Aiemmin piipohjaisen elämän takana oleva tiede määriteltiin tieteelliseksi fiktioksi. Piiyhdisteet rajoittuvat muuttumattomiin kiteisiin järjestelyihin, kun taas hiiliyhdisteet eli orgaaniset yhdisteet voivat muodostaa suuren määrän erilaisia molekyylejä siten, että mikä tahansa vakaa molekyylijärjestely voisi muodostua spontaanisti ja että luonnonvalinta suosisi niitä molekyylejä, jotka tukevat elämää. Prebioottisessa kilpailussa elämän pii- ja hiilipohjien välillä hiili todennäköisesti dominoisi. Mutta ajatellaanpa vaihtoehtoa, jossa vesi korvattaisiin hyvin tutulla, mutta epätodennäköisellä kemikaalilla. Voisiko elämää olla olemassa maailmassa, jota hallitsisivat ammoniakin valtameret, järvet ja joet?
Loukkaantuminen
Ammoniakki on myrkyllinen aine ihmisille, hyönteisille ja jopa bakteereille. Se on joidenkin teollisten liuottimien ja puhdistusliuosten pääainesosa, ja se on vaarallista ympäristölle. Ammoniakki on jopa olennainen osa reseptiä, jota käytetään suuritehoisten räjähteiden valmistuksessa. Miten jokin niinkin tappava aine kuin ammoniakki voisi mahdollistaa elävien organismien syntymisen ja kehittymisen? Usko tai älä, ammoniakilla on paljon samoja molekyyliominaisuuksia kuin toisella tutulla yhdisteellä, joka on elämälle välttämätön: vedellä. Jotkut astrobiologit ehdottavat, että elämä voisi kehittyä ammoniakkipitoisessa väliaineessa samalla tavalla kuin elämä Maassa kehittyi vesipitoisessa väliaineessa. Kuvittele: sama aine, jonka tiedetään liuottavan metalleja, polttavan ihoa, saastuttavan ympäristöä ja räjähtävän, jos sitä sekoitetaan väärin, saattaa hyvinkin olla ”elämän vesi” joissakin maapallon ulkopuolisissa maailmoissa (enkä nyt puhu Duunista).
Pohditaan ensin, miksi ammoniakki on mahdollinen kandidaatti. Ammoniakki ja vesi ovat molemmat poolisia molekyylejä. Happi- ja typpiatomien elektronegatiivisuus on suurempi kuin vetyatomien elektronegatiivisuus. Keskusatomin (typen tai hapen) ja vetyatomien välinen elektronegatiivisuusero aiheuttaa sen, että molekyyleistä tulee poolisia. Keskusatomi saa hieman negatiivisen varauksen ja vetyatomit tulevat hieman positiivisiksi. Tämä tekee ammoniakista ja vedestä tehokkaita liuottimia, sillä se pystyy liuottamaan suoloja ja pieniä polaarisia molekyylejä.
Muutamia veden fysikaalisia ominaisuuksia on myös ammoniakilla. Molemmat väliaineet pystyvät johtamaan sähköä, vaikkakin heikosti, ja positiivisesti varautuneiden vetyjen koordinointi läheisten molekyylien negatiivisesti varautuneiden osien kanssa muodostaa yhden vahvimmista kemian tuntemista molekyylien välisistä voimista: vetysidoksen. Tämä vastaa sitä, että otetaan esine, jonka toisessa päässä on positiivinen varaus, ja sidotaan se sähköstaattisesti toisen esineen negatiiviseen varaukseen. Maallikon kielellä sanottuna vetysidokset antavat polaaristen molekyylien tarttua toisiinsa erittäin hyvin, ja tästä syystä vedellä on niin korkea pintajännitys ja kiehumispiste.
