Jordbaseret liv, det eneste, vi i øjeblikket kender, er baseret på et stort udvalg af kulstofforbindelser. I mellemtiden er dette ikke det eneste kemiske element, der kan ligge til grund for livet.
Eksistensen af andre livsformer, der fundamentalt adskiller sig fra vores jordiske tilstedeværelse, placering og antal poter, øjne, tænder, klør, tentakler og andre dele af kroppen er et af de foretrukne emner i science fiction litteratur.
Science fiction-forfattere er dog ikke begrænset til dette - de kommer op med både eksotiske former for traditionelt (kulstof) liv og dets ikke mindre eksotiske fundamenter - siger levende krystaller, ikke-legemlige energifeltvæsener eller organosilicon-væsner.
Ud over science fiction-forfattere er forskere også involveret i diskussionen af sådanne emner, skønt de er meget mere forsigtige i deres vurderinger. Indtil videre er kulstof kun det eneste livsgrundlag, som videnskaben kender præcist.
Ikke desto mindre sagde den berømte astronom og populariserende videnskab Carl Sagan på et tidspunkt, at det er helt forkert at generalisere udsagn om jordisk liv i forhold til livet i hele universet. Sagan kaldte sådanne generaliseringer for "kulstofchauvinisme", mens han selv betragtede silicium som det mest sandsynlige alternative livsgrundlag.
Livets vigtigste spørgsmål
Organosilicon livsform fra science fiction-serien "Star Trek"
Salgsfremmende video:
Hvad er livet? Det ser ud til, at svaret på dette spørgsmål er indlysende, men underligt nok er der stadig diskussioner om formelle kriterier i det videnskabelige samfund. Ikke desto mindre kan der skelnes mellem en række karakteristiske træk: livet skal reproducere sig selv og udvikle sig, og for dette skal flere vigtige betingelser være opfyldt.
For det første kræver eksistensen af liv et stort antal kemiske forbindelser, der hovedsageligt består af et begrænset antal kemiske grundstoffer. I tilfælde af organisk kemi er disse kulstof, brint, nitrogen, ilt, svovl, og antallet af sådanne forbindelser er enormt.
For det andet skal disse forbindelser være termodynamisk stabile eller i det mindste metastabile, dvs. deres levetid skal være lang nok til at udføre forskellige biokemiske reaktioner.
Den tredje betingelse er, at der skal være reaktioner for at udvinde energi fra miljøet såvel som for at akkumulere og frigive det.
For det fjerde kræves en arvelighedsmekanisme til selvreproduktion af liv, hvor et stort aperiodisk molekyle fungerer som bærer af information.
Erwin Schrödinger foreslog, at en aperiodisk krystal kunne være bæreren af arvelig information, og senere opdagedes strukturen i DNA-molekylet, en lineær copolymer. Endelig skal alle disse stoffer være i flydende tilstand for at sikre en tilstrækkelig hastighed af metaboliske reaktioner (stofskifte) på grund af diffusion.
Traditionelle alternativer
I tilfælde af kulstof er alle disse betingelser opfyldt, men selv med det nærmeste alternativ - silicium - er situationen langt fra så rosenrød. Organosiliconmolekyler kan være lange nok til at bære arvelige oplysninger, men deres mangfoldighed er for dårlig sammenlignet med carbonorganiske stoffer - på grund af atommernes større størrelse danner silicium næppe dobbeltbindinger, hvilket i høj grad begrænser mulighederne for at fastgøre forskellige funktionelle grupper.
Derudover er mættede hydrogensiliconer - silaner - fuldstændig ustabile. Selvfølgelig er der også stabile forbindelser såsom silicater, men de fleste af dem er faste stoffer under normale forhold.
Med andre grundstoffer, såsom bor eller svovl, er situationen endnu værre: organoboron og højmolekylære svovlforbindelser er ekstremt ustabile, og deres mangfoldighed er for dårlig til at give liv under alle de nødvendige forhold.
Under pres
“Kvælstof er aldrig blevet betragtet som seriøst som livsgrundlaget, da den eneste stabile nitrogen-hydrogenforbindelse under normale forhold er ammoniak NH3,” siger Artem Oganov, leder af MIPT's computerstøttede materialedesignlaboratorium, professor ved Stony Brook University i New York og Skolkovo Institute of Science and Technology (Skoltech).
”Men for nylig, mens vi simulerede forskellige nitrogensystemer ved høje tryk (op til 800 GPa) ved hjælp af vores USPEX (Universal Structure Predictor: Evolutionary Xtallography) algoritme, opdagede vores gruppe en forbløffende ting.
