Potrebbe esserci vita sulla grande luna di Saturno, Titano? Porre la domanda obbliga gli astrobiologi e i chimici a riflettere attentamente e in modo creativo sulla chimica della vita e su come potrebbe essere diverso su altri mondi rispetto alla Terra. A febbraio, un team di ricercatori della Cornell University, tra cui lo studente laureato in ingegneria chimica James Stevenson, lo scienziato planetario Jonathan Lunine e l'ingegnere chimico Paulette Clancy, hanno pubblicato uno studio pionieristico sostenendo che le membrane cellulari potrebbero formarsi nelle condizioni chimiche esotiche presenti su questa straordinaria luna .
Per molti versi, Titano è il gemello della Terra. È la seconda luna più grande del sistema solare e più grande del pianeta Mercurio. Come la Terra, ha un'atmosfera sostanziale, con una pressione atmosferica superficiale un po 'più alta di quella terrestre. Oltre alla Terra, Titano è l'unico oggetto nel nostro sistema solare noto per avere accumuli di liquido sulla sua superficie. La sonda spaziale Cassini della NASA ha scoperto numerosi laghi e persino fiumi nelle regioni polari di Titano. Il lago o il mare più grande, chiamato Kraken Mare, è più grande del Mar Caspio della Terra. I ricercatori sanno sia dalle osservazioni dei veicoli spaziali che dagli esperimenti di laboratorio che l'atmosfera di Titano è ricca di molecole organiche complesse, che sono i mattoni della vita.
Tutte queste caratteristiche potrebbero far sembrare che Titano sia straordinariamente adatto alla vita. Il nome "Kraken", che si riferisce a un mostro marino leggendario, riflette fantasiosamente le avide speranze degli astrobiologi. Ma Titano è il gemello alieno della Terra. Essendo quasi dieci volte più lontano dal Sole rispetto alla Terra, la sua temperatura superficiale è un freddo di -180 gradi Celsius. L'acqua liquida è vitale per la vita come la conosciamo, ma sulla superficie di Titano tutta l'acqua è congelata solida. Il ghiaccio d'acqua assume il ruolo che la roccia contenente silicio svolge sulla Terra, costituendo gli strati esterni della crosta.
Il liquido che riempie i laghi e i fiumi di Titano non è acqua, ma metano liquido, probabilmente miscelato con altre sostanze come l'etano liquido, che sono tutti gas qui sulla Terra. Se c'è vita nei mari di Titano, non è vita come la conosciamo. Deve essere una forma di vita aliena, con molecole organiche disciolte nel metano liquido anziché nell'acqua liquida. È possibile una cosa del genere?
Il team di Cornell ha affrontato una parte fondamentale di questa domanda difficile esaminando se le membrane cellulari possono esistere nel metano liquido. Ogni cellula vivente è essenzialmente una rete autosufficiente di reazioni chimiche, contenuta all'interno delle membrane delimitate. Gli scienziati pensano che le membrane cellulari siano emerse molto presto nella storia della vita sulla Terra e che la loro formazione potrebbe essere stata anche il primo passo nell'origine della vita.
Qui sulla Terra, le membrane cellulari sono familiari quanto le lezioni di biologia delle scuole superiori. Sono fatti di grandi molecole chiamate fosfolipidi. Ogni molecola di fosfolipide ha una "testa" e una "coda". La testa contiene un gruppo fosfato, con un atomo di fosforo collegato a diversi atomi di ossigeno. La coda è costituita da una o più stringhe di atomi di carbonio, in genere lunghe da 15 a 20 atomi, con atomi di idrogeno collegati su ciascun lato. La testa, a causa della carica negativa del suo gruppo fosfato, ha una distribuzione ineguale della carica elettrica e diciamo che è polare. La coda, invece, è elettricamente neutra.
Queste proprietà elettriche determinano il comportamento delle molecole di fosfolipidi quando vengono sciolte in acqua. Elettricamente parlando, l'acqua è una molecola polare. Gli elettroni nella molecola d'acqua sono attratti più fortemente dal suo atomo di ossigeno che dai suoi due atomi di idrogeno. Quindi, il lato della molecola in cui si trovano i due atomi di idrogeno ha una leggera carica positiva e il lato dell'ossigeno ha una piccola carica negativa. Queste proprietà polari dell'acqua inducono ad attirare la testa polare della molecola fosfolipidica, che si dice sia idrofila, e respinge la sua coda non polare, che si dice sia idrofobica.
