土星及其最大卫星——土卫六的真彩色（图片来源：NASA， , doi: 10.1126/.）
为了解生命的环境和化学极限，天体生物学家正着力解决两大关键问题。通过理解生命的边界，他们希望识别出外星环境和太阳系内可能的生物标记；比如说脂质双层，是地球生命存在的先决条件。现有的基于分子动力学的仿真研究显示，在土卫六这样的低温液体环境中，被称为的反极化膜——由小的含氮分子组成，或许在动力学意义上含量丰富。
在最近发表于《科学进展》的一篇报告中，来自瑞典查尔姆斯理工大学化学与化学工程学院的Rahm等提出了一种可能方案，从热力学角度研究形成的可能性。通过量子力学计算，他们预测无法像脂质双层那样在液态水中完成自组装。他们认为，在严格的无水和低温环境中，细胞膜可能并非土卫六上假想生命的必需品。这些在预测计算天体生物学方面的工作，对预定于2034年着陆土卫六的蜻蜓号任务具有重要意义。
“甲烷-乙烷循环”主导的季节性降雨，造就了土卫六丰富的大气化学环境和动态的表面形态。科学家们在土卫六极地周围发现了碳氢化合物构成的湖、海，并将其与地球生命形成早期的水文循环作比较。不过，与地球不同的是，土卫六表面是90K~94K的极寒环境，最外层则覆盖着大气光化学产物，几乎不含氧气。另外，研究人员怀疑在土卫六最外层的有机质下面，可能存在冻结的水冰层。好比是关于生命极限的最严苛测试，土卫六提供了一个独特的无水和低温环境来探索自然界的化学复杂度，以及它自身在将近太阳系寿命的时间里的演化进程。
不同环境中的膜？（左图）细菌内膜的一种重要组分——磷脂酰乙醇胺双分子层的模型。（右图）膜——由丙烯腈构成的一种理论结构，与普通的脂质双层相比，它表现出了相反的极性。膜被认为可以在土卫六上的低温(90k)碳氢化合物液体中形成细胞状囊泡。 （图片来源： , doi: 10.1126/.）
土卫六上热能（90 K时热能为 0.75 kJ/mol）的缺乏是化学反应的一大瓶颈，不过，阳光可能为化学反应提供了能量(0.4 W/m2)。Rahm等在研究中提出了形成非生物细胞膜的可能，这是在土卫六这类环境中诞生生命的先决条件之一。研究人员还讨论了区域化之于生命的重要性，从而得出在土卫六上发现的这一令人神往的可能性。
是由头部为氮基、尾部为烃基的小分子构成的膜。相较于普通的脂质（单层）膜，膜的疏水基团位于外侧（反极化）——而前者的疏水基团位于内侧。通过在低温甲烷中使用分子动力学溶液，研究团队预测，如果这些结构是由丙烯腈()组成的，那么它们在水溶液中的弹性将与普通的脂质双层相似。存在的可能性进一步激发了对生命极限的讨论。距一开始的预测两年后，科学家们利用大型毫米/亚毫米阵列（ALMA）在土卫六上观测到了丙烯腈。
由于非生物及生物的普通膜和微胶粒是由良好的的热力学驱动下的自发自组装过程形成的。科学家们研究了他们提出的膜是否在热力学上也同样可行。为此，Rahm等人通过量子化学计算评估了的动力学守恒，紧接着，又讨论了在土卫六严苛的热力学环境中，假想的外星生命和的关联。
关于膜稳定性的量子化学评估。和丙烯腈晶体的相对自由能。量子力学计算预测，从热力学层面看，不是土卫六上类细胞膜自组装的可行产物。必要的组成材料丙烯腈，倒更有可能形成分子冰。图中（括号内）还标注了各自的晶型。 （图片来源： , doi: 10.1126/.）
在“脂质世界”或“细胞起源”假说中，水中超过临界浓度的脂质会自发地自组装为超分子结构，比如膜和微胶粒，膜的非生物构成引发了生命的诞生。土卫六上在自组装过程中，预期中的结构需要维持动力学守恒，且在热力学方面较相应的分子晶体（分子冰）具有更低的能量。该研究团队将晶体分子冰视作丙烯腈自组装的竞争产物。
