Zemaljski život, jedini koji nam je trenutno poznat, temelji se na ogromnoj raznolikosti ugljikovih spojeva. U međuvremenu, ovo nije jedini kemijski element koji može biti u osnovi života.
Postojanje drugih oblika života, koji se bitno razlikuju od naših zemaljskih, u prisutnosti, položaju i broju šapa, očiju, zuba, kandži, pipaka i drugih dijelova tijela jedna je od omiljenih tema u literaturi znanstvene fantastike.
Međutim, pisci znanstvene fantastike nisu ograničeni na to - oni dolaze i s egzotičnim oblicima tradicionalnog (ugljičnog) života i s njegovim ne manje egzotičnim temeljima - recimo, živim kristalima, bestjelesnim bićima energetskog polja ili silicijevim bićima.
Osim pisaca znanstvene fantastike, u raspravi o takvim pitanjima sudjeluju i znanstvenici, iako su puno pažljiviji u svojim procjenama. Napokon, zasad je jedina osnova života koja je nauci točno poznata ugljik.
Ipak, svojedobno je poznati astronom i popularizator znanosti Carl Sagan rekao da je potpuno pogrešno generalizirati izjave o zemaljskom životu u odnosu na život u cijelom Svemiru. Sagan je takve generalizacije nazvao "ugljičnim šovinizmom", dok je sam smatrao silicij najizglednijom alternativnom osnovom za život.
Glavno pitanje života
Organosilikonski oblik života iz znanstveno-fantastične serije "Zvjezdane staze"
Promotivni video:
Što je život? Čini se da je odgovor na ovo pitanje očit, ali koliko je čudno, u formalnoj mjeri još uvijek postoje rasprave o formalnim kriterijima. Ipak, mogu se razlikovati brojne karakteristične značajke: život se mora reproducirati i razvijati, a za to mora biti ispunjeno nekoliko važnih uvjeta.
Prvo, za postojanje života potreban je velik broj kemijskih spojeva koji se uglavnom sastoje od ograničenog broja kemijskih elemenata. U slučaju organske kemije to su ugljik, vodik, dušik, kisik, sumpor, a broj takvih spojeva je ogroman.
Drugo, ti spojevi moraju biti termodinamički stabilni ili barem metastabilni, tj. Njihov životni vijek mora biti dovoljno dug za provođenje različitih biokemijskih reakcija.
Treći je uvjet da moraju postojati reakcije za izvlačenje energije iz okoliša, kao i za njezino nakupljanje i oslobađanje.
Četvrto, za samoprodukciju života potreban je mehanizam nasljedstva u kojem velika aperiodična molekula djeluje kao nosač informacija.
Erwin Schrödinger sugerirao je da bi aperiodični kristal mogao biti nositelj nasljednih informacija, a kasnije je otkrivena i struktura molekule DNA, linearnog kopolimera. Konačno, sve ove tvari moraju biti u tekućem stanju kako bi se osigurala dovoljna brzina metaboličkih reakcija (metabolizma) uslijed difuzije.
Tradicionalne alternative
U slučaju ugljika, svi su ovi uvjeti ispunjeni, ali čak i s najbližom alternativom - silicijem - situacija daleko nije toliko ružičasta. Molekule silicijevog silicija mogu biti dovoljno dugačke da nose nasljedne informacije, ali njihova raznolikost je premala u usporedbi s organskim ugljikom - zbog veće veličine atoma silicij teško stvara dvostruke veze, što uvelike ograničava mogućnosti povezivanja različitih funkcionalnih skupina.
Uz to, zasićeni vodikovi silikoni - silani - potpuno su nestabilni. Naravno, postoje i stabilni spojevi poput silikata, ali većina njih su čvrste tvari u normalnim uvjetima.
S ostalim elementima, poput bora ili sumpora, situacija je još gora: organoboron i visoko-molekularni spojevi sumpora izuzetno su nestabilni, a njihova raznolikost je presiromašna da bi životu pružila sve potrebne uvjete.
Pod pritiskom
"Dušik nikada nije ozbiljno smatran osnovom za život, jer je u normalnim uvjetima jedini stabilni dušik-vodikov spoj amonijak NH3", kaže Artem Oganov, voditelj računarskog dizajna laboratorija materijala na MIPT-u, profesor na Sveučilištu Stony Brook u New Yorku i na Institutu za znanost i tehnologiju Skolkovo (Skoltech).
„Međutim, nedavno, simulirajući razne dušične sustave pri visokim tlakovima (do 800 GPa) pomoću našeg algoritma USPEX (Universal Structure Predictor: Evolutionary Xtallography), naša je skupina otkrila nevjerojatnu stvar.
