elektrik yüklerinin eşit dağılımına sahiptir. Suyun polar niteliklerinden yoksundur ve bu nedenle fosfolipid molekülünün kutup başlıklarını çekemez. Bu çekim, fosfolipitlerin Dünya tarzı bir hücre zarı oluşturması için gereklidir.
Fosfolipitlerin polar olmayan sıvılar içinde Dünyevi oda sıcaklığında çözüldüğü deneyler yapılmıştır. Bu koşullar altında, fosfolipidler 'içten dışa' iki tabakalı bir zar oluşturur. Fosfolipid moleküllerinin kutup başları merkezdedir, elektrik yükleri ile birbirine çekilir. Polar olmayan kuyruklar, iç-dış zarın her iki tarafında, polar olmayan çözücüye bakan dışa bakar.
Titanian yaşamının içten dışa fosfolipid membranı olabilir mi? Cornell ekibi bunun iki nedenden dolayı işe yaramayacağı sonucuna vardı. Birincisi, sıvı metanın kriyojenik sıcaklıklarında, fosfolipitlerin kuyruklarının sertleşmesi ve yaşam için gerekli olan sıvı esnekliğini oluşturabilecek herhangi bir iç-dış zardan yoksun kalmasıdır. İkincisi, fosfolipitlerin iki temel bileşenidir; Fosfor ve oksijen, muhtemelen Titan'ın metan göllerinde kullanılamaz. Titan hücre zarlarını araştırırken, Cornell ekibinin lise biyolojisinin tanıdık aleminin ötesine bakması gerekiyordu.
Fosfolipidlerden oluşmamasına rağmen, bilim adamları herhangi bir Titan hücre zarının laboratuvarda oluşturulan iç-dış fosfolipid membranlar gibi olacağını düşündüler. Polar olmayan bir sıvı metan çözeltisi içinde elektriksel olarak birbirine yapışan polar moleküllerden oluşur. Bunlar hangi moleküller olabilir? Yanıtlar için araştırmacılar Cassini uzay aracından ve Titan’ın atmosferinin kimyasını üreten laboratuvar deneylerinden gelen verilere baktılar.
Titan’ın atmosferinin çok karmaşık bir kimyası olduğu bilinmektedir. Çoğunlukla azot ve metan gazından yapılır. Cassini uzay aracı, bileşimini spektroskopi kullanarak analiz ettiğinde, nitriller ve aminler adı verilen çeşitli karbon, azot ve hidrojen bileşiklerinin izlerini buldu. Araştırmacılar, Titan'daki azot ve metan karışımlarını Titan üzerindeki güneş ışığı simüle eden enerji kaynaklarına maruz bırakarak laboratuvardaki Titan atmosferinin kimyasını simüle ettiler. "Tholins" adı verilen bir organik molekül güveç oluşur. Hidrokarbon adı verilen hidrojen ve karbon bileşiklerinin yanı sıra nitriller ve aminlerden oluşur.
Cornell araştırmacıları nitrilleri ve aminleri Titanian hücre zarları için potansiyel adaylar olarak gördüler. Her ikisi de azot içeren grupların polaritesi nedeniyle polar olmayan sıvı metanda bir zar oluşturmak için birbirine yapışabilen polar moleküllerdir. Aday moleküllerin fosfolipidlerden çok daha küçük olması gerektiğine karar verdiler, böylece sıvı metan sıcaklıklarında sıvı membranlar oluşturabilirler. Üç ila altı karbon atomu içeren dizeler içeren nitriller ve aminleri düşündüler. Azot içeren gruplara 'azoto' grupları denir, bu nedenle ekip varsayımsal Titanian muadillerini lipozoma 'azotosome' olarak adlandırdı.
