La luna más grande de Saturno, Titán, es un semillero de moléculas orgánicas, albergando una sopa de hidrocarburos complejos similar a la que se cree que existió hace más de cuatro mil millones de años en la Tierra primordial. La superficie de Titán, sin embargo, está en una congelación profunda a –179 grados Celsius (–290 grados Fahrenheit, o 94 kelvin). La vida tal como la conocemos no puede existir en la gélida superficie de la luna.

Profundo bajo tierra, sin embargo, es un asunto diferente. Las mediciones de gravedad realizadas durante los sobrevuelos por la nave espacial Cassini de la NASA revelaron que Titán contiene un océano debajo de su capa de hielo. y dentro de este océano, las condiciones son potencialmente adecuadas para la vida.

Un equipo financiado por NAI dirigido por investigadores del Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA busca comprender mejor el potencial de vida en el océano de Titán, y su posible relación con las moléculas orgánicas en la atmósfera de la luna y en su superficie. La rica diversidad de moléculas orgánicas de Titán es producto de la luz ultravioleta del Sol que inicia reacciones químicas con los gases dominantes en la atmósfera de Titán:hidrógeno, metano y nitrógeno. Los hidrocarburos complejos resultantes podrían ser los pilares de la vida, o proporcionar nutrientes químicos de por vida, y dentro de su océano, Titán alberga un hábitat potencial para esa vida.

Dirigido por Rosaly Lopes de JPL, Los cuatro objetivos clave del equipo de NAI son determinar cómo se transportan estas moléculas orgánicas entre la atmósfera, la superficie y el océano, qué procesos ocurren dentro del océano para hacerlo habitable, qué biofirmas produce la vida oceánica, y finalmente cómo esas biofirmas se transportan de regreso a la superficie, donde pudieran ser detectados.

Planificación de proyectos

El proyecto, que ha sido financiado por la NAI durante cinco años hasta abril de 2023, se organiza en torno a las vías que toman las moléculas orgánicas y las biofirmas a través de la atmósfera y la capa de hielo que rodea el océano.

El equipo cuenta actualmente con 30 miembros distribuidos en varias instituciones. "Bajo cada objetivo tenemos varias investigaciones, y cada investigación tiene un investigador principal, ", dice Lopes. Cada investigación funciona según un cronograma, de modo que los resultados producidos por las investigaciones sobre el primer objetivo, el transporte de moléculas orgánicas, puedan alimentar los estudios de los objetivos posteriores.

"Nuestra ciencia está siguiendo las moléculas orgánicas en su camino desde la parte superior de la atmósfera donde se construyen, hacia abajo a través de la corteza y hacia el océano, y si hay biología ahí abajo, cómo esos orgánicos vuelven a la superficie y se vuelven visibles, "dice el geoquímico e investigador principal adjunto del proyecto, Mike Malaska de JPL.

Objetivo 1:Transporte

Los resultados científicos iniciales del proyecto provienen de Conor Nixon y su equipo en NASA Goddard, que han utilizado el Atacama Large Millimeter / submillimeter Array (ALMA) en Chile para estudiar el contenido químico de la atmósfera de Titán. Saber exactamente qué especies moleculares se encuentran en la atmósfera permite a los investigadores construir un modelo fotoquímico completo de la atmósfera que sienta las bases para comprender qué sustancias orgánicas pueden llegar a la superficie y potencialmente ingresar al océano.

Gran parte de nuestro conocimiento de la atmósfera de Titán proviene de la nave espacial Cassini, específicamente el instrumento espectrómetro infrarrojo CIRS. Sin embargo, dice Nixon, algunas especies moleculares eran demasiado débiles en infrarrojo para ser detectadas por CIRS, pero son mucho más brillantes para ALMA. En particular, Nixon cita varias moléculas de cianuro, CH3CN, C2H3CN y C2H5CN, que son moléculas clave que contienen nitrógeno en la atmósfera de Titán que ALMA pudo detectar. Mientras tanto, Hay muchas más especies moleculares que han sido detectadas tanto por Cassini como por ALMA. Este último ha detectado variaciones espaciales en trazas de gases orgánicos creados a través de la descomposición del metano y el nitrógeno molecular por la luz ultravioleta solar. A medida que estos gases traza se desplazan a través de la atmósfera hacia la superficie, pueden reaccionar con otras moléculas orgánicas para formar compuestos orgánicos cada vez más complejos. Por lo tanto, la variación espacial observada puede afectar la abundancia y los tipos de compuestos orgánicos en la superficie, y qué compuestos orgánicos están cerca de las vías hacia el subsuelo.

