Mungkinkah ada kehidupan di bulan besar Saturnus, Titan? Mengajukan pertanyaan memaksa para ahli astrobiologi dan kimiawan untuk berpikir secara hati-hati dan kreatif tentang kimia kehidupan, dan bagaimana hal itu mungkin berbeda di dunia lain daripada di Bumi. Pada bulan Februari, sebuah tim peneliti dari Cornell University, termasuk mahasiswa pascasarjana teknik kimia James Stevenson, ilmuwan planet Jonathan Lunine, dan insinyur kimia Paulette Clancy, menerbitkan sebuah studi perintis dengan alasan bahwa membran sel dapat terbentuk di bawah kondisi kimia eksotis yang ada di bulan yang luar biasa ini. .
Dalam banyak hal, Titan adalah kembaran Bumi. Ini bulan terbesar kedua di tata surya dan lebih besar dari planet Merkurius. Seperti halnya Bumi, ia memiliki atmosfer yang substansial, dengan tekanan atmosfer permukaan sedikit lebih tinggi daripada Bumi. Selain Bumi, Titan adalah satu-satunya objek di tata surya kita yang diketahui memiliki akumulasi cairan di permukaannya. Penyelidikan luar angkasa Cassini NASA menemukan banyak danau dan bahkan sungai di daerah kutub Titan. Danau terbesar, atau laut, yang disebut Kraken Mare, lebih besar dari Laut Kaspia di Bumi. Para peneliti mengetahui dari pengamatan pesawat ruang angkasa dan eksperimen laboratorium bahwa atmosfer Titan kaya akan molekul organik kompleks, yang merupakan blok bangunan kehidupan.
Semua fitur ini mungkin membuatnya tampak seolah-olah Titan sangat cocok untuk kehidupan. Nama 'Kraken', yang merujuk pada monster laut yang legendaris, dengan anggun mencerminkan harapan yang sangat besar dari para astrobiologis. Tapi, Titan adalah kembar alien Bumi. Menjadi hampir sepuluh kali lebih jauh dari matahari daripada Bumi, suhu permukaannya -180 derajat Celcius. Air cair sangat penting bagi kehidupan seperti yang kita kenal, tetapi di permukaan Titan semua air beku. Es air mengambil peran yang dilakukan oleh batu yang mengandung silikon di Bumi, membentuk lapisan luar kerak bumi.
Cairan yang mengisi danau dan sungai Titan bukanlah air, tetapi metana cair, mungkin dicampur dengan zat lain seperti etana cair, yang semuanya adalah gas di Bumi. Jika ada kehidupan di lautan Titan, itu bukan kehidupan seperti yang kita kenal. Itu harus menjadi bentuk kehidupan yang asing, dengan molekul organik dilarutkan dalam metana cair, bukan air cair. Apakah hal seperti itu bahkan mungkin?
Tim Cornell mengambil satu bagian kunci dari pertanyaan yang menantang ini dengan menyelidiki apakah membran sel dapat ada dalam metana cair. Setiap sel hidup, pada dasarnya, merupakan jaringan reaksi kimia yang dapat bertahan sendiri, terkandung dalam membran pembatas. Para ilmuwan berpikir bahwa membran sel muncul sangat awal dalam sejarah kehidupan di Bumi, dan pembentukannya bahkan mungkin merupakan langkah pertama dalam asal usul kehidupan.
Di sini di Bumi, selaput sel dikenal sebagai kelas biologi sekolah menengah. Mereka terbuat dari molekul besar yang disebut fosfolipid. Setiap molekul fosfolipid memiliki 'kepala' dan 'ekor'. Kepala mengandung gugus fosfat, dengan atom fosfor dihubungkan dengan beberapa atom oksigen. Ekor terdiri dari satu atau lebih untaian atom karbon, panjangnya biasanya 15 hingga 20 atom, dengan atom hidrogen saling terhubung di setiap sisinya. Kepala, karena muatan negatif dari gugus fosfatnya, memiliki distribusi muatan listrik yang tidak merata, dan kami mengatakan bahwa itu adalah kutub. Ekor, di sisi lain, elektrik netral.
Sifat-sifat listrik ini menentukan bagaimana molekul fosfolipid akan berperilaku ketika mereka dilarutkan dalam air. Secara elektrik, air adalah molekul polar. Elektron dalam molekul air lebih kuat tertarik pada atom oksigennya dibandingkan dengan dua atom hidrogennya. Jadi, sisi molekul tempat kedua atom hidrogen memiliki muatan positif sedikit, dan sisi oksigen memiliki muatan negatif kecil. Sifat-sifat polar air ini menyebabkannya menarik kepala polar dari molekul fosfolipid, yang dikatakan hidrofilik, dan mengusir ekor nonpolarnya, yang dikatakan hidrofobik.
