¿Podría haber vida en la gran luna Titán de Saturno? Hacer la pregunta obliga a los astrobiólogos y químicos a pensar cuidadosa y creativamente acerca de la química de la vida, y cómo podría ser diferente en otros mundos de lo que es en la Tierra. En febrero, un equipo de investigadores de la Universidad de Cornell, incluido el estudiante graduado de ingeniería química James Stevenson, el científico planetario Jonathan Lunine y la ingeniera química Paulette Clancy, publicaron un estudio pionero que argumentaba que las membranas celulares podrían formarse bajo las condiciones químicas exóticas presentes en esta luna notable. .
En muchos sentidos, Titán es el gemelo de la Tierra. Es la segunda luna más grande del sistema solar y más grande que el planeta Mercurio. Al igual que la Tierra, tiene una atmósfera sustancial, con una presión atmosférica superficial un poco más alta que la de la Tierra. Además de la Tierra, Titán es el único objeto en nuestro sistema solar que se sabe que tiene acumulaciones de líquido en su superficie. La sonda espacial Cassini de la NASA descubrió abundantes lagos e incluso ríos en las regiones polares de Titán. El lago o mar más grande, llamado Kraken Mare, es más grande que el Mar Caspio de la Tierra. Los investigadores saben por observaciones de naves espaciales y experimentos de laboratorio que la atmósfera de Titán es rica en moléculas orgánicas complejas, que son los componentes básicos de la vida.
Todas estas características pueden hacer que parezca que Titan es tentador para la vida. El nombre "Kraken", que se refiere a un legendario monstruo marino, refleja fantasiosamente las ansiosas esperanzas de los astrobiólogos. Pero, Titán es el gemelo alienígena de la Tierra. Estando casi diez veces más alejado del sol que la Tierra, su temperatura superficial es de unos -180 grados centígrados. El agua líquida es vital para la vida tal como la conocemos, pero en la superficie de Titán toda el agua está congelada. El hielo de agua asume el papel que desempeña la roca que contiene silicio en la Tierra, formando las capas externas de la corteza.
El líquido que llena los lagos y ríos de Titán no es agua, sino metano líquido, probablemente mezclado con otras sustancias como el etano líquido, todos los cuales son gases aquí en la Tierra. Si hay vida en los mares de Titán, no es la vida tal como la conocemos. Debe ser una forma de vida extraña, con moléculas orgánicas disueltas en metano líquido en lugar de agua líquida. ¿Es posible tal cosa?
El equipo de Cornell asumió una parte clave de esta pregunta desafiante al investigar si las membranas celulares pueden existir en metano líquido. Cada célula viva es, esencialmente, una red autosostenible de reacciones químicas, contenida dentro de las membranas delimitadoras. Los científicos piensan que las membranas celulares surgieron muy temprano en la historia de la vida en la Tierra, y su formación podría incluso haber sido el primer paso en el origen de la vida.
Aquí en la Tierra, las membranas celulares son tan familiares como la clase de biología de la escuela secundaria. Están hechos de moléculas grandes llamadas fosfolípidos. Cada molécula de fosfolípido tiene una "cabeza" y una "cola". La cabeza contiene un grupo fosfato, con un átomo de fósforo unido a varios átomos de oxígeno. La cola consiste en una o más cadenas de átomos de carbono, típicamente de 15 a 20 átomos de largo, con átomos de hidrógeno unidos a cada lado. La cabeza, debido a la carga negativa de su grupo fosfato, tiene una distribución desigual de la carga eléctrica, y decimos que es polar. La cola, por otro lado, es eléctricamente neutral.
Estas propiedades eléctricas determinan cómo se comportarán las moléculas de fosfolípidos cuando se disuelvan en agua. Eléctricamente hablando, el agua es una molécula polar. Los electrones en la molécula de agua son atraídos más fuertemente a su átomo de oxígeno que a sus dos átomos de hidrógeno. Entonces, el lado de la molécula donde están los dos átomos de hidrógeno tiene una ligera carga positiva, y el lado de oxígeno tiene una pequeña carga negativa. Estas propiedades polares del agua hacen que atraiga la cabeza polar de la molécula de fosfolípido, que se dice que es hidrófila, y repele su cola no polar, que se dice que es hidrófoba.