Siltä osin vesi on monikäyttöinen liuotin: siihen voi liueta melkein ”mitä tahansa”, ja liukoisuus on olennaista prebioottisissa oloissa. Se voi liuottaa monia suoloja ja pieniä, polaarisia orgaanisia molekyylejä, kuten sokereita ja aminohappoja. Orgaanisten yhdisteiden ja suolojen liukoisuus on erittäin tärkeää elämälle, koska se puskuroi reaktioseoksia vastustaakseen pH:n, suolapitoisuuden ja jopa hapetusasteen muutoksia. Elämää parhaiten tukeva ympäristö on sellainen, jossa välttämättömien biomolekyylien pitoisuudet ovat vakaita.
Veden fysikaalisten ominaisuuksien toinen hyvin tärkeä piirre on suurten, poolittomien yhdisteiden hydrofobinen vaikutus. Epänapaiset ja polaariset aineet eivät sekoitu liuoksessa kovin hyvin, minkä vuoksi poolittomilla molekyyleillä on taipumus konglomeroida polaaristen molekyylien liuokseen. Toisin sanoen: ei-polaariset molekyylit tarttuvat toisiinsa paljon tiukemmin, kun niitä ympäröivät polaariset molekyylit.
Hydrofobinen vaikutus on ratkaisevan tärkeä abiogeneesin prosessissa, koska se ohjaa mikkelien ja proteiinien muodostumista. Ilman hydrofobista vaikutusta lipidit eivät voisi hehkua muodostaakseen solukalvoja, eivätkä aminohappopolymeerit voisi taittua muodostaakseen toimivia proteiineja ja entsyymejä.
Ammoniakilla voi olla kyky muodostaa vetysidoksia, mutta sen polaarisuus kalpenee veden polaarisuuden rinnalla. Ammoniakki kykenee heikommin muodostamaan vetysidoksia, minkä seurauksena myös orgaanisten molekyylien hydrofobinen vaikutus ja liukoisuus ovat heikompia.
Tämä aiheuttaa ongelmia abioogeneesille. Pienet bioorgaaniset molekyylit eivät liukenisi kovin hyvin ammoniakkiin. Proteiinit ja kalvot saattavat olla epävakaita ammoniakkiliuoksessa, koska ne eivät välttämättä taitu kunnolla. Kalvot ja lipidit muodostuvat vielä suuremmaksi ongelmaksi; jos solukalvot eivät pakkaudu riittävän tiiviisti yhteen, solut voivat hajota jopa lievissä ympäristömuutoksissa. Elämä olisi vähemmän sopeutumiskykyistä ammoniakkiympäristössä kuin vesiympäristössä.
Nestemäisen ammoniakin stabiilius itsessään antaa aihetta huoleen. Teoriassa elämää voi ylläpitää vain neste, ei kaasu tai kiinteä aine. Jos se kiehuu liian nopeasti tai liian helposti, eliöiden voi olla vaikeampi sopeutua ympäristöön. Ammoniakki on kaasua huoneenlämmössä, kun taas vesi on stabiili nesteenä 0-100 celsiusasteen lämpötila-alueella. Tämä johtuu vetysidosten vahvuudesta: mitä vahvemmat vetysidokset ovat, sitä todennäköisemmin molekyylit pysyvät yhdessä niin kauan, että ne tiivistyvät nesteeksi. Ammoniakilla on heikko vetysidos, minkä vuoksi lämpötilaa on laskettava dramaattisesti normaalissa ilmanpaineessa, jotta ammoniakki vakiintuisi nestemäiseen tilaan; puhumme maailmasta, jonka on läpikäytävä 4 miljardin vuoden jääkausi. Kylmä, kuollut planeetta tuskin on ihanteellinen ehdokas elämän tukemiseen.
Andorian pinta.
Ammoniakin kiehumispiste on -33 celsiusastetta 14,7 psi:n paineessa, mikä tarkoittaa, että nestemäinen ammoniakki pysyy stabiilina vain tämän lämpötilan alapuolella Maan ilmanpaineessa. Jos oletetaan hetkeksi, että orgaanisten molekyylien taittuminen, konglomeraatio ja liukeneminen olisivat termodynaamisesti todennäköisiä, globaalia lämpötilaa täytyisi ylläpitää -78 celsiusasteen ja -33 asteen välillä 14,7 psi:n paineessa. Tämä on liian kapea vaihteluväli, jotta eliöt voisivat menestyä; mikä tahansa lievä ilmastovaihtelu voi itse asiassa uhata ammoniakkipohjaisen elämän selviytymistä. Ravinteiden aineenvaihdunta ja eliöiden lisääntyminen häiriintyisivät äärimmäisten matalien ja korkeiden lämpötilojen jaksoissa.
