Pozemský život, jediný, který je nám v současné době znám, je založen na obrovské rozmanitosti sloučenin uhlíku. Mezitím to není jediný chemický prvek, který může být základem života.
Existence jiných forem života, které se zásadně liší od naší pozemské přítomnosti, umístění a počtu tlapek, očí, zubů, drápů, chapadel a dalších částí těla, je jedním z oblíbených témat ve sci-fi literatuře.
Autoři sci-fi se však neomezují jen na toto - přicházejí s oběma exotickými formami tradičního (uhlíkového) života a jeho neméně exotickými základy - řekněme živé krystaly, stvoření bez energetického pole nebo organokřemičitá stvoření.
Vedle autorů sci-fi se vědci také zabývají diskusí o těchto otázkách, i když jsou při hodnocení mnohem opatrnější. Koneckonců, dosud jediným základem života, který je vědě přesně znám, je uhlík.
Avšak slavný astronom a popularizátor vědy Carl Sagan najednou prohlásil, že je zcela nesprávné zobecňovat výroky o pozemském životě ve vztahu k životu v celém vesmíru. Sagan nazval tato zevšeobecňování „uhlíkovým šovinismem“, zatímco on sám považoval křemík za nejpravděpodobnější alternativní základ pro život.
Hlavní otázka života
Organokřemičitá forma života ze sci-fi seriálu "Star Trek"
Propagační video:
Co je život? Zdá se, že odpověď na tuto otázku je zřejmá, ale kupodivu ve vědecké komunitě stále existují diskuse o formálních kritériích. Lze však rozlišit řadu charakteristických rysů: život se musí reprodukovat a vyvíjet, a proto musí být splněno několik důležitých podmínek.
Zaprvé, pro existenci života je zapotřebí velké množství chemických sloučenin, které se skládají hlavně z omezeného počtu chemických prvků. V případě organické chemie to jsou uhlík, vodík, dusík, kyslík, síra a počet takových sloučenin je obrovský.
Zadruhé musí být tyto sloučeniny termodynamicky stabilní nebo alespoň metastabilní, to znamená, že jejich životnost musí být dostatečně dlouhá, aby bylo možné provádět různé biochemické reakce.
Třetí podmínkou je, že musí existovat reakce na extrakci energie z prostředí, na její akumulaci a uvolnění.
Za čtvrté, pro vlastní reprodukci života je vyžadován mechanismus dědičnosti, ve kterém velká aperiodická molekula působí jako nosič informací.
Erwin Schrödinger navrhl, že aperiodický krystal by mohl být nositelem dědičné informace, a později byla objevena struktura molekuly DNA, lineární kopolymer. Nakonec musí být všechny tyto látky v kapalném stavu, aby byla zajištěna dostatečná rychlost metabolických reakcí (metabolismu) v důsledku difúze.
Tradiční alternativy
V případě uhlíku jsou všechny tyto podmínky splněny, ale ani u nejbližší alternativy - křemíku - situace zdaleka není tak růžová. Molekuly organokřemíku mohou být dostatečně dlouhé na to, aby přenášely dědičné informace, ale jejich rozmanitost je ve srovnání s uhlíkovými organickými látkami příliš nízká - kvůli větší velikosti atomů křemík stěží tvoří dvojné vazby, což značně omezuje možnosti připojení různých funkčních skupin.
Kromě toho jsou nasycené vodíkové silikony - silany - zcela nestabilní. Samozřejmě existují také stabilní sloučeniny, jako jsou křemičitany, ale většina z nich jsou za normálních podmínek pevné látky.
U jiných prvků, jako je bór nebo síra, je situace ještě horší: organoboron a vysokomolekulární sloučeniny síry jsou extrémně nestabilní a jejich rozmanitost je příliš špatná, aby zajistila život za všech nezbytných podmínek.
Pod tlakem
„Dusík nebyl nikdy vážně považován za základ pro život, protože za normálních podmínek je jedinou stabilní sloučeninou dusík-vodík amoniak NH3,“říká Artem Oganov, vedoucí laboratoře MIPT pro počítačový design materiálů, profesor na univerzitě Stony Brook v New Yorku a na Skolkovském institutu vědy a technologie (Skoltech).
„Nedávno však při simulaci různých dusíkových systémů při vysokých tlacích (až 800 GPa) pomocí našeho algoritmu USPEX (Universal Structure Predictor: Evolutionary Xtallography) objevila úžasná věc.