Rahm等人在色散修正的密度泛函理论（DFT）的组成上，通过量子力学计算与实验衍射数据对应的丙烯腈冰的四种相的能量。DFT计算证实了虚声子模式的存在，这确保了结构的动力学稳定；另外，他们还证实了在90K的液体甲烷中使用基于DFT的量子分子动力学仿真（的可行性）。上述计算考虑了土卫六表面相应条件下的热、熵活动，同时考虑了与周围甲烷环境的色散作用。
关于生命起源的热力学问题并非只存在于土卫六上；在表面构成大分子所需要的吉布斯自由能会减少，因此地球生命演化的过程中，表面生命形式可能迈出了第一步。科学家们将他们的计算（条件）限制在土卫六对应的环境中——即仅有丙烯腈基的，并评估其自组装，结果显示，它们在90K环境中可以保持相当长时间的、充分的动力学稳定。由更大分子构成的假想的膜结构的动力学稳定性更低。
的动力学稳定性。左图：在CP2K（软件）中采用从头算（方法）模拟得到的溶解膜的快照。右图：在一段35皮秒的从头算模拟中，以2*2*1的 细胞的甲烷溶液为研究对象，的势能和平均势能的对照。（右图中）水平线表示1kJ/mol的丙烯腈势能的标准偏差。 （图片来源： , doi: 10.1126/.）
（上文的计算结果）没能概括出低温操作膜的自组装路径，Rahm等人也没有排除在更温暖的碳氢化合物环境中，由相互作用更强的组分构成其它反极化膜的可能性。在缺乏和其它细胞膜的低温环境下，不大可能发生生命调节过程；虽然在土卫六这样的低温碳氢环境中，细胞膜或许并非生命存在的必备条件。科学家们进一步指出，土卫六上任何假想中的生命大分子和重要的生命形成机制，只会以固态存在，而不会有被溶解而破坏的风险。
在PBE-D3理论水平上对真空条件下丙烯腈基膜进行优化后的结构。取700电子伏特的截断能和9*9*1的k点网格对膜结构进行优化。相较于丙烯腈冰的Pna21晶型，膜的能量见上文给出的“（kJ/mol ）”图（本文上一幅图右图）。 （图片来源： , doi: 10.1126/.）
问题在于这些生物分子能否因细胞膜获益。考虑到土卫六上的低温环境，生物大分子可能要依赖氢、乙炔和氰化氢这类小能量分子的扩散完成生长和复制，而膜或许会阻碍扩散作用。类似地，膜也可能阻碍新陈代谢中废物的转运，比如甲烷和氮（的转运）。相反，假想中的细胞膜也可能保护土卫六上的生物大分子不受化学伤害。然而计算表明，相较于地球，土卫六上热驱动反应路径对应的能量通道狭窄，几乎没有什么物质能危害到大分子。
从一方面看，上文提到的能够在液态甲烷中实现低温操作的膜，对生物学主流观点提出了一个有趣的挑战。该分子强调了在计算天体生物学中跟踪预测分子性质的重要性，这样可以最大概率识别出可能的合成路径。（即便如此），仍然难以得到具体的化学预测来支持出现在土卫六这类严苛热力学环境中的生物学过程。随着（预测的）分子变得越来越复杂，想要可靠地模拟它们的性质和（动力学及热力学）合成路径将极为困难。
Rahm等的计算表明，虽然膜结构在热力学上不可行——无法完成自组装（不像液态水中的脂质双层），但却是动力学稳定的。他们认为，在土卫六这样的无水和低温环境中不可能形成细胞膜。尽管有可能通过实验检测计算预测的膜是否存在，但对生命起源前真实的化学和生物极限的推测仍然只是推测。该研究团队建议对他们提出的“生命起源前的生物结构与过程”及其合理性进行仔细的计算探索，以指导未来对土卫六表面化学的原位取样。
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