Ζωή στον Τιτάνα

Θερμοκρασία επιφανείας

Λόγω της απόστασής του από τον Ήλιο, ο Τιτάνας είναι πολύ ψυχρότερος από τη Γη. Η θερμοκρασία στην επιφάνεια του είναι περίπου 90 K (-179 °C). Σε αυτή τη θερμοκρασία, ο υδατικός πάγος—αν υπάρχει—παραμένει σταθερός και δεν λιώνει, δεν εξατμίζεται και δεν εξαχνώνεται. Λόγω του υπερβολικού κρύου και της έλλειψης διοξείδιου του άνθρακα (CO₂) στην ατμόσφαιρα, αρκετοί επιστήμονες όπως ο Τζόναθαν Λουνίν θεωρούν τον Τιτάνα αφιλόξενο για εξωγήινη ζωή, αλλά κατάλληλο για πειραματική εξέταση υποθέσεων για τις συνθήκες που επικρατούσαν πριν από την εμφάνιση της ζωής στη Γη. Αν και η συνήθης επιφανειακή θερμοκρασία του Τιτάνα είναι ασύμβατη με την παρουσία υγρού νερού, ο Λούνιν και άλλοι εκτιμούν ότι από προσκρούσεις μετεωριτών θα μπορούσαν να έχουν δημιουργηθεί περιστασιακές "οάσεις πρόσκρουσης"—κρατήρες όπου το νερό σε υγρή μορφή θα μπορούσε να παραμείνει για εκατοντάδες χρόνια ή περισσότερο, και θα επέτρεπαν υδρόβια οργανική χημεία.
Ωστόσο, ο Λούνιν δεν αποκλείει την πιθανότητα ύπαρξης ζωής σε ένα περιβάλλον υγρού μεθανίου και αιθανίου, και έχει γράψει για τη σημασία της ανακάλυψης μια τέτοιας μορφής ζωής (έστω και αν είναι πολύ πρωτόγονη).

Παρελθοντικές υποθέσεις για τη θερμοκρασία

Τη δεκαετία του 1970, οι αστρονόμοι ανίχνευσαν απροσδόκητα υψηλά επίπεδα εκπομπών υπέρυθρης ακτινοβολίας από τον Τιτάνα. Μια πιθανή εξήγηση θα ήταν ότι η επιφάνεια είναι θερμότερη από το αναμενόμενο, λόγω φαινόμενου του θερμοκηπίου. Μια άλλη πιθανή εξήγηση θα ήταν ότι η επιφάνεια του Τιτάνα είναι πράγματι πολύ κρύα, αλλά η άνω ατμόσφαιρα του θερμάνθηκε εξαιτίας απορρόφησης υπεριώδους ακτινοβολίας από μόρια όπως το αιθάνιο, το αιθυλένιο και το ακετυλένιο.
Το Σεπτέμβριο 1979 το Πάιονηρ 11, το πρώτο διαστημικό όχημα για διεξαγωγή παρατηρήσεων του Κρόνου και των φεγγαριών του από κοντά, έστειλε στοιχεία που δείχνουν ότι η επιφάνεια του Τιτάνα είναι υπερβολικά κρύα για τα πρότυπα της Γης, και μάλλον αφιλόξενη για πλανητική κατοικησιμότητα.

