土星及其最大衛星——土衛六的真彩色（圖片來源：NASA， Science Advances, doi: 10.1126/sciadv.aax0272）
為了解生命的環境和化學極限，天體生物學家正著力解決兩大關鍵問題。通過理解生命的邊界，他們希望識別出外星環境和太陽系內可能的生物標記；比如說脂質雙層，是地球生命存在的先決條件。現有的基於分子動力學的仿真研究顯示，在土衛六這樣的低溫液體環境中，被稱為azotosomes的反極化膜——由小的含氮分子組成，或許在動力學意義上含量豐富。
在最近發表於《科學進展》的一篇報告中，來自瑞典查爾姆斯理工大學化學與化學工程學院的Rahm等提出了一種可能方案，從熱力學角度研究形成azotosomes的可能性。通過量子力學計算，他們預測azotosomes無法像脂質雙層那樣在液態水中完成自組裝。他們認為，在嚴格的無水和低溫環境中，細胞膜可能並非土衛六上假想生命的必需品。這些在預測計算天體生物學方面的工作，對預定於2034年著陸土衛六的蜻蜓號任務具有重要意義。
「甲烷-乙烷循環」主導的季節性降雨，造就了土衛六豐富的大氣化學環境和動態的表面形態。科學家們在土衛六極地周圍發現了碳氫化合物構成的湖、海，並將其與地球生命形成早期的水文循環作比較。不過，與地球不同的是，土衛六表面是90K~94K的極寒環境，最外層則覆蓋著大氣光化學產物，幾乎不含氧氣。另外，研究人員懷疑在土衛六最外層的有機質下面，可能存在凍結的水冰層。好比是關於生命極限的最嚴苛測試，土衛六提供了一個獨特的無水和低溫環境來探索自然界的化學複雜度，以及它自身在將近太陽系壽命的時間裡的演化進程。
不同環境中的膜？（左圖）細菌內膜的一種重要組分——磷脂醯乙醇胺雙分子層的模型。（右圖）azotosome膜——由丙烯腈構成的一種理論結構，與普通的脂質雙層相比，它表現出了相反的極性。Azotosome膜被認為可以在土衛六上的低溫(90k)碳氫化合物液體中形成細胞狀囊泡。 （圖片來源：Science Advances, doi: 10.1126/sciadv.aax0272）
土衛六上熱能（90 K時熱能為 0.75 kJ/mol）的缺乏是化學反應的一大瓶頸，不過，陽光可能為化學反應提供了能量(0.4 W/m2)。Rahm等在研究中提出了形成非生物細胞膜的可能，這是在土衛六這類環境中誕生生命的先決條件之一。研究人員還討論了區域化之於生命的重要性，從而得出在土衛六上發現azotosomes的這一令人神往的可能性。
Azotosomes是由頭部為氮基、尾部為烴基的小分子構成的膜。相較於普通的脂質（單層）膜，azotosomes膜的疏水基團位於外側（反極化）——而前者的疏水基團位於內側。通過在低溫甲烷中使用分子動力學溶液，研究團隊預測，如果這些結構是由丙烯腈(C2H3CN)組成的，那麼它們在水溶液中的彈性將與普通的脂質雙層相似。Azotosomes存在的可能性進一步激發了對生命極限的討論。距一開始的預測兩年後，科學家們利用Atacama大型毫米/亞毫米陣列（ALMA）在土衛六上觀測到了丙烯腈。
由於非生物及生物的普通膜和微膠粒是由良好的的熱力學驅動下的自發自組裝過程形成的。科學家們研究了他們提出的azotosome膜是否在熱力學上也同樣可行。為此，Rahm等人通過量子化學計算評估了azotosomes的動力學守恆，緊接著，又討論了在土衛六嚴苛的熱力學環境中，假想的外星生命和azotosomes的關聯。
關於膜穩定性的量子化學評估。Azotosomes和丙烯腈晶體的相對自由能。量子力學計算預測，從熱力學層面看，azotosomes不是土衛六上類細胞膜自組裝的可行產物。必要的組成材料丙烯腈，倒更有可能形成分子冰。圖中（括號內）還標註了各自的晶型。 （圖片來源：Science Advances, doi: 10.1126/sciadv.aax0272）
在「脂質世界」或「細胞起源」假說中，水中超過臨界濃度的脂質會自發地自組裝為超分子結構，比如膜和微膠粒，膜的非生物構成引發了生命的誕生。土衛六上azotosomes在自組裝過程中，預期中的結構需要維持動力學守恆，且在熱力學方面較相應的分子晶體（分子冰）具有更低的能量。該研究團隊將晶體分子冰視作丙烯腈自組裝的競爭產物。