Ainoa kiertoratkaisu tähän ongelmaan on kaasun tiivistäminen käyttämällä korkeampaa ilmanpainetta matalamman lämpötilan sijaan. Kaasu voidaan tiivistää nesteeksi äärimmäisessä paineessa, ja lämpötila voidaan pitää reilusti normaalin kiehumispisteen yläpuolella (mikä on hyvä uutinen ammoniakkisessa ilmastossa, jossa elämä tarvitsee lämpöä menestyäkseen). Ammoniakki tiivistyy nesteeksi paineessa, joka vastaa 12,1 tuhatta Maan ilmakehän painetta noin 37 celsiusasteen lämpötilassa. Valitettavasti emme ole vielä löytäneet tai hypoteesanneet tapaa, jolla planeetta voisi sisältää näin tiheän ilmakehän. Venuksen, maanpäällisen planeetan, jolla on tällä hetkellä tihein tunnettu ilmakehä, painearvo pinnalla on 93 baaria, mikä tuskin vastaa 12 000 baarin ilmakehävaatimusta. Jupiterin, seuraavaksi parhaan vaihtoehdon, maksimipaine on vain noin 1 000 baaria planeetan keskipisteessä; sekään tuskin on ihanteellinen meidän tarkoituksiimme. Samankaltaisilla planeetoilla ei todennäköisesti ole tarpeeksi korkeaa ilmanpainetta ammoniakin tiivistämiseksi nesteeksi, mikä ei kuitenkaan tarkoita, etteikö ammoniakkipohjaista elämää voisi syntyä jollakin muulla tavalla.
Lopputuomio
Ammoniakkipohjainen elämä ei ole Star Trekin pääteema, ja olen aina ihmetellyt, miksi sitä ei koskaan sisällytetty sarjoihin. Valitettavasti se tuskin on tieteellinen fakta. On tärkeää huomata, että monet asiat, joita alun perin pidettiin tieteessä mahdottomina, on lopulta todistettu tieteessä, tai ainakin jossain määrin. Kuten aina korostan artikkeleissani: vaikka jokin asia vaikuttaa erittäin epätodennäköiseltä, se ei tarkoita, ettei sitä voisi tapahtua. Meidän on vielä löydettävä ammoniakkipohjaista elämää tai mitään elämää muualla, ennen kuin kukaan, edes minä, voi sanoa, että ammoniakkipohjaisia avaruusolentoja voi olla tai ei ole olemassa. Absoluuttisten todisteiden puuttuessa spekulointi on parasta, mitä voimme toivoa.
Tähän liittyen haluaisin päättää puheenvuoroni tähän mahtavaan editoituun otteeseen Carl Saganin Kosmoksesta, jossa hän esittää hypoteesin todennäköisestä skenaariosta, jossa elämä voisi kehittyä Jupiterin kaltaisessa maailmassa.
Juuri siksi, että jonkin asian tapahtuminen näyttää epätodennäköiseltä, olemme tieteessä aina hämmästyneitä huomatessamme, että joskus, riippumatta siitä, kuinka epätodennäköistä se onkaan, päinvastainen on totta. Vaikka ammoniakkipohjaisia eliöitä ei ehkä olisikaan olemassa meidän maanpäällisillä standardeillamme, se ei suinkaan tarkoita, etteikö sitä voisi tapahtua muulla tavoin.
Tom Caldwellilla on kandidaatin tutkinto biokemiasta UCLA:sta. Hän valmistelee parhaillaan tohtorin tutkintoa molekyylibiologiasta.