Vroeger werd vastgesteld dat de wetenschap achter leven op basis van silicium science fiction was. Siliciumverbindingen zijn beperkt tot onveranderlijke kristallijne rangschikkingen, terwijl koolstofverbindingen, namelijk organisch, een grote verscheidenheid aan moleculen kunnen vormen, zodat elke stabiele moleculaire rangschikking spontaan zou kunnen worden gevormd en dat natuurlijke selectie de moleculen zou bevoordelen die leven ondersteunen. In de prebiotische competitie tussen de silicium- en koolstofbasis voor leven, zou koolstof hoogstwaarschijnlijk domineren. Maar denk eens aan het alternatief waarbij water werd vervangen door een zeer bekende, maar onwaarschijnlijke chemische stof. Zou leven kunnen bestaan in een wereld die wordt gedomineerd door oceanen, meren en rivieren van ammoniak?
De afbraak
Ammoniak is een giftige stof voor mensen, insecten en zelfs bacteriën. Het is het hoofdbestanddeel van sommige industriële oplosmiddelen en schoonmaakmiddelen en is gevaarlijk voor het milieu. Ammoniak is zelfs een essentieel onderdeel van een recept om explosieven met hoge opbrengst te maken. Hoe kan iets zo dodelijk als ammoniak het ontstaan en de evolutie van levende organismen mogelijk maken? Geloof het of niet, maar ammoniak heeft veel van dezelfde moleculaire eigenschappen als een andere bekende verbinding die essentieel is voor leven: water. Sommige astrobiologen denken dat het leven zich kan ontwikkelen in een ammoniakhoudend medium, net zoals het leven op aarde zich ontwikkelde in een gehydrateerd medium. Stel je voor: dezelfde stof waarvan bekend is dat hij metalen oplost, de huid verbrandt, het milieu vervuilt en ontploft als het verkeerd wordt gemengd, kan heel goed het “Levenswater” zijn op sommige buitenaardse werelden (en dan heb ik het niet over Dune).
Laten we eerst eens kijken waarom ammoniak een potentiële kandidaat is. Ammoniak en water zijn beide polaire moleculen. De elektronegativiteit van de zuurstof- en stikstofatomen is groter dan de elektronegativiteit van hun waterstoftegenhangers. Het verschil in elektronegativiteit tussen het centrale atoom (stikstof of zuurstof) en de waterstofatomen zorgt ervoor dat de moleculen polair worden. Het centrale atoom krijgt een licht negatieve lading en de waterstofatomen worden licht positief. Dit maakt ammoniak en water tot krachtige oplosmiddelen, omdat het zouten en kleine polaire moleculen kan oplossen.
Een aantal van de fysische eigenschappen in water worden ook door ammoniak gedeeld. Beide media kunnen elektriciteit geleiden, zij het zwak, en de coördinatie van positief geladen hydrogenen met negatief geladen delen op nabijgelegen moleculen vormt een van de sterkste intermoleculaire krachten die in de chemie bekend zijn: de waterstofbrug. Dit is analoog aan het nemen van een voorwerp met een positieve lading aan het ene uiteinde en dit elektrostatisch te binden aan een negatieve lading op een ander voorwerp. In lekentaal: waterstofbruggen zorgen ervoor dat polaire moleculen zeer goed aan elkaar kunnen kleven, vandaar de reden waarom water zo’n hoge oppervlaktespanning en kookpunt heeft.
In zoverre is water een veelzijdig oplosmiddel: het kan bijna “alles” oplossen, en oplosbaarheid is essentieel onder prebiotische omstandigheden. Het kan veel zouten en kleine, polaire organische moleculen zoals suikers en aminozuren oplossen. Oplosbaarheid van organische verbindingen en zouten is zeer belangrijk voor het leven, omdat het reactiemengsels buffert tegen veranderingen in pH, zoutgehalte en zelfs oxidatietoestanden. Een omgeving die het leven het beste ondersteunt is er een met stabiele concentraties van essentiële biomoleculen.
Een ander zeer belangrijk kenmerk van de fysische eigenschappen van water is het hydrofobe effect van grote, niet polaire verbindingen. Niet-polaire en polaire stoffen mengen zich niet goed in oplossing, en daarom hebben niet-polaire moleculen de neiging om samen te klonteren in een oplossing van polaire moleculen. Met andere woorden: niet polaire moleculen kleven veel vaster aan elkaar wanneer ze omgeven zijn door polaire moleculen.
Het hydrofobe effect is van cruciaal belang in het proces van abiogenese omdat het de vorming van micellen en eiwitten aandrijft. Zonder het hydrofobe effect zouden lipiden niet kunnen gloeien om celmembranen te vormen, en zouden aminozuurpolymeren zich niet kunnen vouwen om functionele eiwitten en enzymen te vormen.
Want ammoniak mag dan het vermogen hebben om waterstofbruggen te vormen, zijn polariteit verbleekt in vergelijking met die van water. Ammoniak is minder goed in staat waterstofbruggen te vormen en bijgevolg zijn het hydrofobe effect en de oplosbaarheid van organische moleculen ook zwakker.
Dit levert problemen op voor abiogenese. Kleine bio-organische moleculen zouden niet erg goed oplossen in ammoniak. Eiwitten en membranen kunnen instabiel zijn in een oplossing van ammoniak omdat ze zich niet goed kunnen opvouwen. Membranen en lipiden worden een nog groter probleem; als celmembranen niet voldoende samenklitten, dan zouden cellen zelfs bij milde veranderingen in het milieu uit elkaar kunnen vallen. Het leven zou minder aanpasbaar zijn in een omgeving van ammoniak dan in een omgeving van water.
