Jordliv, det eneste som vi kjenner for tiden, er basert på et stort utvalg av karbonforbindelser. I mellomtiden er dette ikke det eneste kjemiske elementet som kan ligge til grunn for livet.
Eksistensen av andre livsformer, fundamentalt forskjellige fra vår jordiske tilstedeværelse, plassering og antall poter, øyne, tenner, klør, tentakler og andre deler av kroppen er et av favorittemnene i science fiction litteratur.
Imidlertid er science fiction-forfattere ikke begrenset til dette - de kommer opp med både eksotiske former for tradisjonelt (karbon) liv og dets ikke mindre eksotiske grunnlag - for eksempel levende krystaller, kroppsløse skapninger av energifelt eller organosiliciumdyr.
I tillegg til science fiction-forfattere, er forskere også engasjert i diskusjonen av slike spørsmål, selv om de er mye mer forsiktige i sine vurderinger. Tross alt er det eneste grunnlaget for livet som er kjent for vitenskapen, karbon.
Likevel, på en gang, sa den berømte astronomen og populariseringen av vitenskapen Carl Sagan at det er helt galt å generalisere utsagn om jordisk liv i forhold til livet i hele universet. Sagan kalte slike generaliseringer for "karbonchauvinisme", mens han selv anså silisium som det mest sannsynlige alternative livsgrunnlaget.
Hovedspørsmålet om livet
Organosilicon livsform fra science fiction-serien "Star Trek"
Kampanjevideo:
Hva er livet? Det ser ut til at svaret på dette spørsmålet er åpenbart, men merkelig nok er det fortsatt diskusjoner om formelle kriterier i det vitenskapelige samfunnet. Likevel kan en rekke karakteristiske trekk skilles ut: livet må reprodusere seg selv og utvikle seg, og for dette må flere viktige betingelser være oppfylt.
For det første kreves et stort antall kjemiske forbindelser for å eksistere liv, hovedsakelig bestående av et begrenset antall kjemiske elementer. Når det gjelder organisk kjemi, er dette karbon, hydrogen, nitrogen, oksygen, svovel, og antallet slike forbindelser er enormt.
For det andre må disse forbindelsene være termodynamisk stabile eller i det minste metastabile, det vil si at deres levetid må være lang nok til å utføre forskjellige biokjemiske reaksjoner.
Den tredje betingelsen er at det må være reaksjoner for å utvinne energi fra miljøet, samt å akkumulere og frigjøre den.
For det fjerde, for selvreproduksjon av livet, kreves en arvelighetsmekanisme, der et stort aperiodisk molekyl fungerer som en bærer av informasjon.
Erwin Schrödinger foreslo at en aperiodisk krystall kunne være bærer av arvelig informasjon, og senere ble strukturen til DNA-molekylet, en lineær kopolymer, oppdaget. Til slutt må alle disse stoffene være i flytende tilstand for å sikre tilstrekkelig hastighet på metabolske reaksjoner (metabolisme) på grunn av diffusjon.
Tradisjonelle alternativer
Når det gjelder karbon, er alle disse vilkårene oppfylt, men selv med nærmeste alternativ - silisium - er situasjonen langt fra så rosenrød. Organosilikonmolekyler kan være lange nok til å bære arvelig informasjon, men mangfoldet deres er for dårlig sammenlignet med karbonorganiske stoffer - på grunn av atomenes større størrelse, danner silisium neppe dobbeltbindinger, noe som i stor grad begrenser mulighetene for å feste forskjellige funksjonelle grupper.
I tillegg er mettede hydrogensilikoner - silaner - helt ustabile. Selvfølgelig er det også stabile forbindelser som silikater, men de fleste av dem er faste stoffer under normale forhold.
Med andre elementer, som bor eller svovel, er situasjonen enda verre: organoboron og høymolekylære svovelforbindelser er ekstremt ustabile, og mangfoldet deres er for dårlig til å gi liv med alle nødvendige forhold.
Under press
"Nitrogen har aldri blitt seriøst betraktet som grunnlaget for livet, siden den eneste stabile nitrogen-hydrogenforbindelsen under normale forhold er ammoniakk NH3," sier Artem Oganov, leder for datamaskinstøttet materiallaboratorium ved MIPT, professor ved Stony Brook University i New York og Skolkovo Institute of Science and Technology (Skoltech).
Men nylig, mens vi simulerte forskjellige nitrogensystemer ved høyt trykk (opptil 800 GPa) ved hjelp av USPEX (Universal Structure Predictor: Evolutionary Xtallography) -algoritmen, oppdaget gruppen vår en utrolig ting.
