Viața terestră, singura pe care o cunoaștem în prezent, se bazează pe o mare varietate de compuși ai carbonului. Între timp, acesta nu este singurul element chimic care poate sta la baza vieții.
Existența altor forme de viață, fundamental diferite de prezența noastră pământească, localizarea și numărul de labe, ochi, dinți, gheare, tentacule și alte părți ale corpului este unul dintre subiectele preferate în literatura științifico-fantastică.
Cu toate acestea, scriitorii de ficțiune științifică nu se limitează la acest lucru - vin cu atât forme exotice ale vieții tradiționale (de carbon), cât și fundațiile nu mai puțin exotice ale acesteia - să spunem, cristale vii, creaturi de câmp energetic fără corp sau creaturi organosilicice.
Pe lângă scriitorii de știință-ficțiune, oamenii de știință sunt implicați și în discuția unor astfel de probleme, deși sunt mult mai atenți în evaluările lor. La urma urmei, până acum singura bază a vieții care este cunoscută tocmai de știință este carbonul.
Cu toate acestea, la un moment dat celebrul astronom și popularizator al științei Carl Sagan a spus că este complet greșit să generalizăm afirmațiile despre viața pământească în raport cu viața din întregul Univers. Sagan a numit astfel de generalizări „șovinismul carbonului”, în timp ce el însuși considera siliciul ca fiind cea mai probabilă bază alternativă pentru viață.
Principala întrebare a vieții
Forma de viață a organosiliciului din seria științifico-fantastică „Star Trek”
Video promotional:
Ce este viața? S-ar părea că răspunsul la această întrebare este evident, dar, în mod ciudat, există încă discuții despre criteriile formale în comunitatea științifică. Cu toate acestea, se pot distinge o serie de trăsături caracteristice: viața trebuie să se autoreproducă și să evolueze și, pentru aceasta, trebuie îndeplinite mai multe condiții importante.
În primul rând, pentru existența vieții, este necesar un număr mare de compuși chimici, constând în principal dintr-un număr limitat de elemente chimice. În cazul chimiei organice, aceștia sunt carbon, hidrogen, azot, oxigen, sulf, iar numărul acestor compuși este enorm.
În al doilea rând, acești compuși trebuie să fie stabili termodinamic sau cel puțin metastabili, adică durata lor de viață trebuie să fie suficient de lungă pentru a efectua diferite reacții biochimice.
A treia condiție este că trebuie să existe reacții pentru a extrage energia din mediu, precum și pentru a o acumula și elibera.
În al patrulea rând, pentru auto-reproducerea vieții, este necesar un mecanism de ereditate, în care o moleculă aperiodică mare acționează ca un purtător de informații.
Erwin Schrödinger a sugerat că un cristal aperiodic ar putea fi purtătorul informațiilor ereditare, iar ulterior s-a descoperit structura moleculei de ADN, un copolimer liniar. În cele din urmă, toate aceste substanțe trebuie să fie în stare lichidă pentru a asigura o rată suficientă de reacții metabolice (metabolism) datorită difuziei.
Alternative tradiționale
În cazul carbonului, toate aceste condiții sunt îndeplinite, dar chiar și cu cea mai apropiată alternativă - siliciu - situația este departe de a fi atât de roz. Moleculele de organosilici pot fi suficient de lungi pentru a transporta informații ereditare, dar diversitatea lor este prea slabă în comparație cu organice din carbon - din cauza dimensiunii mai mari a atomilor, siliciul formează cu greu legături duble, ceea ce limitează foarte mult posibilitățile de atașare a diferitelor grupuri funcționale.
În plus, hidrogen silicoanele saturate - silanii - sunt complet instabile. Desigur, există și compuși stabili, cum ar fi silicații, dar majoritatea sunt substanțe solide în condiții normale.
Cu alte elemente, cum ar fi borul sau sulful, situația este și mai gravă: organoboronul și compușii cu sulf cu conținut molecular ridicat sunt extrem de instabili, iar diversitatea lor este prea slabă pentru a oferi vieții toate condițiile necesare.
Sub presiune
„Azotul nu a fost niciodată considerat în mod serios ca bază pentru viață, întrucât în condiții normale singurul compus stabil azot-hidrogen este amoniacul NH3”, spune Artem Oganov, șeful laboratorului de proiectare a materialelor asistate de computer al MIPT, profesor la Universitatea Stony Brook din New York și la Institutul de Știință și Tehnologie Skolkovo (Skoltech).
„Cu toate acestea, recent, în timp ce simulam diverse sisteme de azot la presiuni ridicate (până la 800 GPa) folosind algoritmul nostru USPEX (Universal Structure Predictor: Evolutionary Xtallography), grupul nostru a descoperit un lucru uimitor.
