토성의 큰 달 타이탄에 생명이있을 수 있습니까? 이 질문을하면 우주 생물 학자와 화학자들은 생명의 화학에 대해 신중하고 창의적으로 생각해야하며 지구와 다른 세상에서는 어떻게 다른지 생각해야합니다. 2 월, 화학 공학 대학원생 제임스 스티븐슨 (James Stevenson), 행성 과학자 조나단 루니 네 (Jonathan Lunine), 화학 엔지니어 폴레트 클랜시 (Paulette Clancy)를 포함한 코넬 대학 (Cornell University) 연구팀은이 놀라운 달에 존재하는 이국적인 화학 조건에서 세포막이 형성 될 수 있다고 주장하는 선구적인 연구를 발표했다. .
여러 가지면에서 타이탄은 지구의 쌍둥이입니다. 태양계에서 두 번째로 큰 달이며 행성 수성보다 큽니다. 지구와 마찬가지로 지표 대기압이 지구보다 약간 높은 실제 대기권을 가지고 있습니다. 지구 외에도 타이탄은 태양계에서 표면에 액체가 축적 된 것으로 알려진 유일한 대상입니다. NASA의 Cassini 우주 탐사선은 타이탄의 극지방에서 풍부한 호수와 강을 발견했습니다. 크라켄 마레라고 불리는 가장 큰 호수 또는 바다는 지구의 카스피해보다 큽니다. 연구원들은 우주선 관측과 실험실 실험에서 타이탄의 대기가 생명체의 구성 요소 인 복잡한 유기 분자가 풍부하다는 것을 알고 있습니다.
이러한 모든 기능은 마치 마치 타이탄이 삶에 적합한 것처럼 보일 수 있습니다. 전설적인 바다 괴물을 가리키는 '크라켄'이라는 이름은 우주 생물 학자들의 열망을 환상적으로 반영합니다. 그러나 타이탄은 지구의 외계인 쌍둥이입니다. 지구보다 태양에서 거의 10 배나 더 높은 표면 온도는 섭씨 -180 도입니다. 액체 수는 우리가 아는 한 생명에 매우 중요하지만, 타이탄 표면에서는 모든 물이 완전히 얼어 붙습니다. 수빙은 규소 함유 암석이 지구에서하는 역할을 수행하여 지각의 외층을 구성합니다.
타이탄의 호수와 강을 채우는 액체는 물이 아니라 액체 메탄으로, 액체 에탄과 같은 다른 물질과 혼합되었을 것입니다. 타이탄의 바다에 생명이 있다면, 우리가 알고있는 것은 생명이 아닙니다. 유기물은 액체 물 대신 액체 메탄에 용해 된 외계 생명체 여야합니다. 그런 일이 가능합니까?
코넬 팀은 세포막이 액체 메탄에 존재할 수 있는지 여부를 조사함으로써이 어려운 질문의 한 부분을 차지했습니다. 모든 살아있는 세포는 본질적으로 경계 막 내에 포함 된자가-지속적인 화학 반응 네트워크이다. 과학자들은 세포막이 지구상에서 아주 초기에 생겨 났다고 생각하며, 이들의 형성은 생명 기원의 첫 단계일지도 모른다.
여기 지구상에서 세포막은 고등학교 생물학 수업만큼이나 친숙합니다. 인지질이라 불리는 큰 분자로 만들어졌습니다. 각 인지질 분자에는‘머리’와‘꼬리’가 있습니다. 머리에는 인 원자가 여러 산소 원자에 연결된 인산기가 포함되어 있습니다. 꼬리는 수소 원자가 각면에 연결된 하나 이상의 탄소 원자 스트링 (일반적으로 15-20 원자 길이)으로 구성됩니다. 인산염 그룹의 음전하로 인한 헤드는 전하 분포가 동일하지 않으며 극성이라고합니다. 반면에 꼬리는 전기적으로 중립적입니다.
