Régebben a szilícium-alapú élet tudományát tudományos fikciónak minősítették. A szilíciumvegyületek változatlan kristályos elrendeződésekre korlátozódnak, míg a szénvegyületek, nevezetesen a szerves anyagok a molekulák olyan nagy változatosságát képesek alkotni, hogy bármilyen stabil molekuláris elrendeződés spontán kialakulhat, és a természetes szelekció az életet támogató molekuláknak kedvez. Az életért folyó prebiotikus versenyben a szilícium- és a szénbázisok között valószínűleg a szén dominálna. De gondoljunk arra az alternatívára, amikor a vizet egy nagyon ismerős, de valószínűtlen kémiai anyag váltotta fel. Létezhetne-e élet egy olyan világban, amelyet az ammónia óceánjai, tavai és folyói uralnak?
A bontás
Az ammónia mérgező anyag az emberekre, a rovarokra, sőt még a baktériumokra is. Egyes ipari oldószerek és tisztítószerek fő összetevője, és veszélyes a környezetre. Az ammónia még a nagy hatékonyságú robbanóanyagok előállításához használt recept nélkülözhetetlen része is. Hogyan lehetséges, hogy egy olyan halálos anyag, mint az ammónia, lehetővé teszi az élő szervezetek kialakulását és evolúcióját? Akár hiszik, akár nem, az ammónia sok olyan molekuláris tulajdonsággal rendelkezik, mint egy másik ismert, az élethez nélkülözhetetlen vegyület: a víz. Egyes asztrobiológusok azt javasolják, hogy az élet ugyanúgy fejlődhet ki ammóniás közegben, mint ahogyan a földi élet is hidratált közegben alakult ki. Képzeljük csak el: ugyanaz az anyag, amelyről köztudott, hogy feloldja a fémeket, égeti a bőrt, szennyezi a környezetet, és felrobban, ha helytelenül keverik, nagyon is lehet az “élet vize” egyes földönkívüli világokon (és most nem a Dűnéről beszélek).
Mondjuk meg először, hogy miért az ammónia a potenciális jelölt. Az ammónia és a víz egyaránt poláris molekulák. Az oxigén- és nitrogénatomok elektronegativitása nagyobb, mint a hidrogénatomok elektronegativitása. A központi atom (akár nitrogén, akár oxigén) és a hidrogénatomok közötti elektronegativitásbeli különbség miatt a molekulák polárosak lesznek. A központi atom enyhén negatív töltést vesz fel, a hidrogénatomok pedig enyhén pozitívvá válnak. Ez teszi az ammóniát és a vizet erős oldószerré, mivel képes sókat és kis poláros molekulákat oldani.
A víz számos fizikai tulajdonsága az ammóniával is közös. Mindkét közeg képes vezetni az elektromosságot, bár gyengén, és a pozitív töltésű hidrogének koordinációja a közeli molekulák negatív töltésű részeivel az egyik legerősebb, a kémiában ismert molekulák közötti erőt képezi: a hidrogénkötést. Ez analóg azzal, mintha egy pozitív töltéssel rendelkező tárgyat az egyik végén elektrosztatikusan egy másik tárgy negatív töltéséhez kötnénk. Laikus nyelven szólva, a hidrogénkötések lehetővé teszik, hogy a poláros molekulák nagyon jól tapadjanak egymáshoz, ezért van az, hogy a víznek miért olyan magas a felületi feszültsége és a forráspontja.
A víz ilyen mértékben sokoldalú oldószer: szinte “bármit” képes feloldani, és az oldhatóság alapvető fontosságú a prebiotikus körülmények között. Sok sót és kis, poláros szerves molekulákat, például cukrokat és aminosavakat képes feloldani. A szerves vegyületek és sók oldhatósága nagyon fontos az élet szempontjából, mert pufferolja a reakcióelegyeket, hogy ellenálljanak a pH-érték, a sótartalom, sőt az oxidációs állapot változásainak is. Az a környezet támogatja legjobban az életet, amelyben az alapvető biomolekulák koncentrációja stabil.
A víz fizikai tulajdonságainak másik nagyon fontos jellemzője a nagy, nem poláros vegyületek hidrofób hatása. A nem poláris és poláris anyagok nem keverednek túl jól az oldatban, ezért a nem poláris molekulák hajlamosak konglomerálódni a poláris molekulák oldatában. Más szóval: a nem poláros molekulák sokkal erősebben tapadnak egymáshoz, ha poláros molekulák veszik körül őket.
A hidrofób hatás döntő fontosságú az abiogenezis folyamatában, mert ez mozgatja a micellák és a fehérjék kialakulását. A hidrofób hatás nélkül a lipidek nem tudnának lágyulni, hogy sejtmembránokat alkossanak, és az aminosav-polimerek nem tudnának összecsukódni, hogy funkcionális fehérjéket és enzimeket alkossanak.
Az ammónia ugyan képes hidrogénkötések kialakítására, de polaritása elhalványul a vízéhez képest. Az ammónia kevésbé képes hidrogénkötések kialakítására, és ennek következtében a szerves molekulák hidrofób hatása és oldhatósága is gyengébb.
