Poprzednio nauka stojąca za życiem opartym na krzemie została uznana za science fiction. Związki krzemu są ograniczone do niezmiennych układów krystalicznych, podczas gdy związki węgla, czyli związki organiczne, mogą tworzyć dużą różnorodność molekuł, tak że każdy stabilny układ molekularny mógłby powstać spontanicznie, a dobór naturalny faworyzowałby te molekuły, które podtrzymują życie. W prebiotycznej konkurencji pomiędzy krzemowymi i węglowymi podstawami życia, węgiel najprawdopodobniej by dominował. Rozwa „yjmy jednak alternatywn¡ alternatywn¡, w której wod¦ zast±piono by bardzo znan¡, choć mało prawdopodobn¡ substancj¡ chemiczn¡. Czy życie mogłoby istnieć w świecie zdominowanym przez oceany, jeziora i rzeki amoniaku?
Załamanie
Amoniak jest substancją toksyczną dla ludzi, owadów, a nawet bakterii. Jest on głównym składnikiem niektórych rozpuszczalników przemysłowych i roztworów czyszczących i jest niebezpieczny dla środowiska. Amoniak jest nawet istotną częścią receptury używanej do produkcji wysokowydajnych materiałów wybuchowych. Jak coś tak zabójczego jak amoniak mogłoby umożliwić powstanie i ewolucję organizmów żywych? Wierzcie lub nie, ale amoniak ma wiele takich samych właściwości molekularnych jak inny znany związek, który jest niezbędny do życia: woda. Niektórzy astrobiolodzy proponują, że życie może ewoluować w środowisku amoniakalnym w taki sam sposób, w jaki życie na Ziemi rozwijało się w środowisku uwodnionym. Wyobraź sobie: ta sama substancja, o której wiadomo, że rozpuszcza metale, parzy skórę, zanieczyszcza środowisko i wybucha, jeśli jest niewłaściwie zmieszana, może być „Wodą Życia” na niektórych światach pozaziemskich (i nie mówię tu o Diunie).
Zastanówmy się najpierw, dlaczego amoniak jest potencjalnym kandydatem. Amoniak i woda są cząsteczkami polarnymi. Elektronegatywność atomów tlenu i azotu jest większa niż elektronegatywność ich odpowiedników wodoru. Różnica elektroujemności pomiędzy atomem centralnym (azotu lub tlenu) a atomami wodoru powoduje, że cząsteczki stają się polarne. Atom centralny przyjmuje ładunek lekko ujemny, a hydrogeny stają się lekko dodatnie. To sprawia, że amoniak i woda są silnymi rozpuszczalnikami, ponieważ mogą rozpuszczać sole i małe cząsteczki polarne.
Kilka właściwości fizycznych wody jest również wspólna dla amoniaku. Oba media mogą przewodzić prąd elektryczny, choć słabo, a koordynacja dodatnio naładowanych hydrogenów z ujemnie naładowanymi częściami pobliskich cząsteczek tworzy jedną z najsilniejszych sił międzycząsteczkowych znanych w chemii: wiązanie wodorowe. Jest to analogiczne do wzięcia obiektu z dodatnim ładunkiem na jednym końcu i elektrostatycznego związania go z ujemnym ładunkiem na innym obiekcie. Laicko rzecz ujmując, wiązania wodorowe pozwalają polarnym cząsteczkom przylegać do siebie bardzo dobrze, stąd powód, dla którego woda ma tak wysokie napięcie powierzchniowe i temperaturę wrzenia.
W tym zakresie woda jest wszechstronnym rozpuszczalnikiem: może rozpuścić prawie „wszystko”, a rozpuszczalność jest niezbędna w warunkach prebiotycznych. Może rozpuścić wiele soli i małych, polarnych cząsteczek organicznych, takich jak cukry i aminokwasy. Rozpuszczalność związków organicznych i soli jest bardzo ważna dla życia, ponieważ buforuje mieszaniny reakcyjne, aby były odporne na zmiany pH, zasolenia, a nawet stanu utlenienia. Środowisko, które najlepiej wspiera życie, to takie ze stabilnymi stężeniami niezbędnych biomolekuł.
Inną bardzo ważną cechą właściwości fizycznych wody jest efekt hydrofobowy dużych, niepolarnych związków. Substancje niepolarne i polarne nie mieszają się zbyt dobrze w roztworze, dlatego też cząsteczki niepolarne mają tendencję do zlepiania się w roztworze cząsteczek polarnych. Innymi słowy: cząsteczki niepolarne przylegają do siebie znacznie mocniej, gdy są otoczone cząsteczkami polarnymi.
Efekt hydrofobowy jest kluczowy w procesie abiogenezy, ponieważ napędza powstawanie miceli i białek. Bez efektu hydrofobowego, lipidy nie mogłyby ulec wyżarzeniu tworząc błony komórkowe, a polimery aminokwasów nie mogłyby ulec sfałdowaniu tworząc funkcjonalne białka i enzymy.
Amoniak może mieć zdolność tworzenia wiązań wodorowych, ale jego polarność blednie w porównaniu z wodą. Amoniak jest mniej zdolny do tworzenia wiązań wodorowych i w konsekwencji efekt hydrofobowy i rozpuszczalność cząsteczek organicznych są również słabsze.
To przedstawia problemy dla abiogenezy. Mały bioorganiczny cząsteczka rozpuszczać bardzo dobrze w amoniak. Białka i błony mogą być niestabilne w roztworze amoniaku, ponieważ nie mogą one złożyć prawidłowo. Błony i lipidy stają się jeszcze większym problemem; jeśli błony komórkowe nie są dostatecznie upakowane razem, to komórki mogłyby się rozpadać nawet przy łagodnych zmianach środowiska. Życie miałoby mniejsze możliwości adaptacyjne w środowisku amoniaku niż w środowisku wody.