Det viste sig, at der ved tryk over 36 GPa (360.000 atm) vises et antal stabile hydrogen nitrogen, såsom lange endimensionelle polymerkæder af N4H, N3H, N2H og NH enheder, eksotisk N9H4, der danner todimensionale ark af nitrogenatomer med vedhæftede NH4 + kationer, og molekylære forbindelser N8H, NH2, N3H7, NH4, NH5.
Faktisk fandt vi, at ved tryk i størrelsesordenen 40-60 GPa overstiger nitrogen-hydrogen-kemi i dets mangfoldighed væsentligt kemien af carbonhydridforbindelser under normale forhold. Dette giver os mulighed for at håbe, at kemien i systemer, der involverer nitrogen, brint, ilt og svovl, også er rigere på mangfoldighed end den traditionelle organiske under normale forhold."
Gå til livet
Denne hypotese af Artem Oganovs gruppe åbner helt uventede muligheder med hensyn til et ikke-kulstofbaseret livsgrundlag.
”Brintnitrogen kan danne lange polymerkæder og endda todimensionelle plader,” forklarer Artem. - Nu studerer vi egenskaberne ved sådanne systemer med deltagelse af ilt, så vil vi tilføje kulstof og svovl til overvejelsen i vores modeller, og dette muligvis åbner vejen for nitrogenanaloger af kulstofproteiner, omend de enkleste til en start uden aktive centre og kompleks struktur.
Spørgsmålet om energikilder til nitrogenbaseret levetid er stadig åbent, selvom det meget vel kan være en slags redoxreaktioner, der stadig er ukendte for os, der finder sted under højtryksforhold. I virkeligheden kan sådanne forhold eksistere i tarmene på gigantiske planeter som Uranus eller Neptun, selvom temperaturerne der er for høje. Men indtil videre ved vi ikke nøjagtigt, hvilke reaktioner der kan forekomme der, og hvilke af dem der er vigtige for livet, derfor kan vi ikke nøjagtigt estimere det krævede temperaturområde."
Levevilkår baseret på nitrogenforbindelser kan virke ekstremt eksotiske for læserne. Men det er tilstrækkeligt at huske det faktum, at overflod af gigantiske planeter i stjernesystemer i det mindste ikke er mindre end stenede jordlignende planeter. Og det betyder, at det i universet er vores, at kulstofliv kan vise sig at være meget mere eksotisk.
”Kvælstof er det syvende mest forekommende element i universet. Der er en hel del af det i sammensætningen af gigantiske planeter som Uranus og Neptun. Det antages, at der hovedsageligt findes nitrogen i form af ammoniak, men vores modellering viser, at ammoniak ved tryk over 460 GPa ophører med at være en stabil forbindelse (som det er under normale forhold). Så måske er der i tarmene på de gigantiske planeter i stedet for ammoniak helt forskellige molekyler, og dette er den kemi, vi nu undersøger."
Kvælstof eksotisk
Ved højt tryk danner nitrogen og hydrogen mange stabile, komplekse og usædvanlige forbindelser. Kemien af disse hydrogen-nitrogenforbindelser er meget mere forskelligartet end carbonhydridkemi under normale forhold, så det er håbet, at nitrogen-hydrogen-oxygen-sulfidforbindelser kan overgå organisk kemi i rigdom.
Figuren viser strukturerne N4H, N3H, N2H, NH, N9H4 (lyserød - hydrogenatomer, blå - nitrogen). Monomerenheder er indrammet i lyserødt.
Stue
Det er muligt, at vi på jagt efter eksotisk liv ikke behøver at flyve til den anden ende af universet. I vores eget solsystem er der to planeter med passende forhold. Både Uranus og Neptun er indhyllet i en atmosfære af hydrogen, helium og methan og ser ud til at have en silica-jern-nikkel-kerne.
Og mellem kernen og atmosfæren er en kappe, der består af en varm væske - en blanding af vand, ammoniak og metan. Det er i denne væske ved det rette tryk i passende dybder, at ammoniaknedbrydningen forudsagt af Artem Oganovs gruppe og dannelsen af eksotisk brintnitrogen samt mere komplekse forbindelser, herunder ilt, kulstof og svovl, kan forekomme.
Neptun har også en intern varmekilde, hvis art stadig ikke er klart forstået (det antages, at det er radiogen, kemisk eller tyngdekraftig opvarmning). Dette giver os mulighed for betydeligt at udvide den "beboelige zone" omkring vores (eller en anden) stjerne, langt ud over de tilgængelige grænser for vores skrøbelige kulstoflevetid.
Dmitry Mamontov