이러한 전기적 특성은 인지질 분자가 물에 용해 될 때 어떻게 작용할 것인지를 결정합니다. 전기적으로 말하면 물은 극성 분자입니다. 물 분자의 전자는 두 개의 수소 원자보다 산소 원자에 더 강하게 끌립니다. 따라서, 2 개의 수소 원자가있는 분자의 측면은 약간 양전하를 가지며, 산소 측면은 작은 음전하를 갖는다. 이러한 물의 극성 특성은 그것이 친수성이라고하는 인지질 분자의 극성 머리를 끌어 당기고 소수성이라고하는 비극성 꼬리를 격퇴시킵니다.
인지질 분자가 물에 용해되면, 두 물질의 전기적 특성이 함께 작용하여 인지질 분자가 스스로 막으로 조직되게한다. 막은 리포좀 (liposome)이라 불리는 작은 구체로 스스로 닫힙니다. 인지질 분자는 두 분자 두께의 이중층을 형성한다. 극성 친수성 헤드는 막의 내부 및 외부 표면 모두에서 물을 향해 외향으로 향한다. 소수성 테일은 서로 마주 보며 사이에 끼워져있다. 인지질 분자는 머리가 바깥 쪽을 향하고 꼬리가 안쪽을 향한 상태로 층에 고정 된 상태로 유지되지만 서로에 대해 움직일 수있어 멤브레인에 생명체에 필요한 유체 유연성을 제공합니다.
인지질 이중층 막은 모든 지상 세포막의 기초이다. 리포좀 자체만으로도 생명에 중요한 특정 화학 반응을 성장, 재생산 및 보조 할 수 있기 때문에 일부 생화학 자들은 리포좀의 형성이 인생을 향한 첫 걸음이라고 생각합니다. 어쨌든, 세포막의 형성은 지구에서의 삶의 초기 단계 임에 틀림 없다.
바다 괴물이든 (또는 가능성이 높은) 미생물이든 타이탄에 어떤 형태의 생명체가 존재한다면 지구상의 모든 생물체와 마찬가지로 세포막이 있어야합니다. 인지질 이중층 막이 타이탄의 액체 메탄에서 형성 될 수 있습니까? 대답은 '아니오. 물과 달리, 메탄 분자는 균일 한 전하 분포를 갖습니다. 물의 극성 특성이 부족하여 인지질 분자의 북극 머리를 끌 수 없었습니다. 인지질이 지구형 세포막을 형성하기 위해서는 이러한 인력이 필요하다.
인지질이 지구 온도에서 비극성 액체에 용해되는 실험이 수행되었다. 이러한 조건에서 인지질은 '내부'2 층 막을 형성합니다. 인지질 분자의 극성 헤드는 중심에 있으며, 전하에 의해 서로 끌립니다. 비극성 테일은 내부-외막의 각 측면에서 바깥 쪽을 향하고 비극성 용매를 향한다.
타이타니아 생명체에 인 인지질 막이있을 수 있습니까? 코넬 팀은 두 가지 이유로 작동하지 않는다고 결론지었습니다. 첫 번째는 액체 메탄의 극저온 온도에서 인지질의 꼬리가 단단 해져서 생명에 필요한 유체 유연성을 형성 할 수있는 내부 막이 박탈된다는 것입니다. 두 번째는 인지질의 두 가지 주요 성분입니다. 인과 산소는 아마도 타이탄의 메탄 호수에서 이용할 수 없을 것입니다. 코타 넬 팀은 타이타니아 세포막을 찾기 위해 친숙한 고등학교 생물학의 영역을 뛰어 넘어야했습니다.
인지질로 구성되지 않았음에도 불구하고 과학자들은 모든 타이탄 세포막이 실험실에서 생성 된 내부의 인지질 막과 같을 것이라고 추론했다. 비극성 액체 메탄 용액에 전기적으로 서로 달라 붙는 극성 분자로 구성됩니다. 그것들은 어떤 분자일까요? 연구진은 카시니 우주선과 타이탄 대기의 화학 반응을 재현 한 실험실 실험에서 얻은 데이터를 조사했다.
