Ainoa meille tällä hetkellä tiedossa oleva maanpäällinen elämä perustuu valtavaan valikoimaan hiiliyhdisteitä. Samaan aikaan tämä ei ole ainoa kemiallinen alkuaine, joka voi olla elämän taustalla.
Muiden elämänmuotojen olemassaolo, joka eroaa pohjimmiltaan maallisista, tassujen, silmien, hampaiden, kynsien, lonkeroiden ja muiden ruumiinosien läsnä ollessa, sijainti ja lukumäärä on yksi fiktiokirjallisuuden suosituimmista aiheista.
Tieteiskirjallisuuden kirjoittajat eivät kuitenkaan rajoitu tähän - he keksivät sekä perinteisen (hiili) elämän eksoottisia muotoja että sen yhtä eksoottisia perustoja - esimerkiksi eläviä kiteitä, ruumiittomia energiakenttäolentoja tai piidioksisia olentoja.
Tieteiskirjallisuuden kirjoittajien lisäksi tutkijat osallistuvat myös tällaisten kysymysten keskusteluun, vaikka he ovatkin paljon varovaisempia arvioinnissaan. Loppujen lopuksi ainoa tieteen tiedossa oleva elämän ainoa perusta on hiili.
Kuitenkin kuuluisa tähtitieteilijä ja tieteen popularisoija Carl Sagan sanoi kerralla, että on täysin väärin yleistää lausuntoja maallisesta elämästä suhteessa koko maailmankaikkeuden elämään. Sagan kutsui tällaisia yleistyksiä "hiilisovinismiksi", kun hän itse piti piitä todennäköisimpänä vaihtoehtona elämälle.
Elämän pääkysymys
Orgaaninen pii -elämänmuoto science fiction -sarjasta "Star Trek"
Mainosvideo:
Mitä on elämä? Vaikuttaa siltä, että vastaus tähän kysymykseen on ilmeinen, mutta kummallakin tavalla tiedeyhteisössä käydään edelleen keskusteluja muodollisista kriteereistä. Siitä huolimatta voidaan erottaa joukko tunnusomaisia piirteitä: elämän on toistettava itsensä ja kehittyttävä, ja tätä varten useiden tärkeiden ehtojen on täytyttävä.
Ensinnäkin, elämän olemassaoloon tarvitaan suuri määrä kemiallisia yhdisteitä, jotka koostuvat pääasiassa rajoitetusta määrästä kemiallisia alkuaineita. Orgaanisen kemian tapauksessa nämä ovat hiili, vety, typpi, happi, rikki, ja tällaisten yhdisteiden määrä on valtava.
Toiseksi näiden yhdisteiden on oltava termodynaamisesti stabiileja tai ainakin metastabiilia, toisin sanoen niiden eliniän on oltava riittävän pitkä erilaisten biokemiallisten reaktioiden suorittamiseksi.
Kolmas ehto on, että on oltava reaktioita energian saamiseksi ympäristöstä sekä sen keräämiseksi ja vapauttamiseksi.
Neljänneksi, elämän itsensä lisääntymiseksi tarvitaan perinnöllisyysmekanismia, jossa suuri aperiodinen molekyyli toimii tiedon kantajana.
Erwin Schrödinger ehdotti, että aperiodinen kide voisi olla perinnöllisen tiedon kantaja, ja myöhemmin löydettiin DNA-molekyylin rakenne, lineaarinen kopolymeeri. Lopuksi kaikkien näiden aineiden on oltava nestemäisessä tilassa, jotta diffuusiosta johtuvat riittävät metaboliset reaktiot (metabolia) saadaan varmistettua.
Perinteiset vaihtoehdot
Hiilen osalta kaikki nämä ehdot täyttyvät, mutta edes lähimmän vaihtoehdon - piin - kohdalla tilanne ei ole läheskään niin ruusuinen. Orgaaniset piimolekyylit voivat olla riittävän pitkiä perinnöllisen tiedon kuljettamiseksi, mutta niiden monimuotoisuus on liian huono verrattuna hiiliorgaaneihin - atomien suuremman koon vuoksi pii tuskin muodostaa kaksoissidoksia, mikä rajoittaa suuresti mahdollisuuksia kiinnittää erilaisia funktionaalisia ryhmiä.
Lisäksi tyydyttyneet vety- silikonit - silaanit - ovat täysin epävakaita. Tietysti on myös stabiileja yhdisteitä, kuten silikaatit, mutta suurin osa niistä on kiinteitä aineita normaaleissa olosuhteissa.
Muiden alkuaineiden, kuten boorin tai rikin, kohdalla tilanne on vieläkin pahempi: organoboori- ja suurimolekyyliset rikkiyhdisteet ovat erittäin epävakaita, ja niiden monimuotoisuus on liian heikko, jotta elämästä saataisiin kaikki tarvittavat olosuhteet.
Paineen alla
"Typpiä ei ole koskaan pidetty vakavasti elämän perustana, koska normaaliolosuhteissa ainoa stabiili typpi-vetyyhdiste on ammoniakki NH3", sanoo Artem Oganov, MIPT: n materiaalilaboratorion johtaja, professori New Yorkin Stony Brookin yliopistosta ja Skolkovon tiede- ja teknologiainstituutista (Skoltech).
Ryhmämme löysi kuitenkin äskettäin hämmästyttävän asian, kun simuloimme erilaisia typpijärjestelmiä korkeissa paineissa (jopa 800 GPa) käyttämällä USPEX (Universal Structure Predictor: Evolutionary Xtallography) -algoritmiamme.
