Gli astrobiologi si concentrano sulla risoluzione di due questioni centrali per comprendere i limiti ambientali e chimici della vita. Comprendendo i confini della vita, intendono identificare possibili biofirme nelle atmosfere degli esopianeti e nel sistema solare. Per esempio, la membrana a doppio strato lipidico è un prerequisito centrale per la vita come sappiamo sulla Terra. Studi precedenti basati su simulazioni della dinamica molecolare hanno suggerito che le membrane a polarità invertita note come azotosomi costituite da piccole molecole contenenti azoto possono essere cineticamente abbondanti su mondi liquidi criogenici come la luna di Saturno Titano.

In un nuovo rapporto su Progressi scientifici , H. Sandström e M. Rahm presso il dipartimento di chimica e ingegneria chimica della Chalmers University of Technology, Svezia, ha costituito un prossimo potenziale passo per studiare la fattibilità termodinamica della formazione di azotosomi. Utilizzando calcoli di meccanica quantistica, hanno predetto che gli azotosomi non sono in grado di autoassemblarsi in acqua liquida a differenza dei doppi strati lipidici. Propongono che, a causa delle rigorose condizioni anidre e di bassa temperatura, le membrane cellulari potrebbero non essere necessarie per un'ipotetica astrobiologia su Titano. Questi sforzi sull'astrobiologia computazionale predittiva saranno importanti per l'atterraggio programmato della missione Dragonfly su Titano nel 2034.

La luna di Saturno, Titano, presenta una ricca chimica atmosferica e una morfologia superficiale dinamica guidata dalle precipitazioni stagionali prevalentemente di cicli di metano ed etano. Gli scienziati hanno osservato laghi e mari di idrocarburi vicino alle regioni polari di Titano per fare paragoni con il ciclo idrologico della Terra rispetto all'origine della vita. Le condizioni della superficie di Titano sono, però, un freddo da 90 a 94 K e in contrasto con la Terra, La superficie più esterna di Titano è priva di ossigeno e ricoperta dai prodotti della sua fotochimica atmosferica. I ricercatori sospettano anche la presenza di una crosta di ghiaccio d'acqua ghiacciata sotto lo strato organico più esterno. Come il test più severo per i limiti della vita, Titano offre un ambiente unico per esplorare la complessità chimica della natura e la sua progressione senza acqua liquida a basse temperature in tempi che si avvicinano all'età del sistema solare.

La mancanza di energia termica (kT =0,75 kJ/mol a 90 K) è un collo di bottiglia per la reattività chimica su Titano, però, la luce del sole è una fonte di energia (0,4 W/m ² ) disponibile per la chimica. In questo lavoro, Sandström e Rahm hanno affrontato la probabilità di formazione di membrane cellulari abiotiche, uno dei prerequisiti per l'origine della vita su mondi come Titano. I ricercatori avevano anche discusso l'idea della compartimentazione come centrale per la vita per suggerire l'affascinante possibilità di azotosomi su Titano.

Gli azotosomi sono membrane costituite da piccole molecole con un gruppo di testa di azoto e un gruppo di coda di idrocarburi. I gruppi idrofobici (gruppi che odiano l'acqua) rimangono all'esterno delle membrane azotosomiali (polarità invertita) rispetto alle normali membrane lipidiche nell'acqua, dove i gruppi idrofobici rimangono tipicamente all'interno. Utilizzando soluzioni di dinamica molecolare in metano criogenico, gruppi di ricerca hanno previsto che se le strutture fossero state realizzate in acrilonitrile (C ₂ h ₃ CN) avrebbero un'elasticità simile a un normale doppio strato lipidico in soluzione acquosa. La possibilità di azotosomi ha ulteriormente acceso le discussioni sui limiti della vita. Due anni dopo la previsione originale, gli scienziati hanno rilevato in modo impressionante l'acrilonitrile su Titano utilizzando l'Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA).

Poiché le membrane e le micelle normali abiotiche e biologiche si formano tramite processi di autoassemblaggio spontanei guidati da una termodinamica favorevole. Gli scienziati hanno studiato se anche la membrana azotosoma proposta rimanesse ugualmente praticabile rispetto ai terreni termodinamici. Per questo, Sandstrom et al. hanno presentato stime sulla persistenza cinetica degli azotosomi utilizzando calcoli di chimica quantistica e poi hanno affrontato le loro associazioni per ipotetiche esobiologia in condizioni termodinamiche rigorose su Titano.

Nell'ipotesi del "mondo lipidico" o "cells-first", la formazione abiotica delle membrane ha contribuito all'emergere della vita; dove i lipidi in acqua si autoassemblano spontaneamente per formare strutture sovramolecolari come membrane e micelle, al di sopra di una concentrazione critica. Durante l'autoassemblaggio degli azotosomi su Titano, le strutture previste dovranno essere cineticamente persistenti e termodinamicamente inferiori in energia rispetto al corrispondente cristallo molecolare (ghiaccio molecolare). Il team di ricerca ha utilizzato il ghiaccio molecolare cristallino come concorrente per l'autoassemblaggio dell'acrilonitrile.

Sandstrom et al. applicata la meccanica quantistica sotto forma di teoria del funzionale della densità corretta in dispersione (DFT) per calcolare l'energia delle quattro fasi del ghiaccio di acrilonitrile corrispondenti ai dati di diffrazione sperimentali. I calcoli DFT hanno confermato l'assenza di modi fononici immaginari, per garantire la stabilità dinamica della struttura, che hanno inoltre confermato utilizzando simulazioni di dinamica molecolare quantistica basate su DFT in metano liquido a 90 K. I calcoli hanno tenuto conto di eventi termici ed entropici sulle condizioni rilevanti per la superficie di Titano, considerando l'interazione di dispersione con l'ambiente circostante di metano.

Il problema della termodinamica per l'origine della vita non è esclusivo di Titano; i requisiti energetici di Gibbs per la formazione macromolecolare sono ridotti sulle superfici dove la vita superficiale costituisce un possibile primo passo nell'evoluzione della vita sulla Terra. Gli scienziati hanno limitato i loro calcoli per valutare solo l'azotosoma a base di acrilonitrile e il loro autoassemblaggio in condizioni pertinenti su Titano, e hanno mostrato la loro sufficiente stabilità cinetica per la persistenza a lungo termine a 90 K. Le ipotetiche strutture di membrana costituite da molecole più grandi erano considerevolmente meno stabili dal punto di vista cinetico.

I risultati non hanno delineato in modo definitivo un possibile percorso di autoassemblaggio per membrane operabili criogeniche, 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. Allo stesso modo, a membrane can hinder the removal of waste products of metabolism including methane and nitrogen. Al contrario, it is also possible for a hypothetical cell membrane to protect against harmful chemicals on Titan. Però, 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 questo modo, 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.

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