Habitabilidad de
satélites helados: Titán
Astrobiología
Facultad de Ciencias, UNAM Antígona Segura
Titán y su relevancia
astrobiológica
La importancia astrobiológica de Titan está basada en las
siguientes características
1) Su similitud con la Tierra temprana
2) La presencia de una ambiente con una química
orgánica compleja, desde la alta atmósfera hasta la
superficie y muy probablemente el subsuelo
también.
3) La presencia de un océano de agua interno que se
deduce de las observaciones de radar de Cassini.
4) Puede ser considerado como modelo para el futuro
de la Tierra y la vida terrestre.
Raulin, F., McKay, C., Lunine, J., & Owen, T. (2009). Titan's astrobiology. In Titan
La Tierra temprana y Titán
• Tian et al (2009) calcularon con un modelo
atmosférico que la tasa de escape del H
2en la
Tierra temprana permitió que el tiempo de
residencia de este compuesto en la atmósfera fuera
más largo de lo que se había pensado
originalmente.
• Esto implica que el tiempo de vida del CH
4y el NH
3también fueron más largos.
• Esto aumenta el tiempo disponible para las
reacciones químicas prebióticas.
Química prebiótica
• El control de radical OH es fundamental para la química
prebiótica pues oxida los radicales que se producen de
la fotólisis del metano y el nitrógeno, inhibiendo la
generación de moléculas más grandes.
• En una atmósfera con H
2(Tierra temprana) o fría (sin
vapor de agua, Titán) se suprime la producción de OH
permitiendo que se mantengan las condiciones
reducidas.
• Es posible que la Tierra primitiva haya tenido una capa
de niebla similar a la de Titán (Sagan y Chyba, 1997;
Arney et al. 2016).
• El principal producto complejo de la química atmosférica de Titán es el material macromolecular incluido en los aerosoles atmosféricos.
• Estos materiales pueden evolucionar en la superficie a través de muchos procesos de intercambio con la atmósfera y la sub-superficie. • En particular cuando están en
contacto con el agua (hielo o líquida de forma episódica) los compuestos pueden hidrolizarse y producir una gran variedad de orgánicos,
incluyendo compuestos oxigenados. • Entre esos productos podrían estar
aminoácidos y urea.
• La importancia de los aerosoles de Titán en la química orgánica de este satélite debería proveer una visión del papel de los aerosoles en la química prebiótica terrestre en la atmósfera de la Tierra primitiva.
Crítica a Titán como modelo de la
Tierra temprana
Melissa Trainer (2013) hace un análisis de los
experimentos sobre química prebiótica y química
atmosférica en Titán:
• La generación de hidrocarburos grandes como cadenas
de alcanos o PAH en la atmósfera de Titán no
necesariamente conduce a la síntesis de
proto-biomoléculas que se requieren para iniciar a replicación
en una solución acuosa, como se supone sucedió en el
origen de la vida.
• La atmósfera de la Tierra temprana probablemente no
fue tan reducida como la de Titán y pudo contener una
cantidad significativa de CO
2.
Crítica a Titán como modelo de la
Tierra temprana
• Los modelos iniciales conjeturaron que cuando CO2 > CH4
(CH4/CO2 < 1) la oxidación (del O proveniente de la disociación del CO2) se convertiría en el proceso química dominante y las
cadenas de hidrocarburos serían terminadas por átomos de O lo que inhibiría la formación de aerosoles.
• Es decir: C/O < 1 implicaría la oxidación del CH4 e inhibiría la polimerización.
• Sin embargo, los experimentos muestran que la composición del aerosol orgánico que se forma en atmósferas con CH4/CO2 < 1 difieren mucho de las especies orgánicas formadas en atmósferas tipo Titán.
• Los átomos de O no inhiben la formación de moléculas orgánicas sino que lo incorporan en la estructura molecular de los aerosoles orgánicos, cambiando la naturaleza del material lo suficiente
como para distinguir la niebla de la Tierra temprana y del Titán en el presente.
Nichos para la vida
El rango de ambientes que pueden mantener vida se extiende desde la superficie a unos cuantos kilómetros dentro del núcleo rocoso, lo cual da un volumen de biosfera potencial de 4×1010 km3, al menos el doble del volumen de la biosfera terrestre. Norman y Fortes, 2011Nichos para la vida:
Núcleo de silicatos
• Los kilómetros externos del núcleo rocoso tienen temperaturas menores a 400K. La temperatura de crecimiento máximo e los hipertermófilos es de 394K. • Es muy posible que el ambiente esté casi totalmente
permeado por agua líquida de la capa de hielo superior. • El agua puede mediar reacciones químicas que generan
sustancias para el uso de anaerobios obligados.
• La presión del manto de agua es posiblemente de 1GPa, mucho más grande que las presiones a las que están
adaptados los organismos terrestres (100 Mpa).
• Se han reportado metabolismos microbianios a 1-1.2 GPa. • Una posibilidad es la de una bioquímica basada en silanos
(compuestos de Si) (Schulze-Makuch and Irwin 2006).