Ukázalo se, že při tlacích nad 36 GPa (360 000 atm) se objevuje řada stabilního vodíkového dusíku, jako jsou dlouhé jednorozměrné polymerní řetězce jednotek N4H, N3H, N2H a NH, exotické N9H4, které tvoří dvourozměrné vrstvy atomů dusíku s připojenými kationty NH4 + a molekulární sloučeniny N8H, NH2, N3H7, NH4, NH5.
Ve skutečnosti jsme zjistili, že při tlacích řádově 40-60 GPa chemie dusíku a vodíku ve své rozmanitosti významně převyšuje chemii uhlovodíkových sloučenin za normálních podmínek. To nám umožňuje doufat, že chemie systémů zahrnujících dusík, vodík, kyslík a síru je také za normálních podmínek bohatší na rozmanitost než tradiční organická. “
Krok k životu
Tato hypotéza skupiny Artema Oganova otevírá zcela neočekávané možnosti, pokud jde o neuhlíkovou základnu života.
„Vodíkový dusík může tvořit dlouhé polymerní řetězce a dokonce i dvourozměrné fólie,“vysvětluje Artem. - Nyní studujeme vlastnosti těchto systémů za účasti kyslíku, poté do úvahy v našich modelech přidáme uhlík a síru, což pravděpodobně otevře cestu dusíkovým analogům uhlíkových proteinů, i když pro začátek, i když nejjednodušším, bez aktivních center a složité struktury.
Otázka zdrojů energie pro život na základě dusíku je stále otevřená, i když se může jednat o nějaký druh redoxních reakcí, které jsou pro nás stále neznámé a probíhají za podmínek vysokého tlaku. Ve skutečnosti mohou takové podmínky existovat v útrobách obřích planet, jako je Uran nebo Neptun, i když teploty jsou tam příliš vysoké. Ale zatím přesně nevíme, jaké reakce tam mohou nastat a které z nich jsou důležité pro život, proto nemůžeme přesně odhadnout požadovaný teplotní rozsah. “
Životní podmínky založené na sloučeninách dusíku se čtenářům mohou zdát extrémně exotické. Stačí si však připomenout skutečnost, že hojnost obřích planet ve hvězdných systémech není přinejmenším o nic menší než počet planet podobných skalnatým zemím. A to znamená, že je to náš uhlíkový život ve vesmíru, který může být mnohem exotičtější.
"Dusík je sedmým nejhojnějším prvkem ve vesmíru." Je jich poměrně málo ve složení obřích planet, jako je Uran a Neptun. Předpokládá se, že dusík se tam nachází hlavně ve formě amoniaku, ale naše modelování ukazuje, že při tlacích nad 460 GPa přestává být amoniak stabilní sloučeninou (jak je tomu za normálních podmínek). Možná tedy v útrobách obřích planet místo amoniaku existují úplně jiné molekuly, a to je chemie, kterou nyní zkoumáme. “
Dusík exotický
Při vysokých tlacích tvoří dusík a vodík mnoho stabilních, složitých a neobvyklých sloučenin. Chemie těchto sloučenin vodíku a dusíku je mnohem rozmanitější než chemie uhlovodíků za normálních podmínek, takže se doufá, že sloučeniny dusíku, vodíku, kyslíku a sirníku mohou bohatě předčit organickou chemii.
Obrázek ukazuje struktury N4H, N3H, N2H, NH, N9H4 (růžová - atomy vodíku, modrá - dusík). Růžový rámeček obsahuje monomerní jednotky.
Obytný prostor
Je možné, že při hledání exotického života nebudeme muset letět na druhý konec vesmíru. V naší vlastní sluneční soustavě existují dvě planety s vhodnými podmínkami. Uran i Neptun jsou zahaleny v atmosféře vodíku, helia a metanu a zdá se, že mají jádro křemík-železo-nikl.
A mezi jádrem a atmosférou je plášť, který se skládá z horké kapaliny - směsi vody, amoniaku a metanu. Právě v této kapalině při správných tlacích ve vhodných hloubkách může nastat rozklad amoniaku předpovídaný skupinou Artema Oganova a tvorba exotického vodíkového dusíku, jakož i složitějších sloučenin, včetně kyslíku, uhlíku a síry.
Neptun má také vnitřní zdroj tepla, jehož povaha stále není jasně pochopena (předpokládá se, že se jedná o radiogenní, chemické nebo gravitační ohřev). To nám umožňuje výrazně rozšířit „obyvatelnou zónu“kolem naší (nebo jiné) hvězdy, daleko za limity dostupné pro náš křehký uhlíkový život.
Dmitrij Mamontov