타이탄의 대기는 화학이 매우 복잡한 것으로 알려져 있습니다. 주로 질소와 메탄 가스로 만들어집니다. Cassini 우주선이 분광법을 사용하여 구성을 분석했을 때 니트릴 및 아민이라고하는 다양한 탄소, 질소 및 수소 화합물이 발견되었습니다. 연구진은 질소와 메탄의 혼합물을 Titan의 햇빛을 시뮬레이션하는 에너지 원에 노출시켜 실험실에서 Titan의 대기 화학을 시뮬레이션했습니다. ‘tholins’라는 유기 분자 스튜가 형성됩니다. 그것은 탄화수소라고 불리는 수소와 탄소의 화합물뿐만 아니라 니트릴과 아민으로 구성됩니다.
코넬 조사관은 니트릴과 아민을 타이타니아 세포막의 잠재적 후보로 보았다. 둘 다 발견 된 질소 함유 그룹의 극성으로 인해 비극성 액체 메탄에서 막을 형성하기 위해 서로 붙어있을 수있는 극성 분자입니다. 그들은 후보 분자가 인지질보다 훨씬 작아야하므로 액체 메탄 온도에서 유체 막을 형성 할 수 있다고 추론했다. 그들은 3 개에서 6 개의 탄소 원자의 끈을 포함하는 니트릴과 아민을 고려했다. 질소 함유 그룹을‘아조 토 (adto)’그룹이라 부르며, 팀은 리포좀에 대한 가설적인 타이타니아 대응자를‘아조 토좀’이라고 명명했습니다.
실험은 액체 메탄의 극저온에서 수행되어야하기 때문에 실험 연구를위한 아조 토좀의 합성은 어렵고 비용이 많이들 것이다. 그러나 후보 분자는 다른 이유로 광범위하게 연구되어 왔기 때문에 코넬 연구원은 후보 분자가 액체 메탄의 유연한 막으로 결합 될 수 있는지 여부를 결정하기 위해 계산 화학 도구를 사용하는 것이 정당하다고 생각했다. 계산 모델은 기존의 인지질 세포 막을 연구하는 데 성공적으로 사용되었습니다.
이 그룹의 전산 시뮬레이션은 일부 후보 물질이 막으로 응집되지 않거나 너무 단단하거나 고체를 형성하기 때문에 배제 될 수 있음을 보여 주었다. 그럼에도 불구하고, 시뮬레이션은 또한 다수의 물질이 적합한 특성을 갖는 막을 형성 할 것이라는 것을 보여 주었다. 하나의 적합한 물질은 아크릴로 니트릴이며, Cassini는 Titan의 대기에 백만 분의 10의 농도로 존재한다는 것을 보여 주었다. 극저온 아조 토 조임과 실온 리포좀 사이의 온도의 큰 차이에도 불구하고, 시뮬레이션은 이들이 현저하게 유사한 안정성 및 기계적 응력에 대한 반응 특성을 나타내는 것으로 나타났다. 따라서, 액체 메탄에서 수명 동안 세포막이 가능하다.
코넬의 과학자들은 그들의 연구 결과가 액체 메탄에서의 생명이 가능하다는 것을 보여주기위한 첫 걸음으로, 그리고 미래의 우주선이 타이탄에서 그것을 찾아야하는 방법을 개발하는 것에 불과하다고 생각합니다. 액체 메탄에서 생명이 가능하다면, 그 의미는 궁극적으로 타이탄을 넘어 확장됩니다.
은하에서의 생활에 적합한 조건을 찾을 때, 천문학 자들은 일반적으로 지구와 비슷한 대기권을 가진 행성이 액체 물에 적합한 표면 온도를 가질 수있는 좁은 거리 범위로 정의되는 별의 거주 가능 구역 내에서 외계 행성을 검색합니다. 메탄 생활이 가능하다면, 별들은 또한 메탄 거주 가능 구역을 가질 것이며,이 지역은 메탄이 행성이나 달에 액체로 존재할 수있어 메탄 생활을 가능하게합니다. 은하계에서 거주 가능한 세계의 수가 크게 증가 할 것입니다. 아마도 일부 세계에서는 메탄 생활이 우리가 거의 상상할 수없는 복잡한 형태로 진화했을 것입니다. 어쩌면 그들 중 일부는 바다 괴물과도 비슷할 것입니다.
참고 문헌 및 추가 자료 :
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Cassini Solstice Mission, NASA 제트 추진 연구소
NASA와 ESA, 타이탄 상륙 10 주년 기념 NASA 2015