Cuando las moléculas de fosfolípidos se disuelven en agua, las propiedades eléctricas de las dos sustancias trabajan juntas para hacer que las moléculas de fosfolípidos se organicen en una membrana. La membrana se cierra sobre sí misma en una pequeña esfera llamada liposoma. Las moléculas de fosfolípidos forman una bicapa de dos moléculas de espesor. Las cabezas hidrofílicas polares miran hacia afuera, hacia el agua, tanto en la superficie interna como externa de la membrana. Las colas hidrofóbicas se intercalan, una frente a la otra. Si bien las moléculas de fosfolípidos permanecen fijas en su capa, con sus cabezas hacia afuera y sus colas hacia adentro, aún pueden moverse entre sí, dando a la membrana la flexibilidad de fluidos necesaria para la vida.
Las membranas bicapa de fosfolípidos son la base de todas las membranas de células terrestres. Incluso por sí solo, un liposoma puede crecer, reproducirse y ayudar a ciertas reacciones químicas importantes para la vida, por lo que algunos bioquímicos piensan que la formación de liposomas podría haber sido el primer paso hacia la vida. En cualquier caso, la formación de membranas celulares seguramente ha sido un primer paso en el surgimiento de la vida en la Tierra.
Si existe alguna forma de vida en Titán, ya sea un monstruo marino o un microbio (más probable), seguramente necesitaría tener una membrana celular, al igual que todos los seres vivos en la Tierra. ¿Se podrían formar membranas de bicapa de fosfolípidos en metano líquido en Titán? La respuesta es no. A diferencia del agua, la molécula de metano tiene una distribución uniforme de las cargas eléctricas. Carece de las cualidades polares del agua, por lo que no podría atraer las cabezas polares de la molécula de fosfolípidos. Esta atracción es necesaria para que los fosfolípidos formen una membrana celular al estilo de la Tierra.
Se han llevado a cabo experimentos donde los fosfolípidos se disuelven en líquidos no polares a temperatura ambiente terrestre. En estas condiciones, los fosfolípidos forman una membrana de dos capas "de adentro hacia afuera". Las cabezas polares de las moléculas de fosfolípidos están en el centro, atraídas entre sí por sus cargas eléctricas. Las colas no polares miran hacia afuera a cada lado de la membrana de adentro hacia afuera, frente al solvente no polar.
¿Podría la vida titaniana tener una membrana de fosfolípidos de adentro hacia afuera? El equipo de Cornell concluyó que esto no funcionaría, por dos razones. La primera es que a las temperaturas criogénicas del metano líquido, las colas de fosfolípidos se vuelven rígidas, privando a cualquier membrana de adentro hacia afuera que pueda formar la flexibilidad de fluido necesaria para la vida. El segundo es que dos ingredientes clave de los fosfolípidos; El fósforo y el oxígeno probablemente no estén disponibles en los lagos de metano de Titán. En su búsqueda de membranas celulares de Titanian, el equipo de Cornell necesitaba investigar más allá del ámbito familiar de la biología de la escuela secundaria.
Aunque no está compuesto de fosfolípidos, los científicos razonaron que cualquier membrana celular de Titanian sería como las membranas de fosfolípidos de adentro hacia afuera creadas en el laboratorio. Consistiría en moléculas polares que se unen eléctricamente en una solución de metano líquido no polar. ¿Qué moléculas podrían ser esas? En busca de respuestas, los investigadores buscaron datos de la nave espacial Cassini y de experimentos de laboratorio que reproducían la química de la atmósfera de Titán.
Se sabe que la atmósfera de Titán tiene una química muy compleja. Está hecho principalmente de nitrógeno y gas metano. Cuando la nave espacial Cassini analizó su composición mediante espectroscopía, encontró rastros de una variedad de compuestos de carbono, nitrógeno e hidrógeno, llamados nitrilos y aminas. Los investigadores han simulado la química de la atmósfera de Titán en el laboratorio exponiendo mezclas de nitrógeno y metano a fuentes de energía que simulan la luz solar en Titán. Se forma un guiso de moléculas orgánicas llamadas "tolinas". Se compone de compuestos de hidrógeno y carbono, llamados hidrocarburos, así como nitrilos y aminas.