Ez problémát jelent az abiogenezis szempontjából. A kis bioorganikus molekulák nem oldódnának túl jól az ammóniában. A fehérjék és a membránok instabilak lehetnek ammóniaoldatban, mert nem tudnak megfelelően összecsukódni. A membránok és a lipidek még nagyobb problémát jelentenek; ha a sejtmembránok nem tömörülnek össze kellőképpen, akkor a sejtek már enyhe környezeti változások hatására is széteshetnek. Az élet kevésbé lenne alkalmazkodóképes egy ammóniás környezetben, mint egy vizes környezetben.
A folyékony ammónia stabilitása önmagában is aggodalomra ad okot. Elméletileg az élet csak folyadékban tartható fenn, gázban vagy szilárd anyagban nem. Ha túl gyorsan vagy túl könnyen felforralják, az organizmusok nehezebben alkalmazkodhatnak a környezethez. Az ammónia szobahőmérsékleten gázként létezik, míg a víz 0 és 100 Celsius-fok közötti hőmérséklet-tartományban folyadékként stabil. Ez a hidrogénkötések erősségének köszönhető: minél erősebbek a hidrogénkötések, annál valószínűbb, hogy a molekulák elég sokáig összetartanak ahhoz, hogy folyadékká sűrűsödjenek. Az ammóniának gyenge a hidrogénkötése, ezért a hőmérsékletet normál légköri nyomáson drámaian le kell csökkenteni ahhoz, hogy az ammónia folyékony állapotban stabilizálódjon; egy olyan világról beszélünk, amelynek 4 milliárd éves jégkorszakon kell átesnie. Egy hideg, halott bolygó aligha ideális jelölt az élet fenntartására.
Andoria felszíne.
Az ammónia forráspontja -33 Celsius-fok 14,7 psi nyomás alatt, ami azt jelenti, hogy a folyékony ammónia csak a Föld légköri nyomása mellett stabil ezen hőmérséklet alatt. Ha egy pillanatra feltételezzük, hogy a szerves molekulák összecsukódása, konglomerálódása és oldódása termodinamikailag valószínű, akkor 14,7 psi nyomáson -78 Celsius-fok és -33 fok között kellene tartani a globális hőmérsékletet. Ez túl szűk sáv az organizmusok számára a boldoguláshoz; bármilyen enyhe éghajlati ingadozás ténylegesen veszélyeztetheti az ammónián alapuló élet fennmaradását. A tápanyagok anyagcseréjét és az élőlények szaporodását megzavarnák a szélsőségesen alacsony és magas hőmérsékletű időszakok.
A probléma egyetlen áthidaló megoldása az alacsonyabb hőmérséklet helyett a magasabb légköri nyomást alkalmazó gáz kondenzációja. A gáz extrém nyomáson folyadékká kondenzálható, és a hőmérséklet jóval a normál forráspontja felett tartható (ami jó hír az ammóniás éghajlat számára, ahol az életnek hőre van szüksége a boldoguláshoz). Az ammónia 12,1 ezer földi atmoszférának megfelelő nyomáson, körülbelül 37 Celsius-fokos hőmérsékleten kondenzálódik folyadékká. Sajnos, még nem fedeztük fel, vagy nem tettünk fel hipotézist arról, hogy egy bolygó milyen módon rejthetne magában ilyen sűrű légkört. A Vénusz, a ma ismert legsűrűbb légkörrel rendelkező földi bolygó felszíni nyomásértéke 93 bar; ez aligha felel meg a 12 000 bar légköri követelménynek. A Jupiter, a következő legjobb választás, csak a bolygó közepén 1000 bar körüli maximális nyomással rendelkezik; ez is aligha ideális a mi céljainkhoz. Hasonló bolygókon nem valószínű, hogy a légköri nyomás elég magas ahhoz, hogy az ammónia folyadékká kondenzálódjon, bár ez nem jelenti azt, hogy az ammónián alapuló élet ne alakulhatna ki más módon.
A végső ítélet
Az ammónián alapuló élet nem tartozik a Star Trek fő témái közé, és mindig is csodálkoztam, hogy miért nem szerepelt soha a sorozatokban. Sajnos nem valószínű, hogy ez egy Science Fact lenne. Fontos megjegyezni, hogy sok, a tudományban kezdetben lehetetlennek tartott dolgot végül a tudomány bizonyított, vagy legalábbis valamilyen mértékben. Ahogy a cikkeimben mindig hangsúlyozom: attól, hogy valami nagyon valószínűtlennek tűnik, még nem jelenti azt, hogy nem történhet meg. Még fel kell fedeznünk az ammónián alapuló életet, vagy bármilyen életet máshol, mielőtt bárki, még én is, azt mondhatnám, hogy az ammónián alapuló idegenek létezhetnek vagy nem létezhetnek. Abszolút bizonyítékok hiányában a spekuláció a legjobb, amiben reménykedhetünk.
Ezzel a megjegyzéssel szeretném zárni ezt a félelmetes szerkesztett részletet Carl Sagan Kozmosz című könyvéből, amelyben felvet egy valószínű forgatókönyvet, amelyben az élet kifejlődhet egy olyan világon, mint a Jupiter.
Mert ha valami valószínűtlennek tűnik, a tudományban mindig meglepődünk, hogy néha, bármilyen valószínűtlen is, az ellenkezője igaz. Még ha az ammónia-alapú organizmusok a mi földi mércénk szerint nem is létezhetnek, ez még korántsem jelenti azt, hogy másképp nem történhet meg.”
Tom Caldwell a UCLA-n szerzett alapdiplomát biokémiából. Jelenleg a molekuláris biológia doktori cím megszerzésén dolgozik.