Førhen blev videnskaben bag silikonebaseret liv anset for at være science fiction. Siliciumforbindelser er begrænset til uforanderlige krystallinske arrangementer, mens kulstofforbindelser, nemlig organiske stoffer, kan danne et stort udvalg af molekyler, således at ethvert stabilt molekylært arrangement kunne dannes spontant, og at naturlig udvælgelse ville favorisere de molekyler, der understøtter liv. I den præbiotiske konkurrence mellem silicium- og kulstofbaserne for liv ville kulstoffet højst sandsynligt dominere. Men tænk på det alternativ, hvor vand blev erstattet af et meget velkendt, men usandsynligt kemisk stof. Kunne der eksistere liv i en verden domineret af oceaner, søer og floder af ammoniak?
Sammenbruddet
Ammoniak er et giftigt stof for mennesker, insekter og selv bakterier. Det er hovedingrediensen i visse industrielle opløsningsmidler og rengøringsmidler og er farligt for miljøet. Ammoniak er endda en vigtig del af en opskrift, der bruges til at fremstille højtydende sprængstoffer. Hvordan kan noget så dødbringende som ammoniak tillade opkomsten og udviklingen af levende organismer? Tro det eller ej, men ammoniak har mange af de samme molekylære egenskaber som en anden velkendt forbindelse, der er afgørende for livet: vand. Nogle astrobiologer foreslår, at liv kan udvikle sig i et ammoniakholdigt medium på samme måde som livet på Jorden voksede i et vandholdigt medium. Forestil dig: det samme stof, som er kendt for at opløse metaller, brænde huden, forurene miljøet og sprænge i luften, hvis det blandes forkert, kan meget vel være “livets vand” på nogle udenjordiske verdener (og jeg taler ikke om Dune).
Lad os først overveje, hvorfor ammoniak er en potentiel kandidat. Ammoniak og vand er begge polære molekyler. Oxygen- og nitrogenatomernes elektronegativitet er større end elektronegativiteten hos deres brintmodstykker. Forskellen i elektronegativitet mellem det centrale atom (hvad enten det er nitrogen eller oxygen) og hydrogenatomerne bevirker, at molekylerne bliver polære. Det centrale atom får en let negativ ladning, og hydrogenerne bliver let positive. Dette gør ammoniak og vand til stærke opløsningsmidler, da det kan opløse salte og små polære molekyler.
Flere af de fysiske egenskaber i vand deles også af ammoniak. Begge medier kan lede elektricitet, om end svagt, og koordineringen af positivt ladede hydrogener med negativt ladede dele på nærliggende molekyler danner en af de stærkeste intermolekylære kræfter, der kendes i kemi: hydrogenbindingen. Dette svarer til at tage et objekt med en positiv ladning i den ene ende og elektrostatisk binde det til en negativ ladning på et andet objekt. I lægmandstermer gør hydrogenbindinger det muligt for polære molekyler at klæbe meget godt til hinanden, og det er derfor grunden til, at vand har en så høj overfladespænding og et så højt kogepunkt.
I den grad er vand et alsidigt opløsningsmiddel: det kan opløse næsten “alt”, og opløselighed er afgørende under præbiotiske forhold. Det kan opløse mange salte og små, polære organiske molekyler som sukkerstoffer og aminosyrer. Opløseligheden af organiske forbindelser og salte er meget vigtig for livet, fordi den er en buffer for reaktionsblandinger, så de kan modstå ændringer i pH, saltholdighed og endda oxidationstilstande. Et miljø, der bedst understøtter livet, er et miljø med stabile koncentrationer af vigtige biomolekyler.
Et andet meget vigtigt træk ved vands fysiske egenskaber er den hydrofobiske virkning af store, upolære forbindelser. Upolære og polære stoffer blander sig ikke særlig godt i opløsning, hvilket er grunden til, at upolære molekyler har en tendens til at klumpe sig sammen i en opløsning af polære molekyler. Med andre ord: upolære molekyler klæber meget tættere til hinanden, når de er omgivet af polære molekyler.
Den hydrofobiske effekt er afgørende i abiogeneseprocessen, fordi den driver dannelsen af miceller og proteiner. Uden den hydrofobiske effekt ville lipider ikke kunne annealere for at danne cellemembraner, og aminosyrepolymerer ville ikke kunne folde sig for at danne funktionelle proteiner og enzymer.
Selv om ammoniak kan have evnen til at danne hydrogenbindinger, blegner dets polaritet i forhold til vands. Ammoniak er mindre i stand til at danne hydrogenbindinger, og som følge heraf er den hydrofobiske effekt og opløseligheden af organiske molekyler også svagere.
