土星の大きな月のタイタンに生命はありますか？質問をすることで、宇宙生物学者や化学者は生命の化学について、そしてそれが地球上とは他の世界でどのように異なるのかについて、慎重かつ創造的に考える必要があります。 2月に、コーネル大学の研究者チーム（化学工学の大学院生であるJames Stevenson、惑星科学者のJonathan Lunine、化学エンジニアのPaulette Clancyを含む）は、この注目すべき月に存在するエキゾチックな化学的条件下で細胞膜が形成される可能性があると主張する先駆的な研究を発表しました。
多くの点で、タイタンは地球の双子です。太陽系で2番目に大きい月で、惑星水星よりも大きいです。地球と同じように、地表の気圧は地球よりも少し高く、かなりの大気があります。地球に加えて、タイタンはその表面に液体の蓄積があることが知られている私たちの太陽系の唯一の物体です。 NASAのカッシーニ宇宙探査機は、タイタンの極地に豊富な湖や川さえ発見しました。クラーケンマーレと呼ばれる最大の湖または海は、地球のカスピ海よりも大きいです。研究者は、宇宙船の観測と実験室の実験の両方から、タイタンの大気は生命のビルディングブロックである複雑な有機分子が豊富であることを知っています。
これらすべての機能により、Titanは食欲をそそる生活に適しているように見えるかもしれません。伝説の海の怪物を指す「クラーケン」という名前は、宇宙生物学者の熱心な希望を巧みに反映しています。しかし、タイタンは地球のエイリアンツインです。地球よりも太陽から約10倍離れているため、その表面温度は-180度という極寒です。液体の水は私たちが知っているように生命にとって不可欠ですが、タイタンの表面ではすべての水は凍った固体です。水の氷は、シリコンを含む岩石が地球上で果たす役割を果たし、地殻の外層を構成します。
タイタンの湖や川を満たす液体は水ではありませんが、液体メタンはおそらく液体エタンのような他の物質と混合されており、それらはすべて地球上の気体です。タイタンの海に生命があるとしたら、それは私たちが知っている生命ではありません。それは、有機分子が液体の水の代わりに液体のメタンに溶けている、異星の生命体でなければなりません。そのようなことは可能ですか？
Cornellチームは、細胞膜が液体メタン中に存在できるかどうかを調査することにより、この困難な質問の1つの重要な部分を取り上げました。すべての生きている細胞は、本質的に、境界膜内に含まれる化学反応の自立ネットワークです。科学者たちは、細胞膜は地球上の生命の歴史のごく初期に出現し、それらの形成が生命の起源の最初のステップであったかもしれないと考えています。
ここ地球上では、細胞膜は高校の生物学のクラスと同じくらいよく知られています。それらはリン脂質と呼ばれる大きな分子でできています。各リン脂質分子には「頭」と「尾」があります。頭部にはリン酸基が含まれており、リン原子がいくつかの酸素原子にリンクしています。尾部は、炭素原子の1つ以上の文字列で構成され、通常は15〜20原子の長さで、各側に水素原子が結合しています。頭部は、そのリン酸基の負の電荷により、電荷の分布が等しくなく、極性があると言えます。一方、テールは電気的に中性です。
これらの電気的特性は、リン脂質分子が水に溶解したときの挙動を決定します。電気的に言えば、水は極性分子です。水分子内の電子は、2つの水素原子よりも酸素原子に強く引き付けられます。したがって、2つの水素原子が存在する分子の側面はわずかに正の電荷を持ち、酸素の側面は小さな負の電荷を持ちます。水のこれらの極性特性により、親水性と言われているリン脂質分子の極性頭部を引き付け、疎水性と言われている非極性の尾をはじきます。
リン脂質分子が水に溶解すると、2つの物質の電気的特性が連携して、リン脂質分子が膜に組織化されます。膜は、リポソームと呼ばれる小さな球に閉じ込められます。リン脂質分子は2分子の厚さの二重層を形成します。極性の親水性ヘッドは、膜の内面と外面の両方で水に向かって外側に面しています。疎水性の尾は、互いに向かい合って挟まれています。リン脂質分子は、頭が外側を向き、尾が内側を向いた状態で層に固定されたままですが、相互に動き回ることができるため、膜に生命に必要な流体の柔軟性を与えます。
リン脂質二重層膜は、すべての陸上細胞膜の基礎です。それ自体でさえ、リポソームは成長し、再生し、生命にとって重要な特定の化学反応を助けることができます。そのため、一部の生化学者は、リポソームの形成が生命への第一歩であったと考えています。とにかく、細胞膜の形成は、地球上での生命の出現の初期段階であったに違いありません。
タイタンに海の怪物であろうと（おそらく）微生物であろうと、何らかの生命体が存在する場合、地球上のすべての生物と同じように、ほぼ確実に細胞膜が必要です。リン脂質二分子膜はタイタンの液体メタンで形成できますか？答えはノーだ。水とは異なり、メタン分子は電荷の分布が均一です。水の極性が欠けているため、リン脂質分子の極性ヘッドを引き付けることができませんでした。この引力は、リン脂質が地球型の細胞膜を形成するために必要です。