Los investigadores de Cornell vieron a los nitrilos y aminas como candidatos potenciales para sus membranas celulares de Titanian. Ambas son moléculas polares que podrían unirse para formar una membrana en metano líquido no polar debido a la polaridad de los grupos que contienen nitrógeno que se encuentran en ambos. Razonaron que las moléculas candidatas deben ser mucho más pequeñas que los fosfolípidos, para que puedan formar membranas fluidas a temperaturas de metano líquido. Consideraron nitrilos y aminas que contienen cadenas de entre tres y seis átomos de carbono. Los grupos que contienen nitrógeno se denominan grupos "azoto", por lo que el equipo denominó a su hipotética contraparte titánica del liposoma el "azotosoma".
Sintetizar azotosomas para el estudio experimental hubiera sido difícil y costoso, porque los experimentos tendrían que realizarse a las temperaturas criogénicas del metano líquido. Pero dado que las moléculas candidatas se han estudiado ampliamente por otras razones, los investigadores de Cornell se sintieron justificados al recurrir a las herramientas de la química computacional para determinar si sus moléculas candidatas podrían cohesionarse como una membrana flexible en metano líquido. Los modelos computacionales se han utilizado con éxito para estudiar las membranas celulares de fosfolípidos convencionales.
Las simulaciones computacionales del grupo mostraron que algunas sustancias candidatas podrían descartarse porque no se unirían como una membrana, serían demasiado rígidas o formarían un sólido. Sin embargo, las simulaciones también mostraron que varias sustancias formarían membranas con propiedades adecuadas. Una sustancia adecuada es el acrilonitrilo, que Cassini mostró que está presente en la atmósfera de Titán a una concentración de 10 partes por millón. A pesar de la gran diferencia de temperatura entre los azotozomas criogénicos y los liposomas a temperatura ambiente, las simulaciones mostraron que exhibían propiedades sorprendentemente similares de estabilidad y respuesta al estrés mecánico. Las membranas celulares, entonces, son posibles para la vida en metano líquido.
Los científicos de Cornell ven sus hallazgos como nada más que un primer paso para demostrar que la vida en metano líquido es posible, y para desarrollar los métodos que las futuras naves espaciales necesitarán buscar en Titán. Si la vida es posible en metano líquido, las implicaciones finalmente se extienden mucho más allá de Titán.
Al buscar condiciones adecuadas para la vida en la galaxia, los astrónomos suelen buscar exoplanetas dentro de la zona habitable de una estrella, definida como el estrecho rango de distancias sobre las cuales un planeta con una atmósfera similar a la Tierra tendría una temperatura superficial adecuada para agua líquida. Si la vida de metano es posible, las estrellas también tendrían una zona habitable de metano, una región donde el metano podría existir como líquido en un planeta o luna, haciendo posible la vida del metano. El número de mundos habitables en la galaxia aumentaría considerablemente. Quizás, en algunos mundos, la vida del metano evoluciona hacia formas complejas que apenas podemos imaginar. Tal vez algunos de ellos son incluso un poco como monstruos marinos.
Referencias y lecturas adicionales:
N. Atkinson (2010) Alien Life on Titan? Aguanta solo un minuto, la revista Space.
N. Atkinson (2010) La vida en Titán podría ser maloliente y explosiva, Space Magazine.
M. L. Cable, S. M. Horst, R. Hodyss, P. Beauchamp, M. A. Smith, P. Willis, (2012) Titan tholins: Simulando la química orgánica de Titán en la era Cassini-Huygens, Chemical Reviews, 112: 1882-1909.
E. Howell (2014) Los majestuosos lagos tipo espejo de Titán estarán bajo el escrutinio de Cassini esta semana, la revista Space.
J. Major (2013) El Polo Norte de Titán está cargado de lagos, revista Space.
C. P. McKay, H. D. Smith, (2005) Posibilidades de vida metanogénica en metano líquido en la superficie de Titán, Icarus 178: 274-276.
J. Stevenson, J. Lunine, P. Clancy, (2015) Alternativas de membrana en mundos sin oxígeno: creación de un azotosoma, Science Advances 1 (1): e1400067.
S. Oleson (2014) Submarino Titán: Explorando las profundidades de Kraken, Centro de Investigación Glenn de la NASA, Comunicado de prensa.
Misión del Solsticio de Cassini, Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA
NASA y ESA celebran 10 años desde el aterrizaje de Titán, NASA 2015