Μελλοντική θερμοκρασία

Ο Τιτάνας μπορεί να γίνει θερμότερος στο μέλλον. Σε πέντε με έξι δισεκατομμύρια χρόνια από τώρα, καθώς ο Ήλιος γίνεται ερυθρός γίγαντας, οι επιφανειακές θερμοκρασίες ίσως αυξηθούν σε ~200 K (−70 °C), αρκετά για σχηματισμό σταθερών ωκεανών μείγματος νερού-αμμωνίας στην επιφάνειά του. Καθώς οι εκπομπές υπεριώδους ακτινοβολίας από τον Ήλιο μειώνονται, η ομίχλη στην ανώτερη ατμόσφαιρα του Τιτάνα θα εξαντληθεί, αυξάνοντας την επίδραση του φαινομένου του θερμοκηπίου από το ατμοσφαιρικό μεθάνιο στην επιφάνεια. Από κοινού αυτές οι συνθήκες θα μπορούσαν να δημιουργήσουν ένα περιβάλλον κατάλληλο για εξωτικές μορφές ζωής, και ίσως θα διαρκούσε για αρκετές εκατοντάδες εκατομμύρια χρόνια. Τόσος χρόνος ήταν αρκετός για την ανάπτυξη της ζωής στη Γη, αν και η παρουσία αμμωνίας στον Τιτάνα θα επιβράδυνε τις ανάλογες χημικές αντιδράσεις.

Έλλειψη επιφανειακών υδάτων

Το 2009 ο αστροβιολόγος του NASA Άντριου Ποχοριλ για να υποστηρίξει την θεωρία ότι δεν υπάρχει ζωή στον Τιτάνα ανέφερε την έλλειψη επιφανειακών υδάτων. Ο Ποχοριλ θεωρεί ότι το νερό είναι σημαντικό όχι μόνο ως διαλύτης για "τη μόνη ζωή που γνωρίζουμε" αλλά και επειδή οι χημικές του ιδιότητες είναι "μοναδικά κατάλληλες για την προώθηση της αυτοοργάνωσης της οργανικής ύλης".

Πιθανά υπόγεια ύδατα

Οι εργαστηριακές προσομοιώσεις οδήγησαν στην πρόταση ότι υπάρχει αρκετό οργανικό υλικό στον Τιτάνα για να ξεκινήσει μια χημική εξέλιξη ανάλογη με αυτή που πιστεύεται ότι ξεκίνησε τη ζωή στη Γη. Ενώ η αναλογία υποθέτει την παρουσία νερού σε υγρή μορφή για μεγαλύτερα χρονικά διαστήματα από ό, τι είναι σήμερα παρατηρήσιμα, αρκετές υποθέσεις προτείνουν ότι το υγρό νερό από μια πρόσκρουση θα μπορούσε να διατηρηθεί απομονωμένο κάτω από ένα στρώμα πάγου. Έχει επίσης προταθεί ότι ωκεανοί αμμωνίας θα μπορούσαν να υπάρχουν βαθιά κάτω από την επιφάνεια, και έστω διάλυμα αμμωνίας-νερού που βρίσκεται 200 χλμ υπό του στρώματος πάγου, σε συνθήκες "μολονότι ακραίες για τα επίγεια πρότυπα εν τούτοις η ζωή θα μπορούσε πράγματι να επιβιώσει". Η μεταφορά θερμότητας μεταξύ του εσωτερικού και των ανώτερων στρωμάτων θα ήταν κρίσιμη για τη διατήρηση κάθε υπεδάφιας ωκεάνιας ζωής. Η ανίχνευση μικροβιακής ζωής στον Τιτάνα μπορεί να βασιστεί στα βιογενή της αποτελέσματα. Για παράδειγμα, το ατμοσφαιρικό μεθάνιο και άζωτο μπορούν να εξεταστούν για βιογενή προέλευση.
Το 2012 το διαστημικό όχημα Κασσίνι του NASA δημοσίευσε στοιχεία που ενισχύουν την θεωρία ότι υπάρχουν στρώματα νερού σε υγρή μορφή κάτω από το στρώμα πάγου.