Nichos para la vida:
Manto de hielo a alta presión
• En los experimentos de Sharma et al (2002) se
observó actividad microbiana en inclusiones fluidas
de hielo VI a alta presión.
• Este tipo de inclusiones fluidas ricas en posibles
nutrientes pueden quedar atrapadas en la matriz
del hielo VI durante la formación del manto.
• Una propuesta es que los microorganismos
tempranos de Titán hayan quedado incorporados al
manto y evolucionado un ecosistema separado del
resto de la biota de Titán.
Nichos para la vida:
La corteza y océano subterráneo
• Un océano subterráneo de amoniaco acuoso podría tener las propiedades para sostener una biosfera en términos de temperatura, presión, pH, viscosidad y disponibilidad de nutrientes.
• Esto pudo suceder si la biota se originó en el interior del proto-Titán que era más tibio.
• Un mejor ambiente para la vida sería un océano subterráno acuoso de sulfato de amonio.
• A 100-500 Mpa la solución eutéctica de sulfato de amonio es 60K más caliente y casi 3 órdenes de magnitud menos viscosa que una solución eutéctica de amoniaco.
• El pH es comparable con el del agua de lluvia y la salinidad dentro de la región de confort de las halófilas.
Nichos para la vida:
La corteza y océano subterráneo
• La producción de energía por la reducción de
sulfato disuelto es un camino metabólico entre los
anaerobios obligados
• Existen numerosos donadores de electrones que se
usan en el metabolismo de sulfato, los que podrían
estar disponibles en el océano subterráneo como
resultado de la síntesis inorgánica serían H
2y
etanol.
• Un océano con metano/sulfato no es muy diferente
de las infiltraciones frías en el suelo oceánico
Nichos para la vida:
Líquidos en la superficie
• Benner et al. (2004) fueron los primeros en sugerir que los hidrocarburos líquidos en Titán podrían ser la base para la vida, tomando el mismo papel que el agua en la Tierra.
• Mckay y Smith (2005) y Schulze-Makuch y Grinspoon (2006) calcularon la energía disponible de la reacción de H2 con
material orgánico del que se produce metano como material de desecho.
• Mostraron que el acetileno da más energía, aunque la abundancia de etano lo hace una fuente de energía competitiva para la biota de Titán.
• Estas reacciones no proceden de manera espontánea,
requiere metal o catalizadores biológicos para promover la reacción.
Nichos para la vida:
Líquidos en la superficie
• El Comité para los límites de la vida orgánica en
sistemas planetarios (2007) notó qué muchas enzimas
funcionan en solventes orgánicos y muchas reacciones
orgánicas fundamentales para la bioquímica pueden
suceder en medios no acuosos.
• McKay y Smith (2005) predicen que los organismos
viviendo en el metano líquido en la superficie de Titán
producirían una merma anómala de hidrógeno,
acetileno y etano.
• Los modelos fotoquímicos para Titán predijeron un
océano global con gran cantidad de etano en la
superficie, sin embargo hay una falta inesperada de
etano en los lagos y pequeños mares (Lorenz et al.
2008)
Nichos para la vida:
Líquidos en la superficie
• Strobel (2010) modeló la concentración de hidrógeno en la
atmósfera de Titán y encontró que los datos observacionales se explicaban mejor por una fuente de hidrógeno en la superficie, para la que la explicación única explicación hasta ese momento es un gradiente en la concentración del H2 creada por el
metabolismo de H2 por organismos metanogénicos.
• Clark et al. (2010) reportan una merma aparente de acetileno en la superficie comparado con las tasas de producción atmosférica esperadas y la depositación posterior en la superficie. En apoyo a esto no hubo evidencia de acetileno en los gases liberados de la superficie después de que la nave Huygens aterrizó.
• Aunque estas mermas no constituyen una prueba de vida en la superficie de Titán (existen explicaciones abióticas en cada uno de los casos), ciertamente refuerzan el punto de que Titan es un
Membranas para las células en
Titán: Azotosoma
• Stevenson et al. (2015) propusieron la estructura para una posible membrana celular que funcionaría en Titán.
• Las membranas de bicapa de lípidos son el fundamento de la vida en la Tierra y son posibles gracias a las propiedades de los lípidos en el agua. De manera que generan un
ambiente cerrado pero la frontera es elástica.
• El problema es que a 94K se congelan los compuestos orgánicos de cadena larga.
• La membrana propuesta está hecha de compuestos
orgánicos pequeños de nitrógeno que es capaz de funcionar en metano líquido a temperaturas criogénicas y cuya
elasticidad sería igual a la de las bicapas de líquidos en agua a temperatura ambiente.
En vez de moléculas no polares de cadena larga unidas por fuerzas de Vander Waals que forman las membranas en la Tierra, en metano líquido criogénico se formarían por la atracción entre las cabezas polares de
moléculas de cadena corta ricas en hidrógeno.
• Se estudiaron varias composiciones considerando la estabilidad termodinámica de compuestos disponibles en la atmósfera de Titán.
• El azotosoma de acrilonitrilo resultó el mejor candidato.