Stabilność ciekłego amoniaku sama w sobie uzasadnia obawy. Teoretycznie, życie może być podtrzymywane tylko w cieczy, a nie w gazie czy ciele stałym. Jeśli wygotuje się zbyt szybko lub zbyt łatwo, organizmy mogą mieć trudności z przystosowaniem się do środowiska. Amoniak istnieje jako gaz w temperaturze pokojowej, podczas gdy woda jest stabilna jako ciecz w zakresie temperatur od 0 do 100 stopni Celsjusza. Wynika to z siły wiązań wodorowych: im silniejsze wiązania wodorowe, tym większe prawdopodobieństwo, że cząsteczki będą się trzymać razem wystarczająco długo, aby skroplić się w ciecz. Amoniak ma słabe wiązanie wodorowe, dlatego temperatura musi być drastycznie obniżona pod normalnym ciśnieniem atmosferycznym, aby ustabilizować amoniak w stanie ciekłym; mówimy tu o świecie, który musi przejść 4-miliardową epokę lodowcową. Zimna, martwa planeta nie jest idealnym kandydatem do podtrzymywania życia.
Powierzchnia Andorii.
Punkt wrzenia amoniaku wynosi -33 stopnie Celsjusza pod ciśnieniem 14,7 psi, co oznacza, że ciekły amoniak jest stabilny tylko poniżej tej temperatury przy ziemskim ciśnieniu atmosferycznym. Zakładając przez chwilę, że składanie, zlepianie i rozpuszczalność cząsteczek organicznych są termodynamicznie prawdopodobne, globalna temperatura musiałaby być utrzymywana w zakresie od -78 stopni Celsjusza do -33 stopni przy ciśnieniu 14,7 psi. Jest to zbyt wąski zakres, aby organizmy mogły się rozwijać; każde łagodne wahanie klimatu może w rzeczywistości zagrozić przetrwaniu życia opartego na amoniaku. Metabolizm składników odżywczych i replikacja organizmów zostałyby zakłócone przez okresy ekstremalnych niżów i wyżów.
Jedynym rozwiązaniem tego problemu jest kondensacja gazu przy użyciu wyższego ciśnienia atmosferycznego, a nie niższej temperatury. Gaz może być skondensowany do postaci cieczy pod ekstremalnym ciśnieniem, a temperatura może być utrzymywana znacznie powyżej jego normalnej temperatury wrzenia (co jest dobrą wiadomością dla klimatu amoniakalnego, w którym życie wymaga ciepła, aby się rozwijać). Amoniak skrapla się do postaci ciekłej pod ciśnieniem odpowiadającym 12,1 tysiąca atmosfer ziemskich w temperaturze około 37 stopni Celsjusza. Niestety, jak dotąd nie odkryliśmy ani nie wysunęliśmy hipotezy na temat sposobu, w jaki planeta mogłaby pomieścić tak gęstą atmosferę. Wenus, ziemska planeta z najgęstszą znaną obecnie atmosferą, ma na powierzchni ciśnienie 93 barów, co z trudem spełnia wymagania atmosfery 12 000 barów. Jowisz, kolejny najlepszy wybór, ma maksymalne ciśnienie około 1000 barów w centrum planety, co również nie jest idealne dla naszych celów. Jest mało prawdopodobne, aby podobne planety miały ciśnienie atmosferyczne wystarczająco wysokie, aby skondensować amoniak w ciecz, choć nie oznacza to, że życie oparte na amoniaku nie może pojawić się w inny sposób.
Ostateczny werdykt
Życie oparte na amoniaku nie jest głównym tematem Star Treka i zawsze zastanawiałem się, dlaczego nigdy nie zostało uwzględnione w programach. Niestety, jest mało prawdopodobne, by było to Science Fact. Należy zauważyć, że wiele rzeczy początkowo uważanych w nauce za niemożliwe, zostało ostatecznie udowodnionych przez naukę, a przynajmniej w pewnym stopniu. Jak zawsze podkreślam w moich artykułach: tylko dlatego, że coś wydaje się wysoce nieprawdopodobne, nie oznacza to, że nie może się wydarzyć. Musimy jeszcze odkryć życie oparte na amoniaku, lub jakiekolwiek inne życie gdzie indziej, zanim ktokolwiek, nawet ja, będzie mógł powiedzieć, że amoniakalni kosmici mogą istnieć lub nie. W przypadku braku absolutnych dowodów, spekulacje są najlepszym na co możemy liczyć.
Na tę uwagę, chciałbym zakończyć tym wspaniałym edytowanym fragmentem z Kosmosu Carla Sagana, w którym wysuwa on hipotezę prawdopodobnego scenariusza, w którym życie mogłoby ewoluować na świecie takim jak Jowisz.
Tylko dlatego, że coś wydaje się nieprawdopodobne do zaistnienia, zawsze jesteśmy zdumieni w nauce, aby odkryć, że czasami, nie ważne jak mało prawdopodobne, przeciwieństwo jest prawdziwe. Nawet jeśli organizmy oparte na amoniaku mogą nie istnieć według naszych ziemskich standardów, nie oznacza to w żaden sposób, że nie może się to zdarzyć w inny sposób.
Tom Caldwell posiada tytuł licencjata w dziedzinie biochemii z UCLA. Obecnie pracuje nad doktoratem z biologii molekularnej.