Σχηματισμός σύνθετων μορίων

Η ατμόσφαιρα του Τιτάνα είναι πυκνή, χημικά ενεργή, και περιέχει οργανικές ενώσεις σε αφθονία, που όλα μαζί στηρίζουν την δημιουργία ζωής. Η ατμόσφαιρα περιέχει επίσης αέριο υδρογόνο, που κυκλοφορεί μέσω της ατμόσφαιρας και του επιφανειακού περιβάλλοντος, και το οποίο ζωντανοί οργανισμοί συγκρίσιμοι με τα μεθανογόνα ίσως μπορούν να συνδυάσουν με κάποιες από τις οργανικές ενώσεις (όπως το ακετυλένιο) για να αποκτήσουν ενέργεια.
Το Πείραμα Μίλερ-Ούρεη και αρκετά μεταγενέστερα πειράματα έχουν δείξει ότι από την αλληλεπίδραση μιας ατμόσφαιρας σαν του Τιτάνα με υπεριώδη ακτινοβολία, μπορούν να σχηματιστούν πολύπλοκα μόρια και πολυμερείς ουσίες όπως οι θολίνες. Η διαδικασία ξεκινά με διάσταση του αζώτου και του μεθανίου, προς σχηματισμό υδροκυάνιου και ακετυλένιου και συνεχίζεται με περαιτέρω αντιδράσεις.
Τον Οκτώβριο 2010, η Σάρα Χορστ από το Πανεπιστήμικο της Αριζόνα ανέφερε ότι εντόπισε τις πέντε νουκλεοτιδικές βάσεις—δομικά στοιχεία του DNA και του RNA—ανάμεσα στις πολλές ενώσεις που παράγονται από αλληλεπίδραση ενέργειας με μείγμα αερίων όπως αυτών στην ατμόσφαιρα του Τιτάνα. Βρήκε επίσης αμινοξέα, τα δομικά στοιχεία των πρωτεϊνών. Είπε ότι ήταν η πρώτη φορά που βρέθηκαν νουκλεοτιδικές βάσεις και αμινοξέα σε πείραμα χωρίς νερό σε υγρή μορφή.
Τον Απρίλιο 2013 το NASA ανέφερε ότι σύνθετες οργανικές χημικές ουσίες θα μπορούσαν να σχηματιστούν στον Τιτάνα σύμφωνα με μελέτες προσομοίωσης της ατμόσφαιράς του. Τον Ιούνιο 2013 ανιχνεύτηκαν πολυκυκλικοί αρωματικοί υδρογονάνθρακες στην άνω ατμόσφαιρα του Τιτάνα.
Οι έρευνες έχουν δείξει ότι μια πολυιμίνη θα μπορούσε να λειτουργήσει ως δομικό στοιχείο στις συνθήκες του Τιτάνα. Στην ατμόσφαιρα του  παράγονται σημαντικές ποσότητες υδροκυανίου, το οποίο πολυμερίζεται εύκολα σε μορφές που μπορούν να συλλάβουν ηλιακή ενέργεια. Η διαδρομή της κυκλοφορίας του κυανίου στον Τιτάνα παραμένει άγνωστη· ενώ παράγεται άθφονα στην άνω ατμόσφαιρα, εξαντλείται στην επιφάνεια, γεγονός που σημαίνει ότι υπάρχει κάποιο είδος αντίδρασης που το καταναλώνει.

