Kopensko življenje, ki nam je trenutno edino znano, temelji na ogromno različnih ogljikovih spojin. To pa ni edini kemični element, ki je lahko osnova življenja.
Obstoj drugih oblik življenja, ki se bistveno razlikujejo od naše zemeljske prisotnosti, lokacije in števila tac, oči, zob, krempljev, lovk in drugih delov telesa, je ena izmed najljubših tem v literaturi znanstvene fantastike.
Vendar pa pisci znanstvene fantastike niso omejeni na to - pripravijo tako eksotične oblike tradicionalnega (ogljikovega) življenja kot njegove nič manj eksotične temelje - recimo žive kristale, breztelesna bitja z energijskim poljem ali organska silicijeva bitja.
Razprave o takšnih vprašanjih se poleg piscev znanstvene fantastike ukvarjajo tudi znanstveniki, čeprav so pri presojah veliko bolj previdni. Navsezadnje je edina osnova življenja, ki jo znanost natančno pozna, ogljik.
Kljub temu je nekoč slavni astronom in popularizator znanosti Carl Sagan dejal, da je povsem napačno posploševati izjave o zemeljskem življenju v povezavi z življenjem v celotnem vesolju. Sagan je takšne posplošitve poimenoval "ogljikov šovinizem", sam pa je imel silicij za najbolj verjetno alternativno osnovo za življenje.
Glavno vprašanje življenja
Organosilikonska življenjska oblika iz znanstvenofantastične serije "Zvezdne steze"
Promocijski video:
Kaj je življenje Zdi se, da je odgovor na to vprašanje očiten, a nenavadno je, da v formalni meri še vedno potekajo razprave o formalnih merilih. Kljub temu je mogoče razlikovati številne značilne lastnosti: življenje se mora reproducirati in razvijati, za to pa mora biti izpolnjenih več pomembnih pogojev.
Prvič, za obstoj življenja je potrebno veliko število kemičnih spojin, sestavljenih predvsem iz omejenega števila kemičnih elementov. V primeru organske kemije so to ogljik, vodik, dušik, kisik, žveplo in število takih spojin je ogromno.
Drugič, te spojine morajo biti termodinamično stabilne ali vsaj metastabilne, to pomeni, da mora biti njihova življenjska doba dovolj dolga za izvajanje različnih biokemijskih reakcij.
Tretji pogoj je, da morajo obstajati reakcije za pridobivanje energije iz okolja, pa tudi za njeno kopičenje in sproščanje.
Četrtič, za samorazmnoževanje življenja je potreben mehanizem dednosti, pri katerem velika aperiodična molekula deluje kot nosilec informacij.
Erwin Schrödinger je predlagal, da bi bil aperiodični kristal lahko nosilec dednih informacij, kasneje pa je bila odkrita tudi struktura molekule DNA, linearnega kopolimera. Vse te snovi morajo biti v tekočem stanju, da se zaradi difuzije zagotovi zadostna hitrost presnovnih reakcij (metabolizem).
Tradicionalne alternative
V primeru ogljika so vsi ti pogoji izpolnjeni, a tudi z najbližjo alternativo - silicijem - situacija še zdaleč ni tako rožnata. Molekule silicijevega dioksida so lahko dovolj dolge, da prenašajo dedne informacije, vendar je njihova raznolikost premajhna v primerjavi z ogljikovimi organskimi snovmi - zaradi večje velikosti atomov silicij skoraj ne tvori dvojnih vezi, kar močno omejuje možnosti vezave različnih funkcionalnih skupin.
Poleg tega so nasičeni vodikovi silikoni - silani - popolnoma nestabilni. Seveda obstajajo tudi stabilne spojine, kot so silikati, vendar je večina v običajnih pogojih trdnih snovi.
Z drugimi elementi, kot sta bor ali žveplo, je stanje še slabše: organoboronske in visoko molekularne žveplove spojine so izredno nestabilne, njihova raznolikost pa je preslaba, da bi življenju zagotovili vse potrebne pogoje.
Pod pritiskom
"Dušik nikoli ni bil resno obravnavan kot osnova za življenje, saj je v normalnih pogojih edina stabilna dušikovo-vodikova spojina amoniak NH3," pravi Artem Oganov, vodja računalniško podprtega laboratorija za materiale pri MIPT, profesor na Univerzi Stony Brook v New Yorku in na Inštitutu za znanost in tehnologijo Skolkovo (Skoltech).
»Vendar pa je nedavno skupina med simulacijo različnih dušikovih sistemov pri visokih tlakih (do 800 GPa) z našim algoritmom USPEX (Universal Structure Predictor: Evolutionary Xtallography) odkrila neverjetno stvar.
