天體生物學家專注於解決兩個中心問題，以了解生命的環境和化學極限。通過了解生命的邊界，科學家們想識別系外行星大氣和太陽系中可能的生物特徵。例如，類脂雙層膜是我們地球所知的生命先決條件。之前基於分子動力學模擬的研究表明，由含氮小分子組成的極性反轉膜，即偶氮體，可能在低溫液體世界（如土星的衛星土衛六）上具有豐富的動力學特徵。
在一項發表在《科學進展》期刊上的研究中，瑞典查爾默斯理工大學化學和化學工程系的H.Sandström和M.Rahm有了一個潛在的下一步，來研究固氮體形成的熱力學可行性。通過量子力學計算預測，與脂質雙層不同，偶氮體不能在液態水中自組裝。 由於嚴格的無水和低溫條件，土衛六上的假設天體生物學可能不需要細胞膜。 這些在預測計算天體生物學方面的努力，將對蜻蜓號任務計劃於2034年在土衛六泰坦登陸具有重要意義。
土星的衛星土衛六（泰坦）具有豐富的大氣化學成分和受季節性降雨（主要是甲烷和乙烷循環）驅動的動態表面形態。科學家們觀察了泰坦極地附近的碳氫化合物湖泊和海洋，以與地球相對於生命起源的水文循環進行比較。 然而，土衛六的表麵條件是寒冷的90到94K，與地球不同的是，土衛六最外層的表面沒有氧氣，並被其大氣光化學產物覆蓋。
研究人員還懷疑在最外層的有機層下面，存在冰凍的水冰殼。 作為最嚴格的生命極限，土衛六提供了一個獨特的環境，可以在接近太陽系最冷的低溫下，在沒有液態水的情況下。 探索大自然的化學複雜性及其進程。缺乏熱能（90K時KT=0.75kJ/mol）是土衛六上化學反應的瓶頸，而太陽光是化學反應發生的能源(0.4W/m2)。
在這項研究中，科學家們研究了非生物細胞膜形成的可能性，這是土衛六等星球生命起源的先決條件之一。 研究人員還討論了將分區作為生命中心的想法，以暗示土衛六上存在固氮體的迷人可能性。固氮體是由帶有氮頭基團和碳氫尾基小分子組成的膜，與水中正常的脂膜相比，疏水基團仍然留在固氮體膜的外部(極性反轉)，其中疏水基團通常留在內部。
研究小組利用低溫甲烷中的分子動力學溶液預測，如果這些結構是由丙烯腈(C2H3CN)製成的，它們將具有與水溶液中正常脂質雙層相似的彈性。 固氮體的可能性，進一步點燃了關於生命極限的研究。 在最初預測的兩年後，科學家們使用阿塔卡馬大毫米/亞毫米陣列(ALMA)令人印象深刻地在土衛六上探測到了丙烯腈。因為非生物和生物的正常膜和膠束，是在有利熱力學驅動下通過自的自組裝過程形成的。
科學家們研究了所提出的固氮體膜，是否也保持了與熱力學相似的生命力。 為此，科學家使用量子化學計算對固氮體的動力學持久性進行了估 計，然後在土衛六嚴格的熱力學條件下，研究了它們與假想外部生物學之間的聯繫。 在「脂質世界」或「細胞優先」假說中，膜的非生物形成促成了生命出現； 在臨界濃度以上，水中的脂質自發地自組裝形成膜和膠束等超分子結構。
在土衛六上的固氮體自組裝過程中，設想的結構需要具有動力學持久性和比相應分子晶體(分子冰)更低的熱力學能量，研究小組使用晶體分子冰作為丙烯腈自組裝的競爭者。 科學家們應用色散修正密度泛函理論(DFT)形式的量子力學計算了丙烯腈冰四相能量，與實驗衍射數據相對應。 密度泛函理論計算證實了結構中不存在虛聲子模，以確保結構的動態穩定性，並用90K下液態甲烷中基於密度泛函理論量子分子動力學模擬進一步證實了這一點。
計算考慮了與周圍甲烷環境的色散相互作用，同時考慮了泰坦表面相關條件下的熱事件和熵事件。生命起源的熱力學問題並不是土衛六所獨有；在表面生命可能是地球生命進化第一步的表面上，形成大分子所需的吉布斯能量減少了。 科學家們將計算局限於僅評估基於丙烯腈的偶氮體及其在土衛六上相 關條件下的自組裝，並表明在90K下長期存在足夠的動力學穩定性，假設由較大分子組成膜結構的動力學穩定性要低得多。
研究結果並沒有決定性地勾勒出低溫可操作膜自組裝的可能路線。不排除其他極性反轉膜的存在和相關性，這些膜是在較溫暖的碳氫化合物環境中，由更強的相互作用組分構建而成。 在沒有固氮體或其他細胞膜情況下，在低溫條件下不太可能發生控制生命的過程，儘管像土衛六這樣寒冷碳氫化合物世界上的生命也不一定需要細胞膜。 科學家們進一步指出，土衛六上任何假想有生命大分子或生命形式的關鍵機械都將只存在於固態（氮）中，永遠不會有被溶解破壞的風險。
問題仍然存在，這些生物分子是否會從細胞膜中受益。由於土衛六上的低溫條件，生物大分子可能依靠氫、乙炔或氰化氫等含能小分子的擴散來生長和複製。一層膜可能會阻礙擴散的這種好處。同樣，膜可以阻礙包括甲烷和氮在內的新陳代謝廢物去除。 相反，假想的膜也有可能保護土衛六上的生命大分子免受有害化學物質侵害。 然而，為土衛六熱驅動反應路徑計算的較窄能量範圍表明，與地球相比，只有更少的可能會破壞土衛六上的大分子。
以這種方式，固氮小體被提議能在液態甲烷中形成低溫可操作的膜，這對生物學主要理解提出了一個耐人尋味的挑戰。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，以便在可能的情況下確定合理的形成路線。 要得出化學的具體預測來支持在像土衛六上熱力學環境約束下發生的生物過程，仍然是極其困難的。 隨著感興趣的分子變得越來越複雜，對性質和形成路線（動力學和熱力學）進行可靠建模的挑戰可能變得極其困難。
科學家們計算出，固氮體膜可能在動力學上是持久的，儘管這種結構在熱力學上可能是不可行的，因為阻止了它們的自組裝（與液態水中的脂質雙層不同）。土衛六的無水和低溫環境不太可能形成細胞膜。
雖然有可能在實驗上檢驗關於固氮體膜存在或不存在的計算預測，但對益生菌化學和生物學的實際環境極限推測仍然是推測。研究小組建議對擬議的益生菌和生物結構和過程進行仔細的計算探索，以及它們的可信性，以指導未來對土衛六表面化學進行採樣。
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參考期刊《科學》《科學進展》
DOI: 10.1126/science.365.6448.15-a
DOI: 10.1126/sciadv.aax0272
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