Υδρογονάνθρακες ως διαλύτες

Αν και όλα τα έμβια όντα στη Γη (με συμπεριλαμβανόμενα τα μεθανογόνα) χρησιμοποιούν το νερό σε υγρή μορφή ως διαλύτη, είναι πιθανό η ζωή στον Τιτάνα να μπορεί αντ ' αυτού να χρησιμοποιήσει έναν υγρό υδρογονάνθρακα, όπως το μεθάνιο και το αιθάνιο. Το νερό είναι ισχυρότερος διαλύτης από τους υδρογονάνθρακες, ωστόσο το νερό είναι πιο δραστικό χημικά και μπορεί να διασπάσει τα μεγάλα οργανικά μόρια μέσω υδρόλυσης. Συνεπώς τα βιομόρια μιας μορφής ζωής της οποίας ο διαλύτης είναι υδρογονάνθρακας δεν θα υποστούν αποικοδόμηση με αυτόν τον τρόπο.
Στην επιφάνεια του Τιτάνα φαίνεται πως υπάρχουν λίμνες υγρού αιθανίου ή υγρού μεθανίου, καθώς και ποτάμια και θάλασσες, τα οποία θα μπορούσαν υποθετικά να υποστηρίξουν ζωή που δεν βασίζεται στο νερό.
Δηλαδή θα μπορούσε να υπάρχει ζωή στο υγρό μεθάνιο και αιθάνιο. Τα υποθετικά πλάσματα θα προσλάμβαναν H₂ αντί για  O₂, και κατόπιν αντίδρασης με ακετυλένιο αντί για γλυκόζη, θα παρήγαγαν μεθάνιο αντί για διοξείδιο του άνθρακα. Συγκριτικά, ορισμένα μεθανογόνα στη Γη λαμβάνουν ενέργεια από αντίδραση υδρογόνου με διοξείδιο του άνθρακα προς παραγωγή μεθανίου και νερού.
Το 2005 οι αστροβιολόγοι Κρίς Μακέι και Χίθερ Σμιθ πρόβλεψαν ότι αν η μεθανογενής ζωή καταναλώνει ατμοσφαιρικό υδρογόνο σε επαρκή όγκο, θα έχει μετρήσιμη επίδραση στις αναλογίες του μείγματος στην τροπόσφαιρα του Τιτάνα. Τα αναμενόμενα αποτελέσματα περιλάμβαναν ένα επίπεδο ακετυλενίου πολύ μικρότερο καθώς και μείωση στην συγκέντρωση του υδρογόνου.
Τον Ιούνιο 2010 ο Ντάρελ Στρόμπελ του Πανεπιστημίου Τζονς Χόπκινς ανέφερε στοιχεία που συνάδουν με αυτές τις προβλέψεις, κατόπιν προσδιορισμού των συγκεντρώσεων υδρογόνου στην άνω και κάτω ατμόσφαιρα. Ο Στρόμπελ διαπίστωσε ότι η συγκέντρωση υδρογόνου στην άνω ατμόσφαιρα είναι τόσο μεγαλύτερη από ότι στην επιφάνεια που λόγω φυσικής διάχυσης το υδρογόνο ρέει προς τα κάτω με ρυθμό περίπου 10²⁵ μορίων ανά δευτερόλεπτο. Κοντά στην επιφάνεια η προς τα κάτω ροή υδρογόνου προφανώς εξαφανίζεται. Μια άλλη μελέτη που δημοσιεύθηκε τον ίδιο μήνα έδειξε πολύ χαμηλά επίπεδα ακετυλενίου στην επιφάνεια του Τιτάνα.
Ο Κρις Μακέι συμφώνησε με τον Στρόμπελ ότι η παρουσία ζωής, όπως προτάθηκε στο άρθρο του 2005, είναι μια πιθανή εξήγηση για τα ευρήματα υδρογόνου και ακετυλενίου, αλλά υπάρχουν και άλλες πιθανές εξηγήσεις: δηλαδή τα αποτελέσματα ίσως οφείλονται σε ανθρώπινο λάθος, σε  μετεωρολογική διαδικασία, ή στην παρουσία ανόργανων καταλυτών που καταλύουν την αντίδραση του υδρογόνου με το ακετυλένιο. Σημείωσε ότι ένας τέτοιος καταλύτης, με δραστικότητα σε -178 °C (95 K), θα ήταν μια εκπληκτική ανακάλυψη, συγκρίσιμη μόνο με την ανακάλυψη εξωγήινης μορφής ζωής.
Τον Ιούνιο 2010 τα ενδιαφερόμενα μέσα ενημέρωσης, όπως η Βρετανική εφημερίδα Telegraph, ανέφεραν ευρήματα που ενδεικνύουν την ύπαρξη  "πρωτόγονων εξωγήινων".

