Życie ziemskie, jedyne obecnie znane nam, opiera się na ogromnej różnorodności związków węgla. Tymczasem nie jest to jedyny pierwiastek chemiczny, który może leżeć u podstaw życia.
Istnienie innych form życia, zasadniczo różniących się od naszej ziemskiej obecności, położenia i liczby łap, oczu, zębów, pazurów, macek i innych części ciała, jest jednym z ulubionych tematów literatury science fiction.
Jednak pisarze science fiction nie ograniczają się do tego - wymyślają zarówno egzotyczne formy tradycyjnego (węglowego) życia, jak i jego nie mniej egzotyczne podstawy - powiedzmy, żywe kryształy, bezcielesne stworzenia pola energetycznego lub stworzenia krzemoorganiczne.
Oprócz pisarzy science fiction, w dyskusję na ten temat zaangażowani są także naukowcy, choć oceniają ich znacznie ostrożniej. Wszakże jak dotąd jedyną dokładnie znaną nauce podstawą życia jest węgiel.
Niemniej jednak kiedyś słynny astronom i popularyzator nauki Carl Sagan powiedział, że całkowicie błędne jest uogólnianie twierdzeń o życiu ziemskim w odniesieniu do życia w całym Wszechświecie. Sagan nazwał takie uogólnienia „węglowym szowinizmem”, podczas gdy on sam uważał krzem za najbardziej prawdopodobną alternatywę dla życia.
Główne pytanie o życie
Forma życia krzemoorganiczna z serii science fiction „Star Trek”
Film promocyjny:
Czym jest życie? Wydawałoby się, że odpowiedź na to pytanie jest oczywista, ale co dziwne, w środowisku naukowym wciąż toczą się dyskusje na temat kryteriów formalnych. Niemniej jednak można wyróżnić szereg cech charakterystycznych: życie musi się rozmnażać i ewoluować, a w tym celu należy spełnić kilka ważnych warunków.
Po pierwsze, istnienie życia wymaga dużej liczby związków chemicznych, składających się głównie z ograniczonej liczby pierwiastków chemicznych. W przypadku chemii organicznej są to węgiel, wodór, azot, tlen, siarka, a takich związków jest olbrzymia.
Po drugie, związki te muszą być stabilne termodynamicznie lub co najmniej metastabilne, to znaczy ich żywotność musi być wystarczająco długa, aby mogły prowadzić różne reakcje biochemiczne.
Trzeci warunek to reakcja na wydobycie energii z otoczenia, jej gromadzenie i uwalnianie.
Po czwarte, do samo-reprodukcji życia potrzebny jest mechanizm dziedziczności, w którym duża nieokresowa cząsteczka działa jako nośnik informacji.
Erwin Schrödinger zasugerował, że nieokresowy kryształ może być nośnikiem informacji dziedzicznej, a później odkryto strukturę cząsteczki DNA, liniowego kopolimeru. Wreszcie, wszystkie te substancje muszą być w stanie ciekłym, aby zapewnić wystarczającą szybkość reakcji metabolicznych (metabolizm) w wyniku dyfuzji.
Tradycyjne alternatywy
W przypadku węgla wszystkie te warunki są spełnione, ale nawet w przypadku najbliższej alternatywy - krzemu - sytuacja wcale nie jest tak różowa. Cząsteczki krzemoorganiczne mogą być wystarczająco długie, aby przenosić informacje dziedziczne, ale ich różnorodność jest zbyt mała w porównaniu z węglowo-organicznymi - ze względu na większy rozmiar atomów krzem prawie nie tworzy wiązań podwójnych, co znacznie ogranicza możliwości przyłączania różnych grup funkcyjnych.
Ponadto nasycone wodorosilikony - silany - są całkowicie niestabilne. Oczywiście istnieją również stabilne związki, takie jak krzemiany, ale większość z nich to substancje stałe w normalnych warunkach.
W przypadku innych pierwiastków, takich jak bor czy siarka, sytuacja jest jeszcze gorsza: boroorganiczny i wielkocząsteczkowe związki siarki są wyjątkowo niestabilne, a ich różnorodność jest zbyt mała, aby zapewnić życiu wszystkie niezbędne warunki.
Pod presją
„Azot nigdy nie był poważnie traktowany jako podstawa życia, ponieważ w normalnych warunkach jedynym stabilnym związkiem azotu i wodoru jest amoniak NH3” - mówi Artem Oganov, kierownik laboratorium projektowania materiałów wspomaganych komputerowo w MIPT, profesor na Uniwersytecie Stony Brook w Nowym Jorku oraz w Skolkovo Institute of Science and Technology (Skoltech).
„Jednak ostatnio, podczas symulacji różnych systemów azotowych pod wysokim ciśnieniem (do 800 GPa) przy użyciu naszego algorytmu USPEX (Universal Structure Predictor: Evolutionary Xtallography), nasza grupa odkryła niesamowitą rzecz.