Det giver problemer for abiogenese. Små bioorganiske molekyler ville ikke opløses særlig godt i ammoniak. Proteiner og membraner kan være ustabile i en ammoniakopløsning, fordi de måske ikke folder sig ordentligt. Membraner og lipider bliver et endnu større problem; hvis cellemembranerne ikke pakker tilstrækkeligt sammen, kan cellerne bryde fra hinanden selv ved milde miljøændringer. Livet ville være mindre tilpasningsdygtigt i et miljø med ammoniak end i et miljø med vand.
Stabiliteten af flydende ammoniak i sig selv giver anledning til bekymring. Teoretisk set kan der kun være liv i en væske, ikke i en gas eller et fast stof. Hvis det koges af for hurtigt eller for let, kan organismerne få sværere ved at tilpasse sig miljøet. Ammoniak eksisterer som en gas ved stuetemperatur, mens vand er stabilt som væske i et temperaturområde fra 0 til 100 grader Celsius. Dette skyldes styrken af hydrogenbindingerne: jo stærkere hydrogenbindingerne er, jo større er sandsynligheden for, at molekylerne vil holde sammen længe nok til at kondensere til en væske. Ammoniak har svage hydrogenbindinger, og det er derfor, at temperaturen skal sænkes dramatisk under normalt atmosfærisk tryk for at stabilisere ammoniak i flydende tilstand; vi taler om en verden, der skal gennemgå en 4 milliarder år lang istid. En kold, død planet er næppe en ideel kandidat til at understøtte liv.
Overflade af Andoria.
Ammoniaks kogepunkt er -33 grader Celsius under et tryk på 14,7 psi, hvilket betyder, at flydende ammoniak kun er stabilt under denne temperatur ved Jordens atmosfæriske tryk. Hvis vi for et øjeblik antager, at foldning, sammenvoksning og opløselighed af organiske molekyler var termodynamisk sandsynlige, skulle der opretholdes en global temperatur fra -78 grader Celsius og -33 grader ved 14,7 psi. Dette er et for snævert område til, at organismer kan trives; ethvert mildt klimaudsving kan faktisk true det ammoniakbaserede livs overlevelse. Stofskiftet af næringsstoffer og replikationen af organismer ville blive forstyrret af perioder med ekstreme lav- og højniveauer.
Den eneste løsning på dette problem er kondensering af en gas ved hjælp af et højere atmosfærisk tryk i stedet for en lavere temperatur. Gas kan kondenseres til en væske under ekstreme tryk, og temperaturen kan opretholdes et godt stykke over dens normale kogepunkt (hvilket er godt nyt for et ammoniakholdigt klima, hvor liv kræver varme for at trives). Ammoniak kondenserer til en væske under et tryk svarende til 12,1 tusind atmosfærer på Jorden ved ca. 37 grader Celsius. Desværre har vi endnu ikke opdaget eller opstillet hypoteser om en måde, hvorpå en planet kunne rumme en så tæt atmosfære. Venus, en jordplanet med den tætteste kendte atmosfære i dag, har en trykværdi på 93 bar ved overfladen; dette opfylder næppe atmosfærens krav på 12.000 bar. Jupiter, det næstbedste valg, har kun et maksimalt tryk på omkring 1000 bar i planetens centrum, hvilket igen næppe er ideelt til vores formål. Det er usandsynligt, at lignende planeter har et atmosfærisk tryk, der er højt nok til at kondensere ammoniak til en væske, men det betyder ikke, at ammoniakbaseret liv ikke kan opstå på anden vis.
Den endelige dom
Ammoniakbaseret liv er ikke et stort tema i Star Trek, og jeg har altid undret mig over, hvorfor det aldrig blev medtaget i serierne. Desværre er det usandsynligt, at det bliver en Science Fact. Det er vigtigt at bemærke, at mange ting, der oprindeligt blev betragtet som umulige inden for videnskaben, til sidst blev bevist af videnskaben, eller i det mindste i et vist omfang. Som jeg altid understreger i mine artikler: Bare fordi noget virker meget usandsynligt, betyder det ikke, at det ikke kan ske. Vi mangler stadig at opdage ammoniakbaseret liv, eller noget liv andre steder for den sags skyld, før nogen, selv jeg, kan sige, at ammoniakbaserede rumvæsener kan eller ikke kan eksistere. I mangel af absolutte beviser er spekulationer det bedste, vi kan håbe på.
På den baggrund vil jeg gerne slutte med dette fantastiske redigerede uddrag fra Carl Sagans Cosmos, hvor han opstiller en hypotese om et sandsynligt scenarie, hvor liv kunne udvikle sig på en verden som Jupiter.
Det er altid overraskende for os i videnskaben at opdage, at det modsatte nogle gange er sandt, uanset hvor usandsynligt det er, uanset hvor usandsynligt det er. Selv om ammoniakbaserede organismer måske ikke eksisterer efter vores jordiske standarder, betyder det på ingen måde, at det ikke kan ske på en anden måde.
Tom Caldwell har en bachelor i biokemi fra UCLA. Han arbejder i øjeblikket på at opnå en ph.d. i molekylærbiologi.