Cassini observó Titán durante medio año saturnino, desde el invierno del norte hasta el verano del norte; ahora que la misión Cassini ha terminado, ALMA podrá observar cómo cambia la atmósfera durante el resto del año de Saturno y Titán, y cómo cambia la abundancia de moléculas orgánicas con ella. Por ejemplo, El análisis de los datos de Cassini realizado por el equipo de NAI ha encontrado variaciones estacionales en los hidrocarburos C3Hx como el propano y el propino en la estratosfera de Titán.

Las investigaciones restantes como parte del Objetivo 1 implican comprender cómo se transportan las moléculas a través de la superficie después de haber precipitado fuera de la atmósfera. que es una tarea dirigida por el grupo de Alex Hayes en la Universidad de Cornell. El siguiente paso es comprender cómo se modifican los orgánicos en la superficie, y luego cómo se mueven de la superficie al océano.

Esta última consulta ha arrojado una posibilidad sorprendente. Uno de los principales resultados del proyecto hasta ahora es un artículo de Kelly Miller, Hunter Waite y el miembro del equipo NAI Christopher Glein del Southwest Research Institute en Texas, que propone que la atmósfera de nitrógeno de Titán se origina a partir de moléculas orgánicas que quedaron atrapadas dentro de Titán cuando se formó la luna, y el subsiguiente calentamiento de estos gases liberó nitrógeno que se filtró a la superficie. A los efectos del proyecto NAI, sugiere que ya hay sustancias orgánicas dentro de Titán que podrían entrar al océano desde abajo, así que incluso si los orgánicos no pueden llegar al océano desde la superficie, el océano aún podría contener los componentes básicos de la vida.

"Es posible que estos orgánicos puedan filtrarse a través del criovolcanismo, "dice Lopes, creando un posible origen también para algunos de los orgánicos en la superficie de Titán.

Objetivo 2:Habitabilidad

Si existen vías para que los orgánicos pasen a través de la capa de hielo desde la superficie hasta el océano debajo, entonces el siguiente paso es averiguar si el océano, o en cualquier lugar del hielo en el viaje al océano, es potencialmente habitable. Aquí es donde los biólogos del equipo, estudiando alta presión, organismos tolerantes al frío, ven a jugar.

Antes de que eso se pueda hacer, es necesario saber más sobre el océano. Aunque Cassini confirmó que el océano existe mediante mediciones de gravedad, "Lo que no sabemos es la composición exacta del océano, su densidad, su perfil térmico, la estructura general de la corteza helada encima, "dice Malaska.

Para comprender mejor el océano y su potencial habitabilidad, Los investigadores del equipo comienzan con varias composiciones posibles que podrían esperarse razonablemente que existan, y trabajar al revés, desarrollar modelos teóricos.

Aunque puede ser imposible explorar directamente el subsuelo profundo o el océano de Titán, el equipo de NAI tiene la intención de utilizar modelos teóricos y experimentos de laboratorio para simular las posibles condiciones, para comprender mejor la interfaz entre la capa de hielo y el océano, y el océano con el núcleo rocoso, y el flujo de oxidantes y reductores en estas interfaces que podrían soportar microbios.

Objetivo 3:Vida

Para que la vida pueda existir en o cerca del océano de Titán, debe haber una fuente de energía química para metabolizar. Sobre la base del trabajo realizado en los Objetivos 1 y 2 en relación con qué sustancias orgánicas llegan al océano y cómo es el medio ambiente del océano, el equipo podrá entonces construir modelos teóricos de cuánta energía está disponible en el océano, así como los posibles metabolismos que pudieran existir en esas condiciones, para medir la probabilidad de que la vida pueda sobrevivir allí.