De stabiliteit van vloeibare ammoniak zelf geeft reden tot bezorgdheid. Theoretisch kan leven alleen worden ondersteund in een vloeistof, niet in een gas of vaste stof. Als het te snel of te gemakkelijk wordt afgekookt, kunnen organismen het moeilijker krijgen zich aan de omgeving aan te passen. Ammoniak bestaat als gas bij kamertemperatuur, terwijl water als vloeistof stabiel is vanaf een temperatuurbereik van 0 tot 100 graden Celsius. Dit komt door de sterkte van de waterstofbruggen: hoe sterker de waterstofbruggen, hoe groter de kans dat de moleculen lang genoeg bij elkaar blijven om te condenseren tot een vloeistof. Ammoniak heeft een zwakke waterstofbrug, en daarom moet de temperatuur onder normale atmosferische druk drastisch worden verlaagd om ammoniak in vloeibare toestand te stabiliseren; we hebben het hier over een wereld die een ijstijd van 4 miljard jaar moet doormaken. Een koude, dode planeet is nauwelijks een ideale kandidaat om leven te ondersteunen.
Oppervlak van Andoria.
Ammonia’s kookpunt ligt bij -33 graden Celsius onder 14,7 psi druk, wat betekent dat vloeibare ammoniak alleen stabiel is onder deze temperatuur bij de atmosferische druk van de aarde. Als we even aannemen dat het vouwen, samenklonteren en oplossen van organische moleculen thermodynamisch waarschijnlijk is, dan zou een wereldwijde temperatuur moeten worden aangehouden van -78 graden Celsius en -33 graden bij 14,7 psi. Dit is een te smalle bandbreedte voor organismen om te gedijen; elke milde klimaatschommeling kan zelfs een bedreiging vormen voor het voortbestaan van op ammoniak gebaseerd leven. Het metabolisme van voedingsstoffen en de replicatie van organismen zouden worden verstoord door perioden van extreme lage en hoge temperaturen.
De enige oplossing voor dit probleem is de condensatie van een gas bij een hogere atmosferische druk in plaats van bij een lagere temperatuur. Gas kan onder extreme druk tot een vloeistof worden gecondenseerd, en de temperatuur kan ruim boven het normale kookpunt worden gehandhaafd (wat goed nieuws is voor een ammoniakklimaat waarin leven warmte nodig heeft om te gedijen). Ammoniak condenseert tot een vloeistof onder een druk die overeenkomt met 12,1 duizend aardatmosferen bij ongeveer 37 graden Celsius. Helaas hebben we nog geen manier ontdekt of een hypothese geformuleerd waarop een planeet zo’n dichte atmosfeer zou kunnen herbergen. Venus, een aardse planeet met de dichtste bekende atmosfeer van dit moment, heeft een drukwaarde van 93 bar aan het oppervlak; dit voldoet nauwelijks aan de atmosferische eis van 12.000 bar. Jupiter, de volgende beste keuze, heeft slechts een maximale druk van ongeveer 1000 bar in het centrum van de planeet; ook dit is nauwelijks ideaal voor onze doeleinden. Vergelijkbare planeten zullen waarschijnlijk geen atmosferische druk hebben die hoog genoeg is om ammoniak te condenseren tot een vloeistof, maar dat betekent niet dat er geen leven op basis van ammoniak kan ontstaan op een andere manier.
Het eindoordeel
Op ammoniak gebaseerd leven is geen belangrijk thema van Star Trek, en ik heb me altijd afgevraagd waarom het nooit in de shows is opgenomen. Helaas is het onwaarschijnlijk dat het een Science Fact wordt. Het is belangrijk op te merken dat veel dingen die aanvankelijk in de wetenschap voor onmogelijk werden gehouden, uiteindelijk toch door de wetenschap zijn bewezen, of in ieder geval tot op zekere hoogte. Zoals ik altijd benadruk in mijn artikelen: alleen omdat iets hoogst onwaarschijnlijk lijkt, betekent het niet dat het niet kan gebeuren. We moeten nog leven op basis van ammoniak ontdekken, of enig leven elders wat dat betreft, voordat iemand, zelfs ik, kan zeggen dat buitenaardse wezens op basis van ammoniak wel of niet kunnen bestaan. Bij gebrek aan absoluut bewijs is speculatie het beste waar we op kunnen hopen.
Op die noot wil ik graag afsluiten met dit geweldige bewerkte fragment uit Carl Sagan’s Cosmos, waarin hij een hypothese geeft van een waarschijnlijk scenario waarin leven zou kunnen evolueren op een wereld als Jupiter.
Juist omdat iets onwaarschijnlijk lijkt om te gebeuren, zijn we in de wetenschap altijd verbaasd om te ontdekken dat soms, hoe onwaarschijnlijk ook, het tegendeel waar is. Zelfs als op ammoniak gebaseerde organismen naar onze aardse maatstaven misschien niet bestaan, betekent dat geenszins dat het niet op een andere manier kan gebeuren.
Tom Caldwell heeft een Bachelor’s of Science in de biochemie van de UCLA. Hij werkt momenteel aan een Ph.D. in moleculaire biologie.