Ketika molekul fosfolipid dilarutkan dalam air, sifat listrik dari dua zat tersebut bekerja bersama untuk menyebabkan molekul fosfolipid terorganisir menjadi membran. Selaput menutup ke dirinya sendiri menjadi bola kecil yang disebut liposom. Molekul fosfolipid membentuk dua molekul yang lebih tebal. Kepala hidrofilik kutub menghadap ke luar menuju air di permukaan bagian dalam dan luar membran. Ekor hidrofobik terjepit di antara, saling berhadapan. Sementara molekul fosfolipid tetap melekat di lapisannya, dengan kepala mereka menghadap keluar dan ekor mereka menghadap ke dalam, mereka masih bisa bergerak dengan memperhatikan satu sama lain, memberikan membran fleksibilitas cairan yang dibutuhkan untuk kehidupan.
Membran bilayer fosfolipid adalah dasar dari semua membran sel terestrial. Bahkan dengan sendirinya, liposom dapat tumbuh, berkembang biak dan membantu reaksi kimia tertentu yang penting bagi kehidupan, itulah sebabnya beberapa ahli biokimia berpikir bahwa pembentukan liposom mungkin merupakan langkah pertama menuju kehidupan. Bagaimanapun, pembentukan membran sel pastilah merupakan langkah awal dalam kemunculan kehidupan di Bumi.
Jika beberapa bentuk kehidupan ada di Titan, apakah monster laut atau (lebih mungkin) mikroba, hampir pasti perlu memiliki membran sel, seperti halnya setiap makhluk hidup di Bumi. Bisakah membran bilayer fosfolipid terbentuk dalam metana cair di Titan? Jawabannya adalah tidak. Tidak seperti air, molekul metana memiliki distribusi muatan listrik yang merata. Itu tidak memiliki kualitas kutub air, sehingga tidak bisa menarik kepala molekul fosfolipid. Daya tarik ini diperlukan untuk fosfolipid untuk membentuk membran sel gaya Bumi.
Eksperimen telah dilakukan di mana fosfolipid dilarutkan dalam cairan non-polar pada suhu ruang Bumi. Dalam kondisi ini, fosfolipid membentuk membran dua lapisan 'luar-dalam'. Kepala kutub molekul fosfolipid berada di tengah, tertarik satu sama lain oleh muatan listriknya. Ekor non-polar menghadap ke luar di setiap sisi membran dalam-keluar, menghadap pelarut non-polar.
Mungkinkah kehidupan Titanian memiliki membran fosfolipid dalam-dalam? Tim Cornell menyimpulkan bahwa ini tidak akan berhasil, karena dua alasan. Yang pertama adalah bahwa pada suhu kriogenik metana cair, ekor fosfolipid menjadi kaku, menghilangkan membran dalam-luar yang mungkin membentuk fleksibilitas cairan yang diperlukan untuk kehidupan. Yang kedua adalah bahwa dua bahan utama fosfolipid; fosfor dan oksigen, mungkin tidak tersedia di danau metana Titan. Dalam pencarian mereka untuk selaput sel Titanian, tim Cornell perlu menyelidiki di luar bidang biologi sekolah menengah yang akrab.
Meskipun tidak terdiri dari fosfolipid, para ilmuwan beralasan bahwa setiap membran sel Titanian akan tetap seperti membran fosfolipid luar-dalam yang dibuat di laboratorium. Ini akan terdiri dari molekul polar yang menempel bersama secara elektrik dalam larutan metana cair non-polar. Molekul apa itu? Sebagai jawaban, para peneliti mencari data dari pesawat ruang angkasa Cassini dan dari percobaan laboratorium yang mereproduksi kimia atmosfer Titan.
Atmosfer Titan dikenal memiliki chemistry yang sangat kompleks. Itu sebagian besar terbuat dari nitrogen dan gas metana. Ketika pesawat ruang angkasa Cassini menganalisis komposisinya menggunakan spektroskopi, ia menemukan jejak berbagai senyawa karbon, nitrogen, dan hidrogen, yang disebut nitril dan amina. Para peneliti telah mensimulasikan kimia atmosfer Titan di laboratorium dengan mengekspos campuran nitrogen dan metana ke sumber energi yang mensimulasikan sinar matahari di Titan. Rebusan molekul organik yang disebut 'tholins' terbentuk. Ini terdiri dari senyawa hidrogen dan karbon, yang disebut hidrokarbon, serta nitril dan amina.