Deneysel çalışma için azotosomların sentezlenmesi zor ve pahalı olurdu, çünkü deneylerin sıvı metanın kriyojenik sıcaklıklarında yapılması gerekecektir. Ancak aday moleküller başka nedenlerle kapsamlı olarak incelendiğinden, Cornell araştırmacıları, aday moleküllerinin sıvı metanda esnek bir zar olarak yer alıp alamayacağını belirlemek için hesaplama kimyası araçlarına dönmenin haklı olduğunu hissettiler. Hesaplamalı modeller, geleneksel fosfolipid hücre zarlarını incelemek için başarıyla kullanılmıştır.
Grubun hesaplamalı simülasyonları, bazı aday maddelerin bir zar olarak geçmeyecekleri, çok katı ya da katı olacağı için göz ardı edilebileceğini gösterdi. Bununla birlikte, simülasyonlar ayrıca bir dizi maddenin uygun özelliklere sahip membranlar oluşturacağını gösterdi. Uygun bir madde, Cassini'nin gösterdiği akrilonitrildir, Titan'ın atmosferinde milyon başına 10 kısım konsantrasyonda bulunur. Kriyojenik azotozomlar ve oda sıcaklığı lipozomları arasındaki büyük sıcaklık farkına rağmen, simülasyonlar, onlara, şaşırtıcı derecede benzer stabilite ve mekanik strese tepki özellikleri sergilediğini gösterdi. Hücre zarları sıvı metanda ömür boyu mümkündür.
Cornell'den bilim adamları bulgularını, sıvı metanda yaşamın mümkün olduğunu göstermeye ve gelecekteki uzay aracının Titan'da aramak için ihtiyaç duyacağı yöntemleri geliştirmeye yönelik ilk adımdan başka bir şey olarak görmüyorlar. Sıvı metanda yaşam mümkünse, sonuçlar sonuçta Titan'ın çok ötesine uzanır.
Galaksideki yaşam için uygun koşullar ararken, gökbilimciler tipik olarak bir yıldızın yaşanabilir bölgesi içinde, Dünya benzeri bir atmosfere sahip bir gezegenin sıvı suya uygun bir yüzey sıcaklığına sahip olacağı dar mesafeler aralığı olarak tanımlanan dış gezegenleri ararlar. Metan ömrü mümkünse, yıldızlar aynı zamanda metan yaşamını mümkün kılan bir gezegende veya ayda sıvı olarak metanın var olabileceği bir bölge olan metanla yaşanabilir bir bölgeye sahip olacaktır. Galaksideki yaşanabilir dünyaların sayısı büyük ölçüde artacaktır. Belki de bazı dünyalarda metan hayatı, neredeyse hayal edemeyeceğimiz karmaşık biçimlere dönüşür. Belki bazıları deniz canavarlarına benziyor.
Kaynaklar ve İleri Okumalar:
N. Atkinson (2010) Uzaylı Titan'da Yaşam? Bir dakika, Uzay Dergisi.
N. Atkinson (2010) Titan'da Yaşam Kokulu ve Patlayıcı Olabilir, Uzay Dergisi.
Kablo.
E. Howell (2014) Titan’ın Görkemli Ayna Benzeri Gölleri Bu Hafta Cassini’nin İncelemesi Alan Space Magazine’de olacak.
J. Major (2013) Titan’ın Kuzey Kutbu Uzay Dergisi Göllerle Yüklendi.
McKay, H. D. Smith, (2005) Titan yüzeyinde sıvı metanda metanojenik yaşam olanakları, Icarus 178: 274-276.
J. Stevenson, J. Lunine, P. Clancy, (2015) Oksijensiz dünyalarda membran alternatifleri: Azotozomun oluşturulması, Science Advances 1 (1): e1400067.
S. Oleson (2014) Titan denizaltısı: Kraken'in derinliklerinin araştırılması, NASA Glenn Araştırma Merkezi, Basın bülteni.
Cassini Gündönümü Misyonu, NASA Jet İtici Laboratuvarı
NASA ve ESA, Titan açılışından bu yana 10 yılını kutladı, NASA 2015