Κυτταρικές μεμβράνες

Το Φεβρουάριο 2015 παρουσιάστηκε μια υποθετική κυτταρική μεμβράνη που θα λειτουργούσε σε περιβάλλον υγρού μεθανίου. Η προτεινόμενη χημική βάση για τη μεμβράνη είναι το ακρυλονιτρίλιο, που έχει ανιχνευτεί στον Τιτάνα. Ονομάστηκε "αζωτόσωμα" ("σώμα αζώτου") επειδή αντί για  φώσφορο και οξυγόνο που έχουν τα φωσφολιπίδια στη Γη διαθέτει άζωτο. Παρά τις μεγάλες διαφορές στη χημική δομή και το εξωτερικό περιβάλλον, οι ιδιότητές του είναι εκπληκτικά παρόμοιες, όπως η αυτοσυγκρότηση της μεμβράνης, η ευελιξία και η σταθερότητα.
Μια ανάλυση των δεδομένων του Κασσίνι  που ολοκληρώθηκε το 2017 επιβεβαίωσε την ανίχνευση σημαντικών ποσοτήτων ακρυλονιτριλίου στην ατμόσφαιρα του Τιτάνα.

Συγκριτική κατοικησιμότητα

Προκειμένου να εκτιμηθεί η πιθανότητα εύρεσης οποιουδήποτε είδους ζωής σε διάφορους πλανήτες και φεγγάρια, ο Ντιρκ Σκούλζε-Μάκατς και άλλοι επιστήμονες έχουν αναπτύξει έναν Δείκτη Πλανητικής Κατοικησιμότητας που λαμβάνει υπόψη παράγοντες όπως τα χαρακτηριστικά της επιφάνειας και της ατμόσφαιρας, τη διαθεσιμότητα της ενέργειας, τους διαλύτες και τις οργανικές ενώσεις. Βάσει του Δείκτη και των διαθέσιμων δεδομένων στα τέλη του 2011 ο Τιτάνας έχει την υψηλότερη βαθμολογία κατοικησιμότητας από κάθε γνωστό κόσμο, εκτός από τη Γη.

Ο Τιτάνας ως δοκιμαστική περίπτωση

Παρόλο που η αποστολή Κασσίνι-Χόιχενς δεν ήταν εξοπλισμένη για να παράσχει στοιχεία βιολογικής καταγραφής ή πολύπλοκων οργανικών ουσιών, έδειξε ένα περιβάλλον στον Τιτάνα που είναι κάπως παρόμοιο με το θεωρητικό περιβάλλον της αρχέγονης Γης. Οι επιστήμονες πιστεύουν ότι η ατμόσφαιρα της πρώιμης Γης ήταν παρόμοια στη σύσταση με την τρέχουσα ατμόσφαιρα του Τιτάνα, με σημαντική εξαίρεση την έλλειψη υδρατμών στον Τιτάνα. 
Το 2007 σε μία έκθεση για τις περιοριστικές συνθήκες της ζωής που εκπονήθηκε από επιτροπή επιστημόνων του Αμερικάνικου Εθνικού Συμβούλιου Ερευνών, ο Τιτάνας παρουσιάστηκε ως δοκιμαστική περίπτωση για τη συσχέτιση μεταξύ ζωής και χημικής αντιδραστικότητας. Η επιτροπή, υπό την προεδρία του Τζον Μπάρος, θεώρησε ότι "αν η ζωή είναι μια εγγενής ιδιότητα με χημική αντιδραστικότητα, τότε θα έπρεπε να υπάρχει στον Τιτάνα. Πράγματι, για να μην υπάρχει ζωή στον Τιτάνα, θα έπρεπε να υποστηρίξουμε ότι η ζωή δεν είναι εγγενής ιδιότητα με αντιδραστικότητα μορίων που περιέχουν άνθρακα σε συνθήκες που είναι σταθερά..."
Ο Ντέιβιντ Γκρινσπούν, ένας από τους επιστήμονες που το 2005 πρότειναν ότι οι υποθετικοί οργανισμοί στον Τιτάνα ίσως χρησιμοποιούν υδρογόνο και ακετυλένιο ως πηγές ενέργειας, ανέφερε την Θεωρία της Γης στο πλαίσιο της συζήτησης για τη ζωή στον Τιτάνα. Προτείνει ότι, όπως το περιβάλλον της Γης και οι οργανισμοί του έχουν εξελιχθεί από κοινού, το ίδιο πράγμα πιθανότατα συνέβη και σε άλλους κόσμους με ζωή. Σύμφωνα με την άποψη του Γκρινσπούν, οι κόσμοι που είναι "ζωντανοί από γεωλογική και μετεωρολογική άποψη είναι πολύ πιο πιθανό να είναι ζωντανοί και από βιολογική άποψη".