Peneliti Cornell melihat nitril dan amina sebagai kandidat potensial untuk membran sel Titanian mereka. Keduanya adalah molekul polar yang mungkin menempel bersama untuk membentuk membran dalam metana cair non-polar karena polaritas gugus yang mengandung nitrogen yang ditemukan di keduanya. Mereka beralasan bahwa molekul calon harus jauh lebih kecil dari fosfolipid, sehingga mereka dapat membentuk membran cairan pada suhu metana cair. Mereka menganggap nitril dan amina yang mengandung string antara tiga dan enam atom karbon. Kelompok yang mengandung nitrogen disebut 'azoto' - grup, sehingga tim menamai mitra hipotetis Titanian mereka dengan liposom 'azotosome'.
Sintesis azotosom untuk studi eksperimental akan menjadi sulit dan mahal, karena percobaan perlu dilakukan pada suhu cryogenic metana cair. Tetapi karena molekul kandidat telah dipelajari secara luas karena alasan lain, para peneliti Cornell merasa dibenarkan dalam beralih ke alat kimia komputasi untuk menentukan apakah molekul kandidat mereka dapat menyatu sebagai membran fleksibel dalam metana cair. Model komputasi telah berhasil digunakan untuk mempelajari membran sel fosfolipid konvensional.
Simulasi perhitungan kelompok menunjukkan bahwa beberapa zat kandidat dapat dikesampingkan karena mereka tidak akan menyatu sebagai membran, akan terlalu kaku, atau akan membentuk padatan. Namun demikian, simulasi juga menunjukkan bahwa sejumlah zat akan membentuk membran dengan sifat yang sesuai. Satu zat yang cocok adalah akrilonitril, yang diperlihatkan Cassini hadir di atmosfer Titan pada 10 bagian per juta konsentrasi. Meskipun ada perbedaan besar dalam suhu antara azotozom kriogenik dan liposom suhu kamar, simulasi menunjukkan mereka untuk menunjukkan sifat stabilitas yang sangat mirip dan respons terhadap tekanan mekanik. Membran sel, kemudian, adalah mungkin untuk hidup dalam metana cair.
Para ilmuwan dari Cornell memandang temuan mereka sebagai tidak lebih dari langkah pertama menuju menunjukkan bahwa kehidupan dalam metana cair adalah mungkin, dan menuju pengembangan metode yang diperlukan pesawat ruang angkasa untuk mencarinya di Titan. Jika kehidupan dimungkinkan dalam metana cair, implikasinya akhirnya jauh melampaui Titan.
Ketika mencari kondisi yang cocok untuk kehidupan di galaksi, para astronom biasanya mencari exoplanet dalam zona layak huni bintang, yang didefinisikan sebagai kisaran jarak yang sempit di mana sebuah planet dengan atmosfer mirip Bumi akan memiliki suhu permukaan yang sesuai untuk air cair. Jika kehidupan metana dimungkinkan, maka bintang-bintang juga akan memiliki zona layak huni metana, wilayah di mana metana bisa ada sebagai cairan di planet atau bulan, memungkinkan kehidupan metana. Jumlah dunia layak huni di galaksi akan sangat meningkat. Mungkin, di beberapa dunia, kehidupan metana berevolusi menjadi bentuk kompleks yang hampir tidak dapat kita bayangkan. Mungkin beberapa dari mereka bahkan sedikit seperti monster laut.
Referensi dan Bacaan Lebih Lanjut:
N. Atkinson (2010) Alien Life on Titan? Tunggu sebentar, Space Magazine.
N. Atkinson (2010) Life on Titan Could Smelly and Explosive, Space Magazine.
M. L. Cable, S. M. Horst, R. Hodyss, P. Beauchamp, M. A. Smith, P. Willis, (2012) Titan tholins: Simulasi kimia organik Titan di era Cassini-Huygens, Chemical Reviews, 112: 1882-1909.
E. Howell (2014) Danau Majestic Mirror-Like Titan Akan Datang Di Bawah Pengawasan Cassini Minggu Ini, Space Magazine.
J. Major (2013) Kutub Utara Titan Penuh dengan Lakes, Space Magazine.
C. P. McKay, H. D. Smith, (2005) Kemungkinan untuk kehidupan metanogenik dalam metana cair di permukaan Titan, Icarus 178: 274-276.
J. Stevenson, J. Lunine, P. Clancy, (2015) Membran alternatif di dunia tanpa oksigen: Pembuatan azotosome, Science Advance 1 (1): e1400067.
S. Oleson (2014) Kapal selam Titan: Menjelajahi kedalaman Kraken, Pusat Penelitian NASA Glenn, siaran pers.
Cassini Solstice Mission, NASA Jet Propulsion Laboratory
NASA dan ESA merayakan 10 tahun sejak pendaratan Titan, NASA 2015