Suponiendo que el océano sea habitable, con fuentes de energía química y un suministro saludable de orgánicos, el entorno de alta presión y baja temperatura puede limitar la variedad de formas de vida que podrían existir allí. Sin embargo, Un organismo terrestre que el equipo está considerando como un ejemplo adecuado es Pelobacter acetylenicus , que puede sobrevivir con acetileno como única fuente de energía metabólica y carbono.

"Nuestro objetivo es pensar en Pelobacter acetylenicus como organismo modelo, algo que podría existir en el subsuelo profundo de Titán, ", dice Malaska. Se realizarán experimentos de laboratorio, colocando microbios como Pelobacter acetylenicus en entornos simulados descritos por el modelo teórico antes mencionado para ver si los microbios pueden prosperar en ellos, para aprender cómo se adaptan para sobrevivir, y qué nuevos tipos de biomoléculas podrían resultar de estas adaptaciones. Estas biomoléculas pueden dejar entonces biofirmas:rastros moleculares de vida.

Sin embargo, mientras que la posible existencia de vida en el océano de Titán está muy bien, también necesitamos poder detectar esa vida a través de biofirmas. Comprender qué biomarcadores podría dejar la vida es, por lo tanto, la segunda parte del Objetivo 3, y se producirá una base de datos de posibles firmas biológicas, incluidos los isótopos de carbono, nitrógeno y oxígeno, así como estructuras biológicas como los lípidos en las membranas celulares.

Objetivo 4:Detección

Por supuesto, si las biofirmas permanecen en el océano, serán imposibles de detectar desde la órbita o en la superficie. Por lo tanto, el objetivo final es buscar medios por los cuales esas biofirmas puedan ser transportadas a la superficie, lo contrario de la parte del Objetivo 1 que exploró las formas en que los orgánicos podrían llegar al océano desde la superficie.

Es probable que los principales medios de transporte sean convectivos (es decir, más cálidos, fangoso) hielo que se eleva hacia arriba, o quizás criovolcanismo.

"El metano en la atmósfera es destruido por la luz ultravioleta, por lo que tiene que haber algo de reposición, "señala Lopes." Y es posible que todavía se esté produciendo la desgasificación ".

Aunque todavía no se ha detectado criovolcanismo activo en Titán, varias características de la superficie han sido identificadas como potencialmente criovolcánicas. "Ya estamos estudiando formas teóricas en las que el criovolcanismo puede transportar material, "dice Lopes, en previsión de que los resultados del objetivo 3 estén disponibles.

El transporte a la superficie también podría crear entornos habitables en el camino. Cuando Mike Malaska se refiere al subsuelo profundo, no solo se refiere al océano, pero reservorios que también podrían existir en bolsas a lo largo de las vías que el material orgánico entra y sale de la capa de hielo. En particular, él dice, entre 7 y 30 kilómetros bajo la superficie, en el límite entre la rigidez, hielo quebradizo y cuanto más dúctil, hielo más blando, donde las temperaturas y presiones serían algo similares a 2 o 3 kilómetros debajo de la Antártida, Podría haber pequeños espacios entre los granos de hielo de la capa de hielo donde microbios como Pelobacter acetylenicus podría prosperar. Estar más cerca de la superficie que la capa de hielo también podría significar que los biomarcadores resultantes de estos focos de vida subterránea podrían llegar a la superficie más fácilmente.

También plantea la cuestión de cómo las biofirmas podrían alterarse químicamente a medida que ascienden por las vías de la capa de hielo. encontrarse con diferentes entornos:agua líquida, hielo fangoso, y hielo sólido, que luego impactaría sobre lo que podríamos esperar detectar en la superficie. Finalmente, una vez que llegan a la superficie, ¿Cómo detectarán estos biomarcadores las futuras misiones a Titán? El objetivo final de la investigación es pintar una imagen de una biosfera potencial en Titán, para que los científicos sepan qué buscar, y qué diseñar instrumentos para detectar, cuando regresemos a Titán.

"Este es nuestro gran objetivo, para intentar evaluar Titán como un sistema potencialmente habitable, ", dice Malaska." Vamos a crear una lista de biomarcadores potenciales e intentaremos indicar dónde en la superficie podría ser un buen lugar para buscarlos ".

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de la revista Astrobiology Magazine de la NASA. Explore la Tierra y más allá en www.astrobio.net.