地球の室温でリン脂質を非極性液体に溶解する実験が行われました。これらの条件下で、リン脂質は「裏返し」の2層膜を形成します。リン脂質分子の極性頭部は中央にあり、それらの電荷によって互いに引き付けられます。非極性の尾部は、裏返しのメンブレンの両側で外側を向き、非極性溶媒に面しています。
チタニアンライフには裏返しのリン脂質膜があるのでしょうか？コーネルチームは、2つの理由から、これは機能しないと結論付けました。 1つ目は、液体メタンの極低温でリン脂質の尾が硬くなり、生命に必要な流体の柔軟性を形成する可能性のある裏返しの膜を奪うことです。 2つ目は、リン脂質の2つの主要成分です。リンと酸素は、おそらくタイタンのメタン湖では利用できません。コーネルのチームは、タイタニアの細胞膜を探すために、おなじみの高校の生物学の領域を超えて調査する必要がありました。
科学者たちはリン脂質で構成されていませんが、研究室で作成された裏返しのリン脂質膜のようにチタニアの細胞膜が存在するだろうと推論しました。それは、非極性液体メタンの溶液中で電気的に一緒に付着している極性分子で構成されます。それらはどのような分子でしょうか？回答のために、研究者たちはカッシーニ宇宙船からのデータとタイタンの大気の化学を再現する実験室実験からのデータを調べました。
タイタンの大気は非常に複雑な化学を持っていることが知られています。それは主に窒素とメタンガスで作られています。カッシーニ宇宙船が分光法を使用してその組成を分析したとき、ニトリルおよびアミンと呼ばれる炭素、窒素、および水素のさまざまな化合物の痕跡を発見しました。研究者は、研究室でタイタンの大気の化学をシミュレートしました。窒素とメタンの混合物をタイタンの太陽光をシミュレートするエネルギー源にさらすことです。 「トリン」と呼ばれる有機分子のシチューが形成されます。炭化水素と呼ばれる水素と炭素の化合物、およびニトリルとアミンで構成されています。
Cornellの調査官は、ニトリルとアミンをTitanian細胞膜の潜在的な候補として見ました。どちらも極性分子であり、両方に含まれる窒素含有基の極性により、非極性液体メタン中で互いに付着して膜を形成する可能性があります。彼らは、候補分子がリン脂質よりもはるかに小さくなければならないため、液体メタン温度で流体膜を形成できると推論した。彼らは、3〜6個の炭素原子のストリングを含むニトリルおよびアミンを検討しました。窒素含有グループは「アゾト」グループと呼ばれるため、チームはリポソームに対応する架空のチタニアの対応物を「アゾトソーム」と名付けました。
実験は液体メタンの極低温で行う必要があるため、実験研究のためにアゾトソームを合成することは困難で費用がかかります。しかし、候補分子は他の理由で広範囲に研究されてきたので、コーネルの研究者たちは、計算化学のツールに目を向け、候補分子が液体メタンの柔軟な膜として凝集できるかどうかを判断することは正当であると感じました。計算モデルは、従来のリン脂質細胞膜を研究するために首尾よく使用されてきました。
グループの計算シミュレーションにより、いくつかの候補物質は、膜として凝集しないか、剛性が高すぎるか、または固体を形成するために除外できることが示されました。それにもかかわらず、シミュレーションは、多くの物質が適切な特性を持つ膜を形成することも示しました。 1つの適切な物質はアクリロニトリルで、カッシーニがタイタンの大気中に100万分の10の濃度で存在することを示しました。極低温アゾトゾームと室温リポソームとの間の温度の大きな違いにもかかわらず、シミュレーションは、それらが安定性と機械的ストレスに対する応答の驚くほど類似した特性を示すことを示しました。したがって、細胞膜は液体メタンの中で生きることができます。
コーネルの科学者たちは、発見を液体メタンでの生命が可能であることを示すための、そして将来の宇宙船がタイタンでそれを探すために必要とする方法を開発するための第一歩に過ぎないと考えています。液体メタンで生命が可能である場合、その影響は最終的にタイタンをはるかに超えて広がります。
銀河系での生活に適した条件を求める場合、天文学者は通常、星の居住可能ゾーン内で太陽系外惑星を検索します。これは、地球のような雰囲気の惑星が液体の水に適した表面温度をもつ距離の狭い範囲として定義されます。メタンの生命が可能であれば、星にもメタンの居住可能ゾーンがあります。これは、メタンが液体として惑星や月に存在し、メタンの生命を可能にする可能性がある領域です。銀河の居住可能な世界の数は大幅に増加します。おそらく、いくつかの世界では、メタンの生命は私たちが想像することのできない複雑な形に進化します。多分それらのいくつかは海の怪物に少しでも似ています。
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NASAジェット推進研究所、カッシーニソルスティスミッション
NASAとESAがタイタンの着陸から10年を祝う、NASA 2015