Kävi ilmi, että paineissa, jotka olivat yli 36 GPa (360 000 atm), ilmestyy joukko stabiilia vety typpeä, kuten N4H-, N3H-, N2H- ja NH-yksiköiden pitkät yksiulotteiset polymeeriketjut, eksoottinen N9H4, muodostaen kaksiulotteiset typpiatomislehdet kiinnittyneillä NH4 + -kationeilla, ja molekyyliyhdisteet N8H, NH2, N3H7, NH4, NH5.
Itse asiassa havaitsimme, että paineissa, jotka ovat luokkaa 40-60 GPa, typpi-vety-kemia sen monimuotoisuudessa ylittää merkittävästi hiilivetyyhdisteiden kemian normaalissa olosuhteissa. Tämän ansiosta voimme toivoa, että typpeä, vetyä, happea ja rikkiä sisältävien järjestelmien kemia on myös monimuotoisempaa kuin perinteinen orgaaninen järjestelmä normaaleissa olosuhteissa."
Askel elämään
Tämä Artem Oganovin ryhmän hypoteesi avaa täysin odottamattomia mahdollisuuksia ei-hiilipohjaisen elämän perustana.
"Vety typpi voi muodostaa pitkiä polymeeriketjuja ja jopa kaksiulotteisia levyjä", Artem selittää. - Nyt tutkitaan tällaisten järjestelmien ominaisuuksia hapen mukana, sitten lisätään malleissamme huomioitavaksi hiili ja rikki, mikä mahdollisesti avaa tien hiiliproteiinien typpianalogeille, vaikkakin aluksi ja yksinkertaisimmillekin, ilman aktiivisia keskuksia ja monimutkaista rakennetta.
Työhön perustuva elämän energialähde on edelleen avoin, vaikka se voi hyvinkin olla jonkinlainen redoksireaktio, joka on vielä tuntematon meille ja joka tapahtuu korkeassa paineessa. Todellisuudessa tällaiset olosuhteet voivat esiintyä jättimäisten planeettojen, kuten Uranuksen tai Neptunuksen, suolistossa, vaikka lämpötilat ovat siellä liian korkeita. Mutta toistaiseksi emme tiedä tarkalleen, mitä reaktioita siellä voi tapahtua ja mitkä niistä ovat tärkeitä elämälle, joten emme voi arvioida tarkasti vaadittua lämpötila-aluetta."
Typpiyhdisteisiin perustuvat elinolot saattavat tuntua lukijoille äärimmäisen eksoottisilta. Mutta riittää, että muistetaan tosiasia, että jättimäisten planeettojen runsaus tähtijärjestelmissä ei ole ainakaan vähempää kuin kivisten maan kaltaisten planeettojen. Ja tämä tarkoittaa, että maailmankaikkeudessa se on meidän, hiili-elämä voi osoittautua paljon eksoottisemmaksi.
”Typpi on maailmankaikkeuden seitsemänneksi suurin osa. Siitä on melko vähän jättiläisplaneettojen, kuten Uranuksen ja Neptunuksen, koostumuksessa. Uskotaan, että typpeä esiintyy siellä pääasiassa ammoniakin muodossa, mutta mallinnuksemme osoittaa, että yli 460 GPa: n paineissa ammoniakki lakkaa olemasta stabiili yhdiste (kuten se on normaaleissa olosuhteissa). Joten ehkä jättiläisten planeettojen suolistossa on ammoniakin sijasta täysin erilaisia molekyylejä, ja tätä kemiaa tutkimme nyt."
Typpi eksoottinen
Korkeissa paineissa typpi ja vety muodostavat monia stabiileja, monimutkaisia ja epätavallisia yhdisteitä. Näiden vety-typpiyhdisteiden kemia on paljon monimuotoisempi kuin hiilivetyjen kemia normaaleissa olosuhteissa, joten on toivottavaa, että typpi-vety-happi-sulfidiyhdisteet voivat ylittää orgaanisen kemian rikkauden.
Kuvassa on esitetty N4H, N3H, N2H, NH, N9H4 (vaaleanpunainen - vetyatomit, sininen - typpi) rakenteet. Vaaleanpunainen kehys sisältää monomeeriyksiköitä.
Elintila
On mahdollista, että etsimällä eksoottista elämää meidän ei tarvitse lentää maailmankaikkeuden toiseen päähän. Omassa aurinkokunnassamme on kaksi planeettaa sopivilla olosuhteilla. Sekä Uranus että Neptunus on peitetty vety-, helium- ja metaaniatmosfäärissä, ja niillä näyttää olevan piidioksidi-rauta-nikkeli-ydin.
Ja ytimen ja ilmakehän välissä on vaippa, joka koostuu kuumasta nesteestä - veden, ammoniakin ja metaanin seoksesta. Artem Oganovin ryhmän ennustama ammoniakin hajoaminen ja eksoottisen vetyvetyn muodostuminen sekä monimutkaisemmat yhdisteet, mukaan lukien happi, hiili ja rikki, voivat tapahtua tässä nesteessä vaadituissa paineissa sopivilla syvyyksillä.
Neptunuksella on myös sisäinen lämmönlähde, jonka luonnetta ei vieläkään ymmärretä selvästi (oletetaan, että se on radiogeeninen, kemiallinen tai painovoimainen lämmitys). Tämä antaa meille mahdollisuuden laajentaa merkittävästi "asumiskelpoista vyöhykettä" (tai muun) tähtemme ympärille, kaukana hauras hiilen elämäämme käytettävissä olevat rajat.
Dmitri Mamontov