Předtím byla věda o životě na bázi křemíku označena za science fiction. Sloučeniny křemíku jsou omezeny na neměnné krystalické uspořádání, zatímco sloučeniny uhlíku, konkrétně organické látky, mohou tvořit velké množství molekul tak, že spontánně může vzniknout jakékoliv stabilní molekulární uspořádání a že přírodní výběr bude upřednostňovat ty molekuly, které podporují život. V prebiotické soutěži mezi křemíkovým a uhlíkovým základem života by s největší pravděpodobností dominoval uhlík. Zvažme však alternativu, kdy by voda byla nahrazena velmi známou, avšak nepravděpodobnou chemickou látkou. Mohl by život existovat ve světě, kde by dominovaly oceány, jezera a řeky plné čpavku?
Rozpad
Čpavek je toxická látka pro lidi, hmyz, dokonce i pro bakterie. Je hlavní složkou některých průmyslových rozpouštědel a čisticích roztoků a je nebezpečný pro životní prostředí. Čpavek je dokonce základní součástí receptury používané k výrobě vysoce účinných výbušnin. Jak by něco tak smrtícího jako čpavek mohlo umožnit vznik a vývoj živých organismů? Věřte tomu nebo ne, ale čpavek má mnoho stejných molekulárních vlastností jako jiná známá sloučenina, která je pro život nezbytná: voda. Někteří astrobiologové navrhují, že by se život mohl vyvíjet v amoniakovém prostředí stejně, jako se život na Zemi vyvíjel v prostředí hydratovaném. Představte si: stejná látka, o které je známo, že rozpouští kovy, pálí kůži, znečišťuje životní prostředí a při nesprávném smíchání vybuchuje, může být na některých mimozemských světech (a to nemluvím o Duně) „vodou života“.
Nejprve se zamysleme nad tím, proč je amoniak potenciálním kandidátem. Amoniak i voda jsou polární molekuly. Elektronegativita atomů kyslíku a dusíku je větší než elektronegativita jejich vodíkových protějšků. Rozdíl v elektronegativitě mezi centrálním atomem (ať už dusíku nebo kyslíku) a atomy vodíku způsobuje, že se molekuly stávají polárními. Centrální atom má mírně záporný náboj a vodíky se stávají mírně kladnými. Díky tomu jsou čpavek a voda silnými rozpouštědly, protože mohou rozpouštět soli a malé polární molekuly.
Několik fyzikálních vlastností vody má i čpavek. Obě prostředí mohou vést elektrický proud, i když slabě, a koordinace kladně nabitých vodíků se záporně nabitými částmi na okolních molekulách vytváří jednu z nejsilnějších mezimolekulárních sil známých v chemii: vodíkovou vazbu. Je to analogické tomu, jako když vezmete předmět s kladným nábojem na jednom konci a elektrostaticky ho spojíte se záporným nábojem na jiném předmětu. Laicky řečeno, vodíkové vazby umožňují polárním molekulám velmi dobře se k sobě přichytit, a proto má voda tak vysoké povrchové napětí a bod varu.
V tomto rozsahu je voda univerzálním rozpouštědlem: může rozpouštět téměř „cokoli“ a rozpustnost je v prebiotických podmínkách nezbytná. Může rozpouštět mnoho solí a malých polárních organických molekul, jako jsou cukry a aminokyseliny. Rozpustnost organických sloučenin a solí je pro život velmi důležitá, protože pufruje reakční směsi, aby odolávaly změnám pH, salinity, a dokonce i oxidačních stavů. Prostředí, které nejlépe podporuje život, je prostředí se stabilní koncentrací základních biomolekul.
Další velmi důležitou vlastností fyzikálních vlastností vody je hydrofobní účinek velkých nepolárních sloučenin. Nepolární a polární látky se v roztoku příliš nemíchají, a proto mají nepolární molekuly tendenci se v roztoku polárních molekul shlukovat. Jinými slovy: nepolární molekuly k sobě přilnou mnohem pevněji, jsou-li obklopeny polárními molekulami.
Hydrofobní efekt je klíčový v procesu abiogeneze, protože pohání tvorbu micel a proteinů. Bez hydrofobního efektu by se lipidy nemohly žíhat a vytvářet buněčné membrány a polymery aminokyselin by se nemohly skládat a vytvářet funkční proteiny a enzymy.
Ačkoli amoniak může mít schopnost vytvářet vodíkové vazby, jeho polarita ve srovnání s polaritou vody bledne. Amoniak je méně schopný tvořit vodíkové vazby a v důsledku toho je také slabší hydrofobní účinek a rozpustnost organických molekul.
To představuje problém pro abiogenezi. Malé bioorganické molekuly by se v amoniaku příliš dobře nerozpouštěly. Proteiny a membrány mohou být v roztoku amoniaku nestabilní, protože se nemusí správně skládat. Ještě větším problémem se stávají membrány a lipidy; pokud se buněčné membrány dostatečně nesbalí, mohly by se buňky rozpadnout i při mírných změnách prostředí. Život by byl v prostředí amoniaku méně přizpůsobivý než v prostředí vody.
