Astrobiologer är fokuserade på att lösa två centrala frågor för att förstå livets miljömässiga och kemiska gränser. Genom att förstå livets gränser, de avser att identifiera möjliga biosignaturer i exoplanetatmosfärer och i solsystemet. Till exempel, lipiddubbelskiktsmembranet är en central förutsättning för liv som vi känner på jorden. Tidigare studier baserade på simuleringar av molekylär dynamik har föreslagit att polaritetsinverterade membran, kända som azotosomer gjorda av små kvävehaltiga molekyler, kan vara kinetiskt rikliga på kryogena vätskevärldar som Saturnus måne Titan.

I en ny rapport om Vetenskapens framsteg , H. Sandström och M. Rahm vid institutionen för kemi och kemiteknik vid Chalmers tekniska högskola, Sverige, bildade ett nästa potentiella steg för att undersöka den termodynamiska livskraften för azotosombildning. Med hjälp av kvantmekaniska beräkningar, de förutspådde att azotosomer är oförmögna att självmontera i flytande vatten till skillnad från lipidbilager. De föreslår att på grund av stränga vattenfria och låga temperaturförhållanden, cellmembran kan vara onödiga för hypotetisk astrobiologi på Titan. Dessa ansträngningar för prediktiv beräkningsastrobiologi kommer att vara av betydelse för Dragonfly-uppdragets planerade landfall på Titan 2034.

Saturnus måne Titan har en rik atmosfärisk kemi och en dynamisk ytmorfologi som drivs av säsongsbetonad nederbörd, främst av metan- och etancykler. Forskare har observerat kolvätesjöar och hav nära Titans polarområden för att göra jämförelser med jordens hydrologiska cykel i förhållande till livets ursprung. Ytförhållandena för Titan är, dock, ett kallt 90 till 94 K och i motsats till jorden, Titans yttersta yta är fri från syre och täckt av produkter från dess atmosfäriska fotokemi. Forskare misstänker också närvaron av en frusen vattenisskorpa under det yttersta organiska lagret. Som det strängaste testet för livets gränser, Titan erbjuder en unik miljö för att utforska naturens kemiska komplexitet och dess utveckling utan flytande vatten vid låga temperaturer vid tidsskalor som närmar sig solsystemets ålder.

Bristen på termisk energi (kT =0,75 kJ/mol vid 90 K) är en flaskhals för kemisk reaktivitet på Titan, dock, solljus är en energikälla (0,4 W/m ² ) tillgänglig för att kemi ska uppstå. I det här arbetet, Sandström och Rahm tog upp sannolikheten för bildning av abiotisk cellmembran, en av förutsättningarna för livets uppkomst på världar som Titan. Forskare hade också diskuterat idén om kompartmentalisering som central för livet för att föreslå den fascinerande möjligheten av azotosomer på Titan.

Azotosomer är membran gjorda av små molekyler med en kvävehuvudgrupp och kolvätesvansgrupp. De hydrofoba grupperna (vattenhatande grupperna) förblir på utsidan av azotosommembranen (omvänd polaritet) jämfört med normala lipidmembran i vatten - där hydrofoba grupper vanligtvis finns kvar på insidan. Använda molekylär dynamiklösning i kryogen metan, forskarlag förutspådde att om strukturerna var gjorda av akrylnitril (C ₂ H ₃ CN) de skulle ha liknande elasticitet som ett normalt lipiddubbelskikt i vattenlösning. Möjligheten av azotosomer väckte ytterligare diskussioner om livets gränser. Två år efter den ursprungliga förutsägelsen, forskare upptäckte imponerande akrylnitril på Titan med Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA).

Eftersom abiotiska och biologiska normala membran och miceller bildas via spontana självmonteringsprocesser drivna av gynnsam termodynamik. Forskarna undersökte om det föreslagna azotosommembranet förblev lika livskraftigt som termodynamiska grunder. För detta, Sandström et al. presenterade uppskattningar av den kinetiska persistensen av azotosomer med hjälp av kvantkemiska beräkningar och tog sedan upp deras associationer för hypotetisk exobiologi under strikta termodynamiska förhållanden på Titan.