Quando le molecole di fosfolipidi vengono dissolte in acqua, le proprietà elettriche delle due sostanze lavorano insieme per indurre le molecole di fosfolipidi a organizzarsi in una membrana. La membrana si chiude su se stessa in una piccola sfera chiamata liposoma. Le molecole di fosfolipidi formano uno strato doppio di due molecole di spessore. Le teste polifoniche idrofile sono rivolte verso l'esterno verso l'acqua sia sulla superficie interna che esterna della membrana. Le code idrofobiche sono inserite tra di loro, una di fronte all'altra. Mentre le molecole di fosfolipidi rimangono fisse nel loro strato, con la testa rivolta verso l'esterno e la coda rivolta verso l'interno, possono ancora muoversi l'una rispetto all'altra, dando alla membrana la flessibilità fluida necessaria per la vita.
Le membrane a doppio strato di fosfolipidi sono la base di tutte le membrane cellulari terrestri. Anche da solo, un liposoma può crescere, riprodursi e aiutare alcune reazioni chimiche importanti per la vita, motivo per cui alcuni biochimici pensano che la formazione di liposomi potrebbe essere stata il primo passo verso la vita. In ogni caso, la formazione delle membrane cellulari deve essere stata sicuramente un primo passo nella nascita della vita sulla Terra.
Se su Titano esiste una qualche forma di vita, che si tratti di un mostro marino o di un microbo (più probabile), avrebbe quasi sicuramente bisogno di avere una membrana cellulare, proprio come ogni essere vivente sulla Terra. Le membrane bistrate fosfolipidiche potrebbero formarsi in metano liquido su Titano? La risposta è no. A differenza dell'acqua, la molecola di metano ha una distribuzione uniforme delle cariche elettriche. Manca le qualità polari dell'acqua e quindi non potrebbe attrarre le teste polari della molecola fosfolipidica. Questa attrazione è necessaria affinché i fosfolipidi formino una membrana cellulare in stile Terra.
Sono stati condotti esperimenti in cui i fosfolipidi vengono dissolti in liquidi non polari a temperatura ambiente terrestre. In queste condizioni, i fosfolipidi formano una membrana a due strati "dentro-fuori". Le teste polari delle molecole fosfolipidiche sono al centro, attratte l'una dall'altra dalle loro cariche elettriche. Le code non polari sono rivolte verso l'esterno su ciascun lato della membrana rovesciata, di fronte al solvente non polare.
La vita dei Titani potrebbe avere una membrana fosfolipidica capovolta? Il team di Cornell ha concluso che questo non avrebbe funzionato, per due motivi. Il primo è che alle temperature criogeniche del metano liquido, le code dei fosfolipidi diventano rigide, privando qualsiasi membrana rovesciata che potrebbe formare la flessibilità del fluido necessaria per la vita. Il secondo è che due ingredienti chiave dei fosfolipidi; fosforo e ossigeno, probabilmente non sono disponibili nei laghi di metano di Titano. Nella loro ricerca delle membrane cellulari dei Titani, il team di Cornell aveva bisogno di sondare oltre il regno familiare della biologia delle superiori.
Sebbene non siano composti da fosfolipidi, gli scienziati hanno ipotizzato che qualsiasi membrana cellulare titaniana sarebbe comunque come le membrane fosfolipidiche capovolte create in laboratorio. Consisterebbe in molecole polari che si uniscono elettricamente insieme in una soluzione di metano liquido non polare. Quali molecole potrebbero essere? Per le risposte, i ricercatori hanno esaminato i dati del veicolo spaziale Cassini e degli esperimenti di laboratorio che hanno riprodotto la chimica dell'atmosfera di Titano.
L'atmosfera di Titano è nota per avere una chimica molto complessa. È composto principalmente da azoto e gas metano. Quando il veicolo spaziale Cassini ha analizzato la sua composizione usando la spettroscopia, ha trovato tracce di una varietà di composti di carbonio, azoto e idrogeno, chiamati nitrili e ammine. I ricercatori hanno simulato la chimica dell'atmosfera di Titano in laboratorio esponendo miscele di azoto e metano a fonti di energia che simulano la luce solare su Titano. Si forma uno stufato di molecole organiche chiamate "tholins". È costituita da composti di idrogeno e carbonio, chiamati idrocarburi, nonché nitrili e ammine.