S-a dovedit că la presiuni peste 36 GPa (360.000 atm), apare un număr de azot hidrogen stabil, precum lanțuri polimerice unidimensionale lungi de unități N4H, N3H, N2H și NH, N9H4 exotice, formând foi bidimensionale de atomi de azot cu cationi NH4 + atașați și compuși moleculari N8H, NH2, N3H7, NH4, NH5.
De fapt, am constatat că, la presiuni de ordinul 40-60 GPa, chimia azotului-hidrogenului în diversitatea sa depășește semnificativ chimia compușilor hidrocarbonati în condiții normale. Acest lucru ne permite să sperăm că chimia sistemelor care implică azot, hidrogen, oxigen și sulf este, de asemenea, mai bogată în diversitate decât cea organică tradițională în condiții normale."
Pas către viață
Această ipoteză a grupului lui Artem Oganov deschide posibilități complet neașteptate în ceea ce privește o bază de viață non-carbonică.
„Azotul cu hidrogen poate forma lanțuri polimerice lungi și chiar foi bidimensionale”, explică Artem. - Acum studiem proprietățile unor astfel de sisteme cu participarea oxigenului, apoi vom adăuga carbon și sulf la considerațiile din modelele noastre, iar acest lucru, eventual, va deschide calea către analogii de azot ai proteinelor de carbon, deși cei mai simpli pentru început, fără centre active și structură complexă.
Problema surselor de energie pentru viața pe bază de azot este încă deschisă, deși ar putea fi un fel de reacții redox încă necunoscute pentru noi, care au loc în condiții de presiune ridicată. În realitate, astfel de condiții pot exista în intestinele unor planete uriașe precum Uranus sau Neptun, deși temperaturile de acolo sunt prea ridicate. Dar până acum nu știm exact ce reacții pot apărea acolo și care dintre ele sunt importante pentru viață, prin urmare nu putem estima cu precizie intervalul de temperatură necesar."
Condițiile de viață bazate pe compuși de azot pot părea extrem de exotice cititorilor. Dar este suficient să ne reamintim faptul că abundența planetelor uriașe din sistemele stelare este cel puțin nu mai puțin decât cea a planetelor asemănătoare pământului stâncos. Și asta înseamnă că în Univers este al nostru, viața carbonului se poate dovedi mult mai exotică.
„Azotul este al șaptelea cel mai abundent element din univers. Există destul de multe în compoziția planetelor uriașe, cum ar fi Uranus și Neptun. Se crede că azotul se găsește acolo în principal sub formă de amoniac, dar modelarea noastră arată că la presiuni peste 460 GPa, amoniacul încetează să mai fie un compus stabil (deoarece este în condiții normale). Deci, poate, în intestinele planetelor uriașe, în loc de amoniac, există molecule complet diferite, iar aceasta este chimia pe care o investigăm acum.
Azot exotic
La presiuni ridicate, azotul și hidrogenul formează mulți compuși stabili, complecși și neobișnuiți. Chimia acestor compuși hidrogen-azot este mult mai diversă decât chimia hidrocarburilor în condiții normale, astfel încât se speră că compușii azot-hidrogen-oxigen-sulf pot depăși chimia organică în bogăție.
Figura arată structurile N4H, N3H, N2H, NH, N9H4 (roz - atomi de hidrogen, albastru - azot). Unitățile de monomeri sunt încadrate în roz.
Spațiu de locuit
Este posibil ca în căutarea unei vieți exotice să nu fim nevoiți să zburăm spre celălalt capăt al universului. În propriul nostru sistem solar, există două planete cu condiții adecvate. Atât Uranus, cât și Neptun sunt învăluite într-o atmosferă de hidrogen, heliu și metan și par să aibă un miez silice-fier-nichel.
Și între miez și atmosferă este o manta, formată dintr-un lichid fierbinte - un amestec de apă, amoniac și metan. În acest lichid, la presiunile potrivite, la adâncimile corespunzătoare, se poate produce descompunerea amoniacului prezisă de grupul lui Artem Oganov și formarea de azot hidrogen exotic, precum și a compușilor mai complecși, inclusiv oxigen, carbon și sulf.
Neptun are, de asemenea, o sursă internă de căldură, a cărei natură nu este încă înțeleasă în mod clar (se presupune că este încălzire radiogenică, chimică sau gravitațională). Acest lucru ne permite să extindem în mod semnificativ „zona locuibilă” în jurul stelei noastre (sau a alteia), cu mult peste limitele disponibile pentru viața noastră fragilă de carbon.
Dmitry Mamontov
