Vienintelis mums šiuo metu žinomas sausumos gyvenimas yra pagrįstas didžiule anglies junginių įvairove. Tuo tarpu tai nėra vienintelis cheminis elementas, kuris gali būti gyvybės pagrindas.
Kitų gyvenimo formų, iš esmės besiskiriančių nuo mūsų žemiškųjų, egzistavimas, esant letenoms, akims, dantims, nagams, čiuptuvams ir kitoms kūno dalims, jų vieta ir skaičius, yra viena mėgstamiausių mokslinės fantastikos literatūros temų.
Tačiau mokslinės fantastikos rašytojai tuo neapsiriboja - jie sugalvoja ir egzotiškas tradicinio (anglies) gyvenimo formas, ir ne mažiau egzotiškus jos pagrindus - tarkime, gyvus kristalus, neorganizuotus energijos lauko padarus ar silicio organinius padarus.
Be mokslinės fantastikos rašytojų, mokslininkai taip pat užsiima tokių klausimų aptarimu, nors jie yra daug atsargesni vertindami. Juk kol kas vienintelis tiksliai mokslui žinomas gyvenimo pagrindas yra anglis.
Nepaisant to, vienu metu garsus astronomas ir mokslo populiarintojas Carlas Saganas teigė, kad visiškai neteisinga apibendrinti teiginius apie žemiškąjį gyvenimą, palyginti su gyvenimu visoje Visatoje. Tokius apibendrinimus Saganas pavadino „anglies šovinizmu“, o pats silicį laikė greičiausia alternatyvia gyvenimo baze.
Pagrindinis gyvenimo klausimas
Organinio silicio gyvybės forma iš mokslinės fantastikos serijos „Žvaigždžių žygis“
Reklaminis vaizdo įrašas:
Kas yra gyvenimas? Atrodytų, kad atsakymas į šį klausimą yra akivaizdus, tačiau, kaip bebūtų keista, mokslo bendruomenėje vis dar diskutuojama apie formalius kriterijus. Nepaisant to, galima išskirti keletą būdingų bruožų: gyvenimas turi atsikurti ir vystytis, o tam turi būti įvykdytos kelios svarbios sąlygos.
Pirma, gyvybei reikia daugybės cheminių junginių, kuriuos daugiausia sudaro ribotas skaičius cheminių elementų. Organinės chemijos atveju tai yra anglis, vandenilis, azotas, deguonis, siera, o tokių junginių skaičius yra didžiulis.
Antra, šie junginiai turi būti termodinamiškai stabilūs arba bent jau metastabilūs, tai yra, jų tarnavimo laikas turi būti pakankamai ilgas, kad būtų galima atlikti įvairias biochemines reakcijas.
Trečioji sąlyga yra ta, kad turi būti reakcijos, norint išgauti energiją iš aplinkos, taip pat ją kaupti ir išleisti.
Ketvirta, norint savarankiškai atgaminti gyvenimą, reikalingas paveldimumo mechanizmas, kuriame didelė aperiodinė molekulė veikia kaip informacijos nešėja.
Erwinas Schrödingeris pasiūlė, kad aperiodiniai kristalai gali būti paveldimos informacijos nešėjas, o vėliau buvo atrasta DNR molekulės struktūra - linijinis kopolimeras. Galiausiai visos šios medžiagos turi būti skystos, kad būtų užtikrintas pakankamas metabolinės reakcijos (metabolizmo) greitis dėl difuzijos.
Tradicinės alternatyvos
Anglies atveju visos šios sąlygos yra įvykdytos, tačiau net ir naudojant artimiausią alternatyvą - silicį, situacija toli gražu nėra tokia rožinė. Organinio silicio molekulės gali būti pakankamai ilgos, kad galėtų perduoti paveldimą informaciją, tačiau jų įvairovė yra per menka, palyginti su anglies organinėmis medžiagomis - dėl didesnio atomų dydžio silicis beveik nesudaro dvigubų ryšių, o tai labai riboja įvairių funkcinių grupių prijungimo galimybes.
Be to, sotieji vandenilio silikonai - silanai - yra visiškai nestabilūs. Žinoma, yra ir stabilių junginių, tokių kaip silikatai, tačiau dauguma jų yra kietos medžiagos normaliomis sąlygomis.
Su kitais elementais, tokiais kaip boras ar siera, padėtis dar blogesnė: organiniai boro ir didelės molekulės sieros junginiai yra ypač nestabilūs, o jų įvairovė yra per menka, kad būtų galima suteikti gyvybei visas būtinas sąlygas.
Esant spaudimui
„Azotas niekada nebuvo rimtai laikomas gyvenimo pagrindu, nes normaliomis sąlygomis vienintelis stabilus azoto-vandenilio junginys yra amoniakas NH3“, - sako Artemas Oganovas, MIPT kompiuterinės medžiagos projektavimo laboratorijos vadovas, Niujorko Stony Brooko universiteto ir Skolkovo mokslo ir technologijos instituto profesorius (Skoltech).
„Tačiau neseniai, naudodamiesi mūsų USPEX („ Universal Structure Predictor: Evolutionary Xtallography “) algoritmu, imituodami įvairias azoto sistemas esant aukštam slėgiui (iki 800 GPa), mūsų grupė atrado nuostabų dalyką.