Sama stabilita kapalného amoniaku vzbuzuje obavy. Teoreticky se život může udržet pouze v kapalině, nikoliv v plynu nebo pevné látce. Pokud se vyvaří příliš rychle nebo příliš snadno, může být pro organismy obtížnější přizpůsobit se prostředí. Amoniak existuje jako plyn při pokojové teplotě, zatímco voda je stabilní jako kapalina v rozmezí teplot od 0 do 100 stupňů Celsia. Je to dáno silou vodíkových vazeb: čím silnější jsou vodíkové vazby, tím větší je pravděpodobnost, že molekuly budou držet pohromadě dostatečně dlouho, aby se srazily v kapalinu. Čpavek má slabou vodíkovou vazbu, a proto musí být teplota za normálního atmosférického tlaku dramaticky snížena, aby se čpavek stabilizoval v kapalném stavu; hovoříme o světě, který musí projít čtyřmiliardovou dobou ledovou. Chladná, mrtvá planeta je sotva ideálním kandidátem na podporu života.
Povrch Andorie.
Teplota varu amoniaku je -33 stupňů Celsia při tlaku 14,7 psi, což znamená, že kapalný amoniak je stabilní pouze pod touto teplotou při atmosférickém tlaku Země. Předpokládejme na okamžik, že skládání, shlukování a rozpustnost organických molekul jsou termodynamicky pravděpodobné, globální teplota by se musela udržovat od -78 stupňů Celsia a -33 stupňů při tlaku 14,7 psi. To je příliš úzké pásmo, aby se organismům dařilo; jakýkoli mírný výkyv klimatu může ve skutečnosti ohrozit přežití života založeného na amoniaku. Metabolismus živin a replikace organismů by byly narušeny obdobími extrémně nízkých a vysokých teplot.
Jediným řešením tohoto problému je kondenzace plynu pomocí vyššího atmosférického tlaku, nikoliv nižší teploty. Plyn lze kondenzovat na kapalinu za extrémního tlaku a teplotu lze udržet vysoko nad jeho běžným bodem varu (což je dobrá zpráva pro amoniakální klima, v němž život vyžaduje teplo, aby se mu dařilo). Čpavek kondenzuje na kapalinu pod tlakem odpovídajícím 12,1 tisícům atmosfér Země při teplotě kolem 37 stupňů Celsia. Bohužel se nám zatím nepodařilo objevit nebo vyslovit hypotézu, jakým způsobem by planeta mohla ukrývat tak hustou atmosféru. Venuše, terestrická planeta s nejhustší dnes známou atmosférou, má na povrchu hodnotu tlaku 93 barů; to sotva splňuje požadavek na atmosféru 12 000 barů. Jupiter, další nejlepší volba, má maximální tlak pouze kolem 1000 barů v centru planety; opět stěží ideální pro naše účely. Podobné planety pravděpodobně nemají dostatečně vysoký atmosférický tlak na kondenzaci čpavku do kapaliny, což však neznamená, že život na bázi čpavku nemůže vzniknout jiným způsobem.
Závěrečný verdikt
Život na bázi amoniaku není hlavním tématem Star Treku a vždycky jsem se divil, proč nebyl nikdy zařazen do seriálů. Bohužel je nepravděpodobné, že by se jednalo o vědecký fakt. Je důležité si uvědomit, že mnoho věcí, které byly původně ve vědě považovány za nemožné, byly nakonec vědou dokázány, nebo alespoň do určité míry. Jak ve svých článcích vždy zdůrazňuji: to, že se něco zdá velmi nepravděpodobné, neznamená, že se to nemůže stát. Musíme ještě objevit život na bázi čpavku nebo jakýkoli život jinde, když na to přijde, aby mohl kdokoli, dokonce i já, říci, že mimozemšťané na bázi čpavku mohou nebo nemohou existovat. Při absenci absolutních důkazů jsou spekulace tím nejlepším, v co můžeme doufat.
Na závěr bych rád uvedl tento úžasný upravený úryvek z knihy Carla Sagana Cosmos, v němž vyslovuje hypotézu o pravděpodobném scénáři, podle něhož by se mohl vyvinout život na světě, jako je Jupiter.
Jen proto, že se něco zdá nepravděpodobné, abychom se vyskytli, ve vědě vždy s úžasem zjišťujeme, že někdy, ať už je to jakkoli nepravděpodobné, je opak pravdou. I když organismy na bázi amoniaku podle našich pozemských měřítek nemohou existovat, v žádném případě to neznamená, že se to nemůže stát jinak.
Tom Caldwell získal bakalářský titul v oboru biochemie na Kalifornské univerzitě. V současné době pracuje na doktorátu z molekulární biologie.