I "lipidvärlden" eller "celler-först"-hypotesen, abiotisk bildning av membran bidrog till uppkomsten av liv; där lipider i vatten spontant självmonteras för att bilda supramolekylära strukturer som membran och miceller, över en kritisk koncentration. Under självmontering av azotosomer på Titan, de tänkta strukturerna kommer att behöva vara kinetiskt beständiga och termodynamiskt lägre i energi än motsvarande molekylära kristall (molekylär is). Forskargruppen använde kristallin molekylär is som en utmanare för självmontering av akrylonitril.

Sandström et al. tillämpad kvantmekanik i form av dispersion corrected density functional theory (DFT) för att beräkna energin för de fyra faserna av akrylnitril-is som motsvarar experimentella diffraktionsdata. DFT-beräkningarna bekräftade frånvaron av imaginära fononlägen, för att säkerställa dynamisk stabilitet hos strukturen, vilket de dessutom bekräftade med hjälp av DFT-baserade kvantmolekylära dynamiksimuleringar i flytande metan vid 90 K. Beräkningarna tog hänsyn till termiska och entropiska händelser på Titan ytrelevanta förhållanden samtidigt som man beaktade dispersionsinteraktionen med den omgivande metanmiljön.

Problemet med termodynamiken för livets ursprung är inte unikt för Titan; Gibbs energibehov för makromolekylär bildning reduceras på ytor där ytliv utgör ett möjligt första steg i livets evolution på jorden. Forskarna begränsade sina beräkningar till att endast bedöma akrylonitrilbaserad azotosom och deras självmontering under relevanta förhållanden på Titan, och visade sin tillräckliga kinetiska stabilitet för långtidsbeständighet vid 90 K. Hypotetiska membranstrukturer gjorda av större molekyler var avsevärt mindre kinetiskt stabila.

The results did not conclusively outline a possible route of self-assembly for cryogenic operable membranes, Sandström et al. did not rule out the existence and relevance of other polarity-inverted membranes built from far more strongly interacting constituents within warmer hydrocarbon environments. In the absence of azotosomes or other cell membranes, it is unlikely for life-governing processes to occur under cryogenic conditions, although life on cold hydrocarbon worlds such as Titan would not necessarily require cell membranes either. The scientists further indicate that any hypothetical life-bearing macromolecule or crucial machinery of a life form on Titan will only exist in the solid state and never risk destruction by dissolution.

The question remains if these biomolecules would benefit from a cell membrane. Due to low temperature conditions on Titan, biological macromolecules may rely on the diffusion of small energetic molecules such as hydrogen, acetylene or hydrogen cyanide for growth and replication. A membrane could hinder such benefits of diffusion. Liknande, a membrane can hinder the removal of waste products of metabolism including methane and nitrogen. Omvänt, it is also possible for a hypothetical cell membrane to protect against harmful chemicals on Titan. Dock, the narrower energetic range calculated for thermally driven reaction pathways on Titan indicate that only fewer options may damage macromolecules on Titan compared to Earth.

In this way, azotosomes proposed to allow cryogenically operable membranes in liquid methane, pose an intriguing challenge to the principal understanding of biology. The molecule has highlighted the importance of following up properties of predicted molecules in computational astrobiology, to identify their plausible formation routes whenever possible. It is still exceedingly difficult to arrive at specific predictions of chemistry to support biological processes that occur under stringent, thermodynamic environmental constraints on worlds such as Titan. As the molecule of interest grows in complexity, the challenge to reliably model their properties and routes of formation (kinetics and thermodynamics) can become exceedingly difficult.

H. Sandström and M. Rahm calculated that azotosome membranes may be kinetically persistent, although the structure may not be thermodynamically feasible—preventing their self-assembly (unlike lipid bilayers in liquid water). They argue that cell membranes are unlikely to form on Titan's anhydrous and low-temperature environments. While it is possible to experimentally test computational predictions on the existence or nonexistence of azotosome membranes, speculations on the factual environmental limits of prebiotic chemistry and biology remain speculations. The research team suggest careful computational exploration of proposed prebiotic and biological structures and processes, and their plausibility to guide future in situ sampling of the surface chemistry of Titan.

© 2020 Science X Network