Πανσπερμία ή ανεξάρτητη προέλευση

Έχει προταθεί μια εναλλακτική εξήγηση για την υποθετική ύπαρξη ζωής στον Τιτάνα: αν βρεθεί ζωή στον Τιτάνα, θα μπορούσε να έχει προέλθει από την Γη με μια διαδικασία που ονομάζεται πανσπερμία. Θεωρείται ότι από τις προσκρούσεις μεγάλων αστεροειδών και κομητών στην επιφάνεια της Γης έχουν προκύψει εκατοντάδες εκατομμύρια θραύσματα πετρωμάτων με μικροβιακό φορτίο που διέφυγαν από τη Γήινη βαρύτητα. Οι υπολογισμοί δείχνουν ότι ορισμένα από αυτά θα έπεφταν σε κάποια από τα σώματα του Ηλιακού Συστήματος, όπως τον Τιτάνα. Αφετέρου, ο Τζόναθαν Λουνιν διαφώνησε λέγοντας ότι οποιοιδήποτε οργανισμοί ζουν στις κρυογονικές λίμνες υδρογονανθράκων του Τιτάνα θα έπρεπε να διαφέρουν χημικά τόσο πολύ από της Γης που θα ήταν αδύνατο να είναι ο ένας πρόγονος του άλλου. Κατά την άποψη του Λούνιν, η παρουσία οργανισμών στις λίμνες του Τιτάνα θα σήμαινε ότι στο Ηλιακό σύστημα υπάρχει μια δεύτερη, ανεξάρτητη ζωοφόρος πηγή, και άρα υπάρχουν αρκετές πιθανότητας εμφάνισης ζωής σε κατοικήσιμους κόσμους σε όλο το σύμπαν.

Αποστολές που έχουν προταθεί

Η προτεινόμενη αποστολή Θαλάσσιος Εξερευνητής του Τιτάνα  περιλαμβάνει ένα διαστημικό όχημα της τάξης του Discovery που θα βουτήξει σε μια λίμνη "και θα έχει τη δυνατότητα να ανιχνεύσει ζωή", σύμφωνα με τον αστρονόμο Κρίς Ίμπι από το Πανεπιστήμιο της Αριζόνα.
Η προτεινόμενη αποστολή Διαστημικό ελικόπτερο Dragonfly περιλαμβάνει προσγείωση σε στέρεο έδαφος και αρκετές μετακινήσεις. Πρόκειται για πρόταση του τύπου Νέων Συνόρων. Ένας στόχος της αποστολής θα ήταν να ανακαλύψει πόσο μακριά «έχουν ανέλθει τα πλούσια οργανικά του Τιτάνα στη σκάλα της ζωής». Το Dragonfly θα φέρει εξοπλισμό για την μελέτη της χημικής σύνθεσης της επιφάνειας του Τιτάνα, για δειγματοληψία της κάτω ατμόσφαιρας και αναγνώριση των πιθανών βιοδείκτων, όπως τις συγκεντρώσεις υδρογόνου.