Astrobiologen zijn gericht op het oplossen van twee centrale vragen om de ecologische en chemische grenzen van het leven te begrijpen. Door de grenzen van het leven te begrijpen, ze zijn van plan mogelijke biosignaturen in exoplaneetatmosferen en in het zonnestelsel te identificeren. Bijvoorbeeld, het lipide dubbellaags membraan is een centrale voorwaarde voor het leven zoals we dat op aarde kennen. Eerdere studies op basis van simulaties van moleculaire dynamica hebben gesuggereerd dat membranen met omgekeerde polariteit, bekend als azotosomen gemaakt van kleine stikstofbevattende moleculen, kinetisch overvloedig aanwezig kunnen zijn op cryogene vloeibare werelden zoals Saturnusmaan Titan.

In een nieuw verslag over wetenschappelijke vooruitgang , H. Sandström en M. Rahm bij de afdeling Scheikunde en Chemische Technologie aan de Chalmers University of Technology, Zweden, vormde een volgende potentiële stap om de thermodynamische levensvatbaarheid van azotosoomvorming te onderzoeken. Met behulp van kwantummechanische berekeningen, ze voorspelden dat azotosomen niet in staat zijn zichzelf te assembleren in vloeibaar water, in tegenstelling tot lipidedubbellagen. Ze stellen voor dat als gevolg van strikte watervrije en lage temperatuuromstandigheden, celmembranen misschien niet nodig voor hypothetische astrobiologie op Titan. Deze inspanningen op het gebied van voorspellende computationele astrobiologie zullen van belang zijn voor de geplande landing van de Dragonfly-missie op Titan in 2034.

Saturnusmaan Titan heeft een rijke atmosferische chemie en een dynamische oppervlaktemorfologie die wordt aangedreven door seizoensgebonden regenval die voornamelijk bestaat uit methaan- en ethaancycli. Wetenschappers hebben koolwaterstofmeren en zeeën nabij de poolgebieden van Titan waargenomen om vergelijkingen te maken met de hydrologische cyclus van de aarde ten opzichte van de oorsprong van het leven. De oppervlaktecondities van Titan zijn, echter, een ijskoude 90 tot 94 K en in tegenstelling tot de aarde, Het buitenste oppervlak van Titan is vrij van zuurstof en bedekt met producten van zijn atmosferische fotochemie. Onderzoekers vermoeden ook de aanwezigheid van een bevroren waterijskorst onder de buitenste organische laag. Als de strengste test voor de grenzen van het leven, Titan biedt een unieke omgeving om de chemische complexiteit van de natuur en de voortgang ervan te verkennen zonder vloeibaar water bij lage temperaturen op tijdschalen die de leeftijd van het zonnestelsel naderen.

Het gebrek aan thermische energie (kT =0,75 kJ/mol bij 90 K) is een knelpunt voor chemische reactiviteit op Titan, echter, zonlicht is een energiebron (0,4 W/m ² ) beschikbaar om chemie te laten plaatsvinden. In dit werk, Sandström en Rahm gingen in op de waarschijnlijkheid van abiotische celmembraanvorming, een van de voorwaarden voor het ontstaan ​​van leven op werelden zoals Titan. Onderzoekers hadden ook het idee van compartimentering als centraal in het leven besproken om de fascinerende mogelijkheid van azotosomen op Titan te suggereren.

Azotosomen zijn membranen gemaakt van kleine moleculen met een stikstofkopgroep en een koolwaterstofstaartgroep. De hydrofobe groepen (water-hatende groepen) blijven aan de buitenkant van azotosoommembranen (omgekeerde polariteit) in vergelijking met normale lipidemembranen in water, waar hydrofobe groepen typisch aan de binnenkant blijven. Met behulp van moleculaire dynamica-oplossing in cryogeen methaan, onderzoeksteams voorspelden dat als de structuren van acrylonitril (C ₂ H ₃ CN) zouden ze een vergelijkbare elasticiteit hebben als een normale lipidedubbellaag in een waterige oplossing. De mogelijkheid van azotosomen wakkerde discussies over de grenzen van het leven verder aan. Twee jaar na de oorspronkelijke voorspelling, wetenschappers hebben op indrukwekkende wijze acrylonitril op Titan gedetecteerd met behulp van de Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA).

Omdat abiotische en biologische normale membranen en micellen worden gevormd via spontane zelfassemblageprocessen die worden aangedreven door gunstige thermodynamica. De wetenschappers onderzochten of het voorgestelde azotosoommembraan ook op dezelfde manier levensvatbaar bleef als thermodynamische gronden. Voor deze, Sandström et al. presenteerde schattingen van de kinetische persistentie van azotosomen met behulp van kwantumchemische berekeningen en behandelde vervolgens hun associaties voor hypothetische exobiologie onder strikte thermodynamische omstandigheden op Titan.

In de "lipid world" of "cells-first" hypothese, abiotische vorming van membranen droeg bij aan het ontstaan ​​van leven; waar lipiden in water spontaan zelf-geassembleerd om supramoleculaire structuren zoals membranen en micellen te vormen, boven een kritische concentratie. Tijdens zelfassemblage van azotosomen op Titan, de beoogde structuren zullen kinetisch persistent en thermodynamisch lager in energie moeten zijn dan het overeenkomstige moleculaire kristal (moleculair ijs). Het onderzoeksteam gebruikte kristallijn moleculair ijs als kanshebber voor zelfassemblage van acrylonitril.

Sandström et al. toegepaste kwantummechanica in de vorm van dispersie-gecorrigeerde dichtheidsfunctionaaltheorie (DFT) om de energie van de vier fasen van acrylonitril-ijs te berekenen die overeenkomen met experimentele diffractiegegevens. De DFT-berekeningen bevestigden de afwezigheid van denkbeeldige fononmodi, om de dynamische stabiliteit van de constructie te verzekeren, die ze bovendien bevestigden met behulp van DFT-gebaseerde kwantummoleculaire dynamica-simulaties in vloeibaar methaan bij 90 K. De berekeningen hielden rekening met thermische en entropische gebeurtenissen op Titan-oppervlakrelevante omstandigheden, terwijl ze rekening hielden met de dispersie-interactie met de omringende methaanomgeving.

Het probleem van de thermodynamica voor de oorsprong van het leven is niet uniek voor Titan; de Gibbs-energievereisten voor macromoleculaire vorming zijn verminderd op oppervlakken waar het oppervlakteleven een mogelijke eerste stap vormt in de evolutie van het leven op aarde. De wetenschappers beperkten hun berekeningen om alleen op acrylonitril gebaseerde azotosoom en hun zelfassemblage onder relevante omstandigheden op Titan te beoordelen, en toonden hun voldoende kinetische stabiliteit voor persistentie op lange termijn bij 90 K. Hypothetische membraanstructuren gemaakt van grotere moleculen waren aanzienlijk minder kinetisch stabiel.

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. evenzo, a membrane can hinder the removal of waste products of metabolism including methane and nitrogen. Conversely, it is also possible for a hypothetical cell membrane to protect against harmful chemicals on Titan. Echter, 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 Wetenschap X Netwerk