Okazało się, że przy ciśnieniach powyżej 36 GPa (360 000 atm) pojawia się szereg stabilnych azotów wodorowych, takich jak długie jednowymiarowe łańcuchy polimerowe jednostek N4H, N3H, N2H i NH, egzotyczne N9H4, które tworzą dwuwymiarowe arkusze atomów azotu z przyłączonymi kationami NH4 +, oraz związki cząsteczkowe N8H, NH2, N3H7, NH4, NH5.
W rzeczywistości stwierdziliśmy, że przy ciśnieniach rzędu 40-60 GPa, chemia azotu i wodoru w swojej różnorodności znacznie przewyższa chemię związków węglowodorowych w normalnych warunkach. To pozwala mieć nadzieję, że chemia systemów zawierających azot, wodór, tlen i siarkę jest również bogatsza w różnorodność niż tradycyjny układ organiczny w normalnych warunkach”.
Krok do życia
Ta hipoteza grupy Artema Oganova otwiera zupełnie nieoczekiwane możliwości w zakresie niewęglowych podstaw życia.
„Azot wodorowy może tworzyć długie łańcuchy polimerowe, a nawet dwuwymiarowe arkusze” - wyjaśnia Artem. - Teraz badamy właściwości takich układów z udziałem tlenu, a następnie dodamy węgiel i siarkę do rozważań w naszych modelach, a to być może otworzy drogę do analogów azotowych białek węglowych, choć na początek najprostszych, bez aktywnych centrów i złożonej struktury.
Kwestia źródeł energii do życia opartych na azocie jest wciąż otwarta, chociaż może to być jakiś rodzaj wciąż nam nieznanych reakcji redoks, zachodzących w warunkach wysokiego ciśnienia. W rzeczywistości takie warunki mogą istnieć w trzewiach gigantycznych planet, takich jak Uran czy Neptun, chociaż temperatury tam są zbyt wysokie. Ale jak dotąd nie wiemy dokładnie, jakie reakcje mogą tam zachodzić i które z nich są ważne dla życia, dlatego nie możemy dokładnie oszacować wymaganego zakresu temperatur”.
Warunki życia oparte na związkach azotu mogą wydawać się czytelnikom niezwykle egzotyczne. Wystarczy jednak przypomnieć fakt, że obfitość planet olbrzymów w układach gwiezdnych jest przynajmniej nie mniejsza niż skalistych planet podobnych do Ziemi. A to oznacza, że we Wszechświecie, który należy do nas, życie węglowe może okazać się znacznie bardziej egzotyczne.
„Azot jest siódmym najbardziej rozpowszechnionym pierwiastkiem we wszechświecie. Jest ich sporo w składzie olbrzymich planet, takich jak Uran i Neptun. Uważa się, że azot występuje tam głównie w postaci amoniaku, ale nasze modelowanie pokazuje, że przy ciśnieniach powyżej 460 GPa amoniak przestaje być związkiem trwałym (tak jak w normalnych warunkach). Więc być może we wnętrznościach gigantycznych planet zamiast amoniaku znajdują się zupełnie inne cząsteczki i właśnie to badamy teraz chemię”.
Azot egzotyczny
Pod wysokim ciśnieniem azot i wodór tworzą wiele stabilnych, złożonych i niezwykłych związków. Chemia tych związków wodoru i azotu jest znacznie bardziej zróżnicowana niż chemia węglowodorów w normalnych warunkach, więc oczekuje się, że związki azot-wodór-tlen-siarczek mogą przewyższać chemię organiczną bogactwem.
Rysunek przedstawia struktury N4H, N3H, N2H, NH, N9H4 (różowy - atomy wodoru, niebieski - azot). Jednostki monomeru są otoczone różową ramką.
Przestrzeń życiowa
Możliwe, że w poszukiwaniu egzotycznego życia nie będziemy musieli latać na drugi koniec wszechświata. W naszym Układzie Słonecznym są dwie planety o odpowiednich warunkach. Zarówno Uran, jak i Neptun są otoczone atmosferą wodoru, helu i metanu i wydają się mieć rdzeń krzemionkowo-żelazowo-niklowy.
A między jądrem a atmosferą znajduje się płaszcz, składający się z gorącej cieczy - mieszaniny wody, amoniaku i metanu. To w tej cieczy pod odpowiednimi ciśnieniami na odpowiednich głębokościach może nastąpić rozkład amoniaku przewidywany przez grupę Artema Oganova i powstanie egzotycznego azotu wodorowego, a także bardziej złożonych związków, w tym tlenu, węgla i siarki.
Neptun posiada również wewnętrzne źródło ciepła, którego natura wciąż nie jest dokładnie poznana (przyjmuje się, że jest to ogrzewanie radiogeniczne, chemiczne lub grawitacyjne). To pozwala nam znacznie rozszerzyć „ekosferę” wokół naszej (lub innej) gwiazdy, daleko poza granice dostępne dla naszego kruchego życia węglowego.
Dmitrij Mamontow