Pokazalo se da se pri tlakovima iznad 36 GPa (360 000 atm) pojavljuje niz stabilnih vodikovih dušika, poput dugih jednodimenzionalnih polimernih lanaca N4H, N3H, N2H i NH jedinica, egzotični N9H4, koji tvore dvodimenzionalne slojeve atoma dušika s povezanim kationima NH4 +, i molekularni spojevi N8H, NH2, N3H7, NH4, NH5.
Zapravo smo otkrili da pri tlakovima reda od 40-60 GPa, kemija dušika i vodika u svojoj raznolikosti znatno premašuje kemiju ugljikovodičnih spojeva u normalnim uvjetima. To nam omogućuje da se nadamo da je kemija sustava koja uključuje dušik, vodik, kisik i sumpor također bogatija raznolikošću od tradicionalnog organskog u normalnim uvjetima."
Korak do života
Ova hipoteza skupine Artema Oganova otvara potpuno neočekivane mogućnosti u pogledu nekarbonske osnove života.
"Vodikov dušik može tvoriti duge polimerne lance, pa čak i dvodimenzionalne listove", objašnjava Artem. - Sada proučavamo svojstva takvih sustava uz sudjelovanje kisika, zatim ćemo u razmatranje u našim modelima dodati ugljik i sumpor, a to će, možda, otvoriti put dušičnim analogima ugljikovih bjelančevina, iako za početak najjednostavnijim, bez aktivnih centara i složene strukture.
Pitanje izvora energije za život na osnovi dušika i dalje je otvoreno, premda bi to mogle biti neke vrste redoks reakcija koje su nam još uvijek nepoznate i odvijaju se u uvjetima visokog tlaka. U stvarnosti takvi uvjeti mogu postojati u utrobi divovskih planeta poput Urana ili Neptuna, iako su tamo temperature previsoke. Ali zasad ne znamo točno koje se reakcije mogu tamo dogoditi i koje su od njih važne za život, stoga ne možemo točno procijeniti potreban raspon temperatura."
Životni uvjeti temeljeni na spojevima dušika čitateljima se mogu činiti izuzetno egzotično. No dovoljno je podsjetiti se na činjenicu da obilje divovskih planeta u zvjezdanim sustavima nije barem ništa manje od one na stjenovitim planetama nalik zemlji. A to znači da se naš, ugljikov život u Svemiru može pokazati puno egzotičnijim.
„Dušik je sedmi najrasprostranjeniji element u svemiru. Nema ga dosta u sastavu divovskih planeta poput Urana i Neptuna. Vjeruje se da je dušik tamo prisutan uglavnom u obliku amonijaka, ali naše modeliranje pokazuje da pri tlakovima iznad 460 GPa amonijak prestaje biti stabilan spoj (kao što je to u normalnim uvjetima). Tako da, možda, u crijevima divovskih planeta, umjesto amonijaka, postoje potpuno različite molekule, a ovo je kemija koju sada istražujemo."
Dušik egzotično
Pri visokim tlakovima dušik i vodik tvore mnoge stabilne, složene i neobične spojeve. Kemija ovih spojeva vodik-dušik mnogo je raznovrsnija od kemije ugljikovodika u normalnim uvjetima, pa se nada da spojevi dušik-vodik-kisik-sulfid mogu bogatstvom nadmašiti organsku kemiju.
Slika prikazuje strukture N4H, N3H, N2H, NH, N9H4 (ružičasta - atomi vodika, plava - dušik). Monomerne jedinice uokvirene su ružičastom bojom.
Živi prostor
Moguće je da u potrazi za egzotičnim životom nećemo morati letjeti na drugi kraj svemira. U našem vlastitom Sunčevom sustavu postoje dva planeta s prikladnim uvjetima. I Uran i Neptun su obavijeni atmosferom vodika, helija i metana, a čini se da imaju jezgru silika-željezo-nikal.
A između jezgre i atmosfere nalazi se plašt koji se sastoji od vruće tekućine - mješavine vode, amonijaka i metana. U toj tekućini pod pravim tlakom na odgovarajućim dubinama može doći do razgradnje amonijaka koju je predvidjela skupina Artema Oganova i stvaranja egzotičnog vodikovog dušika, kao i složenijih spojeva, uključujući kisik, ugljik i sumpor.
Neptun također ima unutarnji izvor topline, čija priroda još uvijek nije jasno razumljiva (pretpostavlja se da je radiogeno, kemijsko ili gravitacijsko grijanje). To nam omogućuje da značajno proširimo "nastanjivu zonu" oko naše (ili druge) zvijezde, daleko izvan granica dostupnih za naš krhki život ugljika.
Dmitrij Mamontov
