Pozemský život, jediný, ktorý nám je v súčasnosti známy, je založený na obrovskej rozmanitosti zlúčenín uhlíka. Medzitým to nie je jediný chemický prvok, ktorý môže byť základom života.
Existencia iných foriem života, ktoré sa zásadne líšia od našich pozemských, v prítomnosti, umiestnení a počte labiek, očí, zubov, pazúrov, chápadiel a iných častí tela je jednou z obľúbených tém vedecko-fantastickej literatúry.
Autori sci-fi sa však neobmedzujú iba na to - prichádzajú s oboma exotickými formami tradičného (uhlíkového) života a s jeho nemenej exotickými základmi - povedzme so živými kryštálmi, tvormi bez energetického poľa alebo organokremičitými tvormi.
Okrem autorov sci-fi sa vedci zaoberajú aj diskusiou o takýchto otázkach, aj keď sú pri hodnotení oveľa opatrnejší. Napokon, zatiaľ je jediný základ života, ktorý veda presne pozná, uhlík.
Avšak istý čas slávny astronóm a popularizátor vedy Carl Sagan povedal, že je úplne nesprávne zovšeobecňovať výroky o pozemskom živote vo vzťahu k životu v celom vesmíre. Sagan takéto zovšeobecnenia nazval „uhlíkovým šovinizmom“, zatiaľ čo on sám považoval kremík za najpravdepodobnejšiu alternatívu pre život.
Hlavná otázka života
Organokremičitá forma života zo série sci-fi „Star Trek“
Propagačné video:
Čo je život? Zdá sa, že odpoveď na túto otázku je zrejmá, ale napodiv, vo vedeckej komunite stále prebiehajú diskusie o formálnych kritériách. Napriek tomu možno rozlíšiť niekoľko charakteristických znakov: život sa musí reprodukovať a vyvíjať, a preto musí byť splnených niekoľko dôležitých podmienok.
Po prvé, existencia života si vyžaduje veľké množstvo chemických zlúčenín pozostávajúcich hlavne z obmedzeného počtu chemických prvkov. V prípade organickej chémie to je uhlík, vodík, dusík, kyslík, síra a počet takýchto zlúčenín je obrovský.
Po druhé, tieto zlúčeniny musia byť termodynamicky stabilné alebo prinajmenšom metastabilné, to znamená, že ich životnosť musí byť dostatočne dlhá na to, aby uskutočňovali rôzne biochemické reakcie.
Treťou podmienkou je, že musia existovať reakcie na extrakciu energie z prostredia, ako aj na jej akumuláciu a uvoľnenie.
Po štvrté, pre sebareprodukciu života je potrebný mechanizmus dedičnosti, v ktorom veľká neperiodická molekula funguje ako nosič informácií.
Erwin Schrödinger navrhol, že nositeľom dedičnej informácie by mohol byť neperiodický kryštál, neskôr bola objavená štruktúra molekuly DNA, lineárny kopolymér. Nakoniec musia byť všetky tieto látky v tekutom stave, aby sa zabezpečila dostatočná rýchlosť metabolických reakcií (metabolizmus) v dôsledku difúzie.
Tradičné alternatívy
V prípade uhlíka sú všetky tieto podmienky splnené, ale ani pri najbližšej alternatíve - kremíku - situácia zďaleka nie je taká ružová. Molekuly organokremíka môžu byť dostatočne dlhé na to, aby uniesli dedičné informácie, ale ich rozmanitosť je v porovnaní s uhlíkovými organickými látkami príliš slabá - kvôli väčšej veľkosti atómov kremík ťažko vytvára dvojité väzby, čo výrazne obmedzuje možnosti pripojenia rôznych funkčných skupín.
Okrem toho sú nasýtené vodíkové silikóny - silány - úplne nestabilné. Samozrejme, existujú aj stabilné zlúčeniny, ako napríklad kremičitany, ale väčšinou sú to za normálnych podmienok tuhé látky.
S ďalšími prvkami, ako je bór alebo síra, je situácia ešte horšia: organický bór a vysokomolekulárne zlúčeniny síry sú mimoriadne nestabilné a ich rozmanitosť je príliš zlá na to, aby poskytli život všetkým potrebným podmienkam.
Pod tlakom
„Dusík nikdy nebol vážne považovaný za základ života, pretože za normálnych podmienok je jedinou stabilnou zlúčeninou dusík-vodík amoniak NH3,“hovorí Artem Oganov, vedúci laboratória MIPT pre počítačový dizajn materiálov, profesor na univerzite Stony Brook v New Yorku a na Skolkovskom inštitúte vedy a techniky (Skoltech).
„Avšak nedávno, keď sme simulovali rôzne systémy dusíka pri vysokých tlakoch (až 800 GPa) pomocou nášho algoritmu USPEX (Universal Structure Predictor: Evolutionary Xtallography), naša skupina objavila úžasnú vec.