Izkazalo se je, da se pri tlakih nad 36 GPa (360.000 atm) pojavi več stabilnih vodikovih dušikov, kot so dolge enodimenzionalne polimerne verige enot N4H, N3H, N2H in NH, eksotični N9H4, ki tvorijo dvodimenzionalne liste dušikovih atomov s priloženimi kationi NH4 + in molekularne spojine N8H, NH2, N3H7, NH4, NH5.
Pravzaprav smo ugotovili, da pri tlakih reda 40-60 GPa kemija dušika in vodika v svoji raznolikosti v normalnih pogojih znatno presega kemijo ogljikovodikovih spojin. To nam daje upanje, da je tudi kemija sistemov, ki vključujejo dušik, vodik, kisik in žveplo, v običajnih razmerah bogatejša od raznolikosti kot tradicionalna organska."
Korak do življenja
Ta hipoteza skupine Artema Oganova odpira povsem nepričakovane možnosti glede ogljikove osnove življenja.
"Vodikov vodik lahko tvori dolge polimerne verige in celo dvodimenzionalne plošče," pojasnjuje Artem. - Zdaj preučujemo lastnosti takšnih sistemov s sodelovanjem kisika, nato bomo v naše modele dodali ogljik in žveplo, kar bo verjetno odprlo pot dušikovim analogom ogljikovih beljakovin, čeprav za začetek najpreprostejšim, brez aktivnih središč in kompleksne strukture.
Vprašanje energijskih virov za življenje na osnovi dušika je še vedno odprto, čeprav gre morda za nekakšne redoks reakcije, ki so nam še vedno neznane in potekajo v pogojih visokega tlaka. V resnici lahko takšni pogoji obstajajo v črevesju orjaških planetov, kot sta Uran ali Neptun, čeprav so tam temperature previsoke. Toda za zdaj ne vemo natančno, katere reakcije se lahko tam pojavijo in katere izmed njih so pomembne za življenje, zato ne moremo natančno oceniti zahtevanega temperaturnega območja."
Življenjske razmere na osnovi dušikovih spojin se bralcem morda zdijo izjemno eksotične. Toda dovolj je, da se spomnimo dejstva, da številčnost orjaških planetov v zvezdnih sistemih ni vsaj nič manjša kot v planetih, podobnih kamniti zemlji. In to pomeni, da se lahko naše, ogljikovo življenje v vesolju izkaže za veliko bolj eksotično.
»Dušik je sedmi najbolj razširjeni element v vesolju. V sestavi ogromnih planetov, kot sta Uran in Neptun, ga je kar nekaj. Verjamejo, da se tam nahaja dušik predvsem v obliki amoniaka, vendar naše modeliranje kaže, da pri tlakih nad 460 GPa amoniak preneha biti stabilna spojina (kot je v običajnih pogojih). Torej so morda v črevesju orjaških planetov namesto amoniaka povsem druge molekule in to je kemija, ki jo zdaj preiskujemo."
Dušik eksotično
Pri visokih tlakih dušik in vodik tvorita številne stabilne, kompleksne in nenavadne spojine. Kemija teh vodikov-dušikovih spojin je v običajnih pogojih veliko bolj raznolika kot kemija ogljikovodikov, zato upamo, da lahko dušik-vodik-kisikov-sulfidne spojine po bogastvu presežejo organsko kemijo.
Slika prikazuje strukture N4H, N3H, N2H, NH, N9H4 (roza - vodikovi atomi, modra - dušik). Roza okvir vsebuje monomerne enote.
Bivalni prostor
Možno je, da nam v iskanju eksotičnega življenja ne bo treba leteti na drugi konec vesolja. V našem sončnem sistemu obstajata dva planeta z ustreznimi pogoji. Tako Uran kot Neptun sta zavita v atmosfero vodika, helija in metana in imata jedro iz silicijevega železa in niklja.
In med jedrom in ozračjem je plašč, sestavljen iz vroče tekočine - mešanice vode, amoniaka in metana. V tej tekočini pod pravimi tlaki na ustreznih globinah lahko pride do razgradnje amoniaka, ki jo je napovedala skupina Artema Oganova, in nastajanja eksotičnega vodikovega dušika ter kompleksnejših spojin, vključno s kisikom, ogljikom in žveplom.
Neptun ima tudi notranji vir toplote, katerega narava še vedno ni jasno razumljena (domneva se, da gre za radiogeno, kemično ali gravitacijsko ogrevanje). To nam omogoča, da znatno razširimo "bivalno območje" okoli naše (ali druge) zvezde, daleč preko meja, ki so na voljo za naše krhko življenje ogljika.
Dmitrij Mamontov