Paaiškėjo, kad esant slėgiui, viršijančiam 36 GPa (360 000 atm), atsiranda daugybė stabilaus vandenilio azoto, pavyzdžiui, ilgos vienmatės N4H, N3H, N2H ir NH vienetų polimerinės grandinės, egzotiškos N9H4, formuojančios dvimačius azoto atomų lakštus su prijungtais NH4 + katijonais ir molekuliniai junginiai N8H, NH2, N3H7, NH4, NH5.
Tiesą sakant, mes nustatėme, kad esant 40–60 GPa slėgiui, azoto ir vandenilio chemija savo įvairove žymiai viršija angliavandenilių junginių chemiją normaliomis sąlygomis. Tai leidžia tikėtis, kad azoto, vandenilio, deguonies ir sieros turinčių sistemų chemija taip pat yra turtingesnė nei tradicinė organinė chemija įprastomis sąlygomis."
Žingsnis į gyvenimą
Ši Artemo Oganovo grupės hipotezė atveria visiškai netikėtas galimybes anglies neturinčio gyvenimo pagrindo prasme.
„Vandenilio azotas gali sudaryti ilgas polimero grandines ir net dviejų matmenų lakštus“, - aiškina Artemas. - Dabar mes tiriame tokių sistemų, dalyvaujant deguoniui, savybes, tada savo modeliuose svarstysime anglį ir sierą, ir tai galbūt atvers kelią anglies baltymų azoto analogams, nors ir paprasčiausiems, be aktyvių centrų ir sudėtingos struktūros.
Gyvenimo energijos šaltinių, pagrįstų azotu, klausimas vis dar atviras, nors tai gali būti tam tikros redokso reakcijos, kurios mums dar nežinomos, vykstančios aukšto slėgio sąlygomis. Iš tikrųjų tokios sąlygos gali egzistuoti milžiniškų planetų, tokių kaip Uranas ar Neptūnas, žarnyne, nors ten temperatūra yra per aukšta. Bet kol kas tiksliai nežinome, kokios reakcijos ten gali atsirasti ir kurios iš jų yra svarbios gyvenimui, todėl negalime tiksliai įvertinti reikiamo temperatūros diapazono “.
Gyvenimo sąlygos, pagrįstos azoto junginiais, skaitytojams gali pasirodyti itin egzotiškos. Tačiau pakanka prisiminti faktą, kad milžiniškų planetų gausa žvaigždžių sistemose yra bent jau ne mažesnė nei į uolėtas žemę panašių planetų. Tai reiškia, kad Visatoje tai yra mūsų, anglies gyvybė gali pasirodyti kur kas egzotiškesnė.
„Azotas yra septintas pagal dydį elementas visatoje. Tokių milžiniškų planetų, kaip Uranas ir Neptūnas, sudėtyje yra nemažai. Manoma, kad azoto ten daugiausia yra amoniako pavidalu, tačiau mūsų modeliai rodo, kad esant aukštesniam nei 460 GPa slėgiui, amoniakas nustoja būti stabilus junginys (kaip ir normaliomis sąlygomis). Taigi, ko gero, milžiniškų planetų žarnose vietoj amoniako yra visiškai kitokios molekulės, ir būtent šią chemiją mes dabar tiriame “.
Azotas egzotiškas
Esant dideliam slėgiui, azotas ir vandenilis sudaro daug stabilių, sudėtingų ir neįprastų junginių. Šių vandenilio-azoto junginių chemija yra daug įvairesnė nei angliavandenilių chemija normaliomis sąlygomis, todėl tikimasi, kad azoto-vandenilio-deguonies-sulfido junginiai turtingumu gali pralenkti organinę chemiją.
Paveiksle pavaizduotos N4H, N3H, N2H, NH, N9H4 struktūros (rausva - vandenilio atomai, mėlyna - azotas). „Monomer“vienetai įrėminti rausva spalva.
Gyvenamasis plotas
Gali būti, kad ieškodami egzotiško gyvenimo mums nereikės skristi į kitą visatos galą. Mūsų pačių Saulės sistemoje yra dvi planetos su tinkamomis sąlygomis. Ir Uranas, ir Neptūnas yra apgaubtas vandenilio, helio ir metano atmosfera, ir atrodo, kad juose yra silicio dioksido, geležies ir nikelio šerdis.
Ir tarp šerdies ir atmosferos yra mantija, susidedanti iš karšto skysčio - vandens, amoniako ir metano mišinio. Būtent šiame skystyje, esant reikiamam slėgiui, esant tinkamam gyliui, gali atsirasti amoniako skilimas, kurį numatė Artemo Oganovo grupė, ir egzotiško vandenilio azoto susidarymas, taip pat sudėtingesni junginiai, įskaitant deguonį, anglį ir sierą.
Neptūnas taip pat turi vidinį šilumos šaltinį, kurio pobūdis vis dar nėra aiškiai suprantamas (daroma prielaida, kad tai yra radiogeninis, cheminis ar gravitacinis šildymas). Tai leidžia mums žymiai išplėsti „gyvenamąją zoną“aplink savo (ar kitą) žvaigždę, gerokai peržengiant mūsų trapaus anglies gyvenimo ribas.
Dmitrijus Mamontovas