Rahm等人在色散修正的密度泛函理論（DFT）的組成上，通過量子力學計算與實驗衍射數據對應的丙烯腈冰的四種相的能量。DFT計算證實了虛聲子模式的存在，這確保了結構的動力學穩定；另外，他們還證實了在90K的液體甲烷中使用基於DFT的量子分子動力學仿真（的可行性）。上述計算考慮了土衛六表面相應條件下的熱、熵活動，同時考慮了與周圍甲烷環境的色散作用。
關於生命起源的熱力學問題並非只存在於土衛六上；在表面構成大分子所需要的吉布斯自由能會減少，因此地球生命演化的過程中，表面生命形式可能邁出了第一步。科學家們將他們的計算（條件）限制在土衛六對應的環境中——即僅有丙烯腈基的azotosome，並評估其自組裝，結果顯示，它們在90K環境中可以保持相當長時間的、充分的動力學穩定。由更大分子構成的假想的膜結構的動力學穩定性更低。
Azotosome的動力學穩定性。左圖：在CP2K（軟體）中採用從頭算（方法）模擬得到的溶解膜的快照。右圖：在一段35皮秒的從頭算模擬中，以2*2*1的 azotosome細胞的甲烷溶液為研究對象，azotosome的勢能和平均勢能的對照。（右圖中）水平線表示1kJ/mol的丙烯腈勢能的標準偏差。 （圖片來源：Science Advances, doi: 10.1126/sciadv.aax0272）
（上文的計算結果）沒能概括出低溫操作膜的自組裝路徑，Rahm等人也沒有排除在更溫暖的碳氫化合物環境中，由相互作用更強的組分構成其它反極化膜的可能性。在缺乏azotosomes和其它細胞膜的低溫環境下，不大可能發生生命調節過程；雖然在土衛六這樣的低溫碳氫環境中，細胞膜或許並非生命存在的必備條件。科學家們進一步指出，土衛六上任何假想中的生命大分子和重要的生命形成機制，只會以固態存在，而不會有被溶解而破壞的風險。
在PBE-D3理論水平上對真空條件下丙烯腈基膜進行優化後的結構。取700電子伏特的截斷能和9*9*1的k點網格對膜結構進行優化。相較於丙烯腈冰的Pna21晶型，膜的能量見上文給出的「（kJ/mol acrylonitrile）」圖（本文上一幅圖右圖）。 （圖片來源：Science Advances, doi: 10.1126/sciadv.aax0272）
問題在於這些生物分子能否因細胞膜獲益。考慮到土衛六上的低溫環境，生物大分子可能要依賴氫、乙炔和氰化氫這類小能量分子的擴散完成生長和複製，而膜或許會阻礙擴散作用。類似地，膜也可能阻礙新陳代謝中廢物的轉運，比如甲烷和氮（的轉運）。相反，假想中的細胞膜也可能保護土衛六上的生物大分子不受化學傷害。然而計算表明，相較於地球，土衛六上熱驅動反應路徑對應的能量通道狹窄，幾乎沒有什麼物質能危害到大分子。
從一方面看，上文提到的能夠在液態甲烷中實現低溫操作的azotosomes膜，對生物學主流觀點提出了一個有趣的挑戰。該分子強調了在計算天體生物學中跟蹤預測分子性質的重要性，這樣可以最大概率識別出可能的合成路徑。（即便如此），仍然難以得到具體的化學預測來支持出現在土衛六這類嚴苛熱力學環境中的生物學過程。隨著（預測的）分子變得越來越複雜，想要可靠地模擬它們的性質和（動力學及熱力學）合成路徑將極為困難。
Rahm等的計算表明，雖然azotosome膜結構在熱力學上不可行——無法完成自組裝（不像液態水中的脂質雙層），但卻是動力學穩定的。他們認為，在土衛六這樣的無水和低溫環境中不可能形成細胞膜。儘管有可能通過實驗檢測計算預測的azotosome膜是否存在，但對生命起源前真實的化學和生物極限的推測仍然只是推測。該研究團隊建議對他們提出的「生命起源前的生物結構與過程」及其合理性進行仔細的計算探索，以指導未來對土衛六表面化學的原位取樣。
作者：Thamarasee Jeewandara
翻譯：張宇哲
審校：董子晨曦
引進來源：Science X Network
引進連結：https://phys.org/news/2020-02-polarity-inverted-membranes-self-assemble-saturn-moon.html