Det viste seg at ved trykk over 36 GPa (360 000 atm) dukker det opp et antall stabile hydrogen nitrogen, for eksempel lange endimensjonale polymerkjeder av N4H, N3H, N2H og NH enheter, eksotisk N9H4, som danner todimensjonale ark av nitrogenatomer med påsatte NH4 + kationer, og molekylære forbindelser N8H, NH2, N3H7, NH4, NH5.
Faktisk fant vi at ved trykk i størrelsesorden 40-60 GPa overstiger nitrogen-hydrogenkjemi i dets mangfold betydelig kjemien til hydrokarbonforbindelser under normale forhold. Dette lar oss håpe at kjemien til systemer som involverer nitrogen, hydrogen, oksygen og svovel også er rikere på mangfold enn tradisjonell organisk kjemi under normale forhold."
Gå til livet
Denne hypotesen om Artem Oganovs gruppe åpner helt uventede muligheter når det gjelder en ikke-karbonbasert livsgrunnlag.
"Hydrogennitrogen kan danne lange polymerkjeder og til og med todimensjonale ark," forklarer Artem. - Nå studerer vi egenskapene til slike systemer med deltakelse av oksygen, så vil vi legge til karbon og svovel til betraktningen i modellene våre, og dette vil muligens åpne for nitrogenanaloger av karbonproteiner, om enn de enkleste, for en start, uten aktive sentre og kompleks struktur.
Spørsmålet om energikilder for livet basert på nitrogen er fremdeles åpent, selv om det godt kan være en slags redoksreaksjoner som fremdeles er ukjente for oss, og som finner sted under høytrykksforhold. I virkeligheten kan slike forhold eksistere i tarmene til gigantiske planeter som Uranus eller Neptun, selv om temperaturene der er for høye. Men så langt vet vi ikke nøyaktig hvilke reaksjoner som kan oppstå der og hvilke av dem som er viktige for livet, derfor kan vi ikke nøyaktig estimere det nødvendige temperaturområdet."
Levekår basert på nitrogenforbindelser kan virke ekstremt eksotiske for leserne. Men det er tilstrekkelig å huske det faktum at overflod av gigantiske planeter i stjernesystemer er i det minste ikke mindre enn for steinete jordlignende planeter. Og dette betyr at det er vårt, karbonliv i universet som kan vise seg å være mye mer eksotisk.
“Nitrogen er det syvende mest utbredte elementet i universet. Det er ganske mange av det i sammensetningen av gigantiske planeter som Uranus og Neptun. Det antas at nitrogen finnes der hovedsakelig i form av ammoniakk, men vår modellering viser at ved trykk over 460 GPa slutter ammoniakk å være en stabil forbindelse (slik det er under normale forhold). Så, kanskje, i tarmene til de gigantiske planetene, i stedet for ammoniakk, er det helt forskjellige molekyler, og dette er kjemien vi nå undersøker."
Nitrogen eksotisk
Ved høyt trykk danner nitrogen og hydrogen mange stabile, komplekse og uvanlige forbindelser. Kjemien til disse hydrogen-nitrogenforbindelsene er mye mer forskjellig enn hydrokarbonkjemi under normale forhold, så det er håpet at nitrogen-hydrogen-oksygen-sulfidforbindelser kan overgå organisk kjemi i rikdom.
Figuren viser strukturene N4H, N3H, N2H, NH, N9H4 (rosa - hydrogenatomer, blå - nitrogen). Den rosa rammen inneholder monomerenheter.
Stue
Det er mulig at vi på jakt etter eksotisk liv ikke trenger å fly til den andre enden av universet. I vårt eget solsystem er det to planeter med passende forhold. Både Uranus og Neptun er innhyllet i en atmosfære av hydrogen, helium og metan, og ser ut til å ha en kjerne av jern-nikkel.
Og mellom kjernen og atmosfæren er det en kappe, bestående av en varm væske - en blanding av vann, ammoniakk og metan. Det er i denne væsken ved riktig trykk på passende dybder at ammoniakknedbrytningen spådd av Artem Oganovs gruppe og dannelsen av eksotisk hydrogen nitrogen, så vel som mer komplekse forbindelser, inkludert oksygen, karbon og svovel, kan forekomme.
Neptun har også en intern varmekilde, hvis natur fremdeles ikke er klart forstått (det antas at det er radiogenisk, kjemisk eller gravitasjonsoppvarming). Dette lar oss utvide den "beboelige sonen" rundt vår (eller en annen) stjerne betydelig, langt utenfor grensene som er tilgjengelige for vårt skjøre karbonliv.
Dmitry Mamontov