Ukázalo sa, že pri tlakoch nad 36 GPa (360 000 atm) sa objavuje množstvo stabilného vodíkového dusíka, napríklad dlhé jednorozmerné polymérne reťazce jednotiek N4H, N3H, N2H a NH, exotické N9H4, ktoré tvoria dvojrozmerné pláty atómov dusíka s pripojenými katiónmi NH4 + a molekulárne zlúčeniny N8H, NH2, N3H7, NH4, NH5.
V skutočnosti sme zistili, že pri tlakoch rádovo 40 - 60 GPa chémia dusíka a vodíka vo svojej rozmanitosti výrazne prevyšuje chémiu uhľovodíkových zlúčenín za normálnych podmienok. To nám umožňuje dúfať, že chémia systémov obsahujúcich dusík, vodík, kyslík a síru je tiež za normálnych podmienok bohatšia na rozmanitosť ako tradičná organická. “
Krok k životu
Táto hypotéza skupiny Artema Oganova otvára úplne neočakávané možnosti, pokiaľ ide o neuhlíkový základ života.
„Vodíkový dusík môže vytvárať dlhé polymérové reťazce a dokonca aj dvojrozmerné fólie,“vysvetľuje Artem. - Teraz študujeme vlastnosti takýchto systémov za účasti kyslíka, potom do úvahy v našich modeloch pridáme uhlík a síru, čo pravdepodobne otvorí cestu k dusíkovým analógom uhlíkových proteínov, aj keď pre začiatok a najjednoduchšie, bez aktívnych centier a zložitej štruktúry.
Otázka zdrojov energie pre život založených na dusíku je stále otvorená, aj keď to môže byť istý druh redoxných reakcií, ktoré sú pre nás stále neznáme a prebiehajú za vysokého tlaku. V skutočnosti môžu také podmienky existovať v útrobách obrovských planét, ako sú Urán alebo Neptún, aj keď sú tam príliš vysoké teploty. Ale zatiaľ presne nevieme, aké reakcie tam môžu nastať a ktoré z nich sú dôležité pre život, preto nemôžeme presne odhadnúť požadovaný teplotný rozsah. ““
Životné podmienky založené na zlúčeninách dusíka sa môžu čitateľom zdať mimoriadne exotické. Stačí si však spomenúť na skutočnosť, že početnosť obrovských planét v hviezdnych systémoch nie je prinajmenšom o nič menšia ako početnosť planét podobných kamennej Zemi. A to znamená, že je to náš uhlíkový život vo vesmíre, ktorý sa môže stať oveľa exotickejším.
„Dusík je siedmym najpočetnejším prvkom vo vesmíre. Je ich pomerne dosť v zložení obrovských planét ako Urán a Neptún. Predpokladá sa, že dusík sa tam nachádza hlavne vo forme amoniaku, ale naše modelovanie ukazuje, že pri tlakoch nad 460 GPa prestáva byť amoniak stabilnou zlúčeninou (ako je to za normálnych podmienok). Takže možno v útrobách obrovských planét existujú namiesto amoniaku úplne odlišné molekuly, a to je chémia, ktorú teraz skúmame. “
Dusík exotický
Pri vysokých tlakoch tvoria dusík a vodík veľa stabilných, zložitých a neobvyklých zlúčenín. Chémia týchto zlúčenín vodíka a dusíka je oveľa rozmanitejšia ako chémia uhľovodíkov za normálnych podmienok, preto sa predpokladá, že zlúčeniny dusíka, vodíka a kyslíka a sulfidu môžu bohato prekonať organickú chémiu.
Obrázok ukazuje štruktúry N4H, N3H, N2H, NH, N9H4 (ružová - atómy vodíka, modrá - dusík). Jednotky monoméru sú orámované ružovou farbou.
Životný priestor
Je možné, že pri hľadaní exotického života nebudeme musieť letieť na druhý koniec vesmíru. V našej vlastnej slnečnej sústave sú dve planéty s vhodnými podmienkami. Urán aj Neptún sú zahalené v atmosfére vodíka, hélia a metánu a zdá sa, že majú jadro kremík-železo-nikel.
A medzi jadrom a atmosférou je plášť, ktorý sa skladá z horúcej kvapaliny - zmesi vody, amoniaku a metánu. Práve v tejto tekutine pri správnych tlakoch vo vhodných hĺbkach môže dôjsť k rozkladu amoniaku predpovedaného skupinou Artema Oganova a tvorbe exotického vodíkového dusíka, ako aj zložitejších zlúčenín vrátane kyslíka, uhlíka a síry.
Neptún má tiež vnútorný zdroj tepla, ktorého podstata stále nie je jasne pochopená (predpokladá sa, že ide o rádiogénne, chemické alebo gravitačné vykurovanie). To nám umožňuje výrazne rozšíriť „obývateľnú zónu“okolo našej (alebo inej) hviezdy, ďaleko za hranice dostupné pre náš krehký uhlíkový život.
Dmitrij Mamontov