Gli investigatori di Cornell hanno visto i nitrili e le ammine come potenziali candidati per le loro membrane cellulari titaniane. Entrambe sono molecole polari che potrebbero unirsi per formare una membrana in metano liquido non polare a causa della polarità dei gruppi contenenti azoto presenti in entrambi. Hanno ragionato che le molecole candidate devono essere molto più piccole dei fosfolipidi, in modo da poter formare membrane fluide a temperature del metano liquido. Hanno preso in considerazione nitrili e ammine contenenti stringhe tra tre e sei atomi di carbonio. I gruppi contenenti azoto sono chiamati gruppi "azoto", quindi il team ha chiamato la loro ipotetica controparte titaniana del liposoma "azotomo".
Sintetizzare gli azotomi per lo studio sperimentale sarebbe stato difficile e costoso, perché gli esperimenti avrebbero dovuto essere condotti alle temperature criogeniche del metano liquido. Ma dal momento che le molecole candidate sono state ampiamente studiate per altri motivi, i ricercatori di Cornell si sono sentiti giustificati nel rivolgersi agli strumenti della chimica computazionale per determinare se le loro molecole candidate potevano coesistere come una membrana flessibile nel metano liquido. I modelli computazionali sono stati utilizzati con successo per studiare le membrane cellulari fosfolipidiche convenzionali.
Le simulazioni computazionali del gruppo hanno mostrato che alcune sostanze candidate potrebbero essere escluse poiché non aderirebbero come una membrana, sarebbero troppo rigide o formerebbero un solido. Tuttavia, le simulazioni hanno anche mostrato che un certo numero di sostanze formerebbe membrane con proprietà adeguate. Una sostanza adatta è l'acrilonitrile, che Cassini ha mostrato è presente nell'atmosfera di Titano a 10 parti per milione di concentrazione. Nonostante l'enorme differenza di temperatura tra azotozomi criogenici e liposomi a temperatura ambiente, le simulazioni hanno mostrato loro di mostrare proprietà sorprendentemente simili di stabilità e risposta allo stress meccanico. Le membrane cellulari, quindi, sono possibili per la vita nel metano liquido.
Gli scienziati di Cornell considerano le loro scoperte come nient'altro che un primo passo verso la dimostrazione che la vita nel metano liquido è possibile e verso lo sviluppo dei metodi che il futuro veicolo spaziale dovrà cercare su Titano. Se la vita è possibile nel metano liquido, le implicazioni alla fine si estendono ben oltre Titano.
Quando cercano condizioni adatte alla vita nella galassia, gli astronomi in genere cercano esopianeti all'interno della zona abitabile di una stella, definita come la ristretta gamma di distanze su cui un pianeta con un'atmosfera simile alla Terra avrebbe una temperatura superficiale adatta per l'acqua liquida. Se la vita del metano fosse possibile, allora le stelle avrebbero anche una zona abitabile del metano, una regione in cui il metano potrebbe esistere come liquido su un pianeta o sulla luna, rendendo possibile la vita del metano. Il numero di mondi abitabili nella galassia sarebbe notevolmente aumentato. Forse, in alcuni mondi, la vita del metano si evolve in forme complesse che difficilmente possiamo immaginare. Forse alcuni di loro sono persino un po 'come mostri marini.
Riferimenti e ulteriori letture:
N. Atkinson (2010) Alien Life on Titan? Aspetta solo un minuto, Space Magazine.
N. Atkinson (2010) La vita su Titano potrebbe essere puzzolente ed esplosiva, Space Magazine.
M. L. Cable, S. M. Horst, R. Hodyss, P. Beauchamp, M. A. Smith, P. Willis, (2012) Titan tholins: Simulazione della chimica organica del Titano nell'era Cassini-Huygens, Recensioni chimiche, 112: 1882-1909.
E. Howell (2014) I maestosi laghi a specchio di Titano verranno esaminati da Cassini questa settimana, Space Magazine.
J. Major (2013) Il Polo Nord di Titano è carico di laghi, Space Magazine.
C. P. McKay, H. D. Smith, (2005) Possibilità di vita metanogenica in metano liquido sulla superficie di Titano, Icaro 178: 274-276.
J. Stevenson, J. Lunine, P. Clancy, (2015) Alternative a membrana in mondi senza ossigeno: Creazione di un azotomo, Science Advances 1 (1): e1400067.
S. Oleson (2014) Sottomarino Titan: Exploring the depth of Kraken, NASA Glenn Research Center, Press release.
Cassini Solstice Mission, NASA Jet Propulsion Laboratory
La NASA e l'ESA festeggiano 10 anni dall'atterraggio di Titano, NASA 2015
