Förut har vetenskapen bakom kiselbaserat liv fastställts vara science fiction. Kiselföreningar är begränsade till oföränderliga kristallina arrangemang, medan kolföreningar, nämligen organiska föreningar, kan bilda ett stort antal molekyler så att alla stabila molekylära arrangemang skulle kunna bildas spontant och att det naturliga urvalet skulle gynna de molekyler som stöder liv. I den prebiotiska konkurrensen mellan kisel- och kolbaser för liv skulle kolet sannolikt dominera. Men tänk på alternativet där vatten ersattes av en mycket välkänd, men osannolik, kemikalie. Skulle liv kunna existera i en värld som domineras av hav, sjöar och floder av ammoniak?
Avbrottet
Ammoniak är ett giftigt ämne för människor, insekter och till och med bakterier. Det är huvudbeståndsdelen i vissa industriella lösningsmedel och rengöringslösningar och är farligt för miljön. Ammoniak är till och med en viktig del av ett recept som används för att tillverka sprängämnen med hög avkastning. Hur skulle något så dödligt som ammoniak kunna möjliggöra uppkomsten och utvecklingen av levande organismer? Tro det eller ej, men ammoniak har många av samma molekylära egenskaper som en annan välkänd förening som är nödvändig för livet: vatten. Vissa astrobiologer föreslår att livet kan utvecklas i ett ammoniakhaltigt medium på samma sätt som livet på jorden växte i ett vattenhaltigt medium. Tänk dig: samma ämne som är känt för att lösa upp metaller, bränna huden, förorena miljön och explodera om det blandas felaktigt kan mycket väl vara ”livets vatten” i vissa utomjordiska världar (och jag pratar inte om Dune).
Låt oss först fundera på varför ammoniak är en potentiell kandidat. Ammoniak och vatten är båda polära molekyler. Syre- och kväveatomernas elektronegativitet är större än elektronegativiteten hos deras motsvarigheter i väte. Skillnaden i elektronegativitet mellan den centrala atomen (oavsett om det är kväve eller syre) och väteatomerna gör att molekylerna blir polära. Den centrala atomen får en svagt negativ laddning och väteatomerna blir svagt positiva. Detta gör ammoniak och vatten till kraftfulla lösningsmedel, eftersom det kan lösa upp salter och små polära molekyler.
Flera av vattnets fysikaliska egenskaper delas också av ammoniak. Båda medierna kan leda elektricitet, om än svagt, och samordningen av positivt laddade väteämnen med negativt laddade delar på närliggande molekyler bildar en av de starkaste intermolekylära krafter som är kända inom kemin: vätebindningen. Detta är analogt med att ta ett föremål med en positiv laddning i ena änden och elektrostatiskt binda det till en negativ laddning på ett annat föremål. I lekmannatermer gör vätebindningar det möjligt för polära molekyler att hålla fast vid varandra på ett mycket bra sätt, därav anledningen till att vatten har en så hög ytspänning och kokpunkt.
I så måtto är vatten ett mångsidigt lösningsmedel: det kan lösa upp nästan ”vad som helst”, och löslighet är viktigt under prebiotiska förhållanden. Det kan lösa upp många salter och små, polära organiska molekyler som sockerarter och aminosyror. Lösligheten hos organiska föreningar och salter är mycket viktig för livet eftersom den buffrar reaktionsblandningar för att motstå förändringar i pH, salthalt och till och med oxidationstillstånd. En miljö som bäst stöder livet är en miljö med stabila koncentrationer av viktiga biomolekyler.
En annan mycket viktig egenskap hos vattnets fysiska egenskaper är den hydrofoba effekten av stora, opolära föreningar. Opolära och polära ämnen blandas inte särskilt bra i lösning, vilket är anledningen till att opolära molekyler tenderar att klumpa ihop sig i en lösning av polära molekyler. Med andra ord: opolära molekyler fäster mycket hårdare vid varandra när de är omgivna av polära molekyler.
Den hydrofoba effekten är avgörande i abiogenesprocessen eftersom den driver bildandet av miceller och proteiner. Utan den hydrofoba effekten skulle lipider inte kunna glöda för att bilda cellmembran, och aminosyrepolymerer skulle inte kunna veckas för att bilda funktionella proteiner och enzymer.
Men även om ammoniak kan ha förmågan att bilda vätebindningar, så bleknar dess polaritet i jämförelse med vattnets. Ammoniak har mindre förmåga att bilda vätebindningar och som en följd av detta är den hydrofoba effekten och lösligheten hos organiska molekyler också svagare.
Detta innebär problem för abiogenesen. Små bioorganiska molekyler skulle inte lösa sig särskilt bra i ammoniak. Proteiner och membran kan vara instabila i en lösning av ammoniak eftersom de kanske inte veckar sig ordentligt. Membraner och lipider blir ett ännu större problem; om cellmembranen inte packar ihop tillräckligt mycket kan cellerna brytas sönder även vid milda miljöförändringar. Livet skulle vara mindre anpassningsbart i en miljö med ammoniak än i en miljö med vatten.
Stabiliteten hos flytande ammoniak i sig ger anledning till oro. Teoretiskt sett kan liv endast upprätthållas i en vätska, inte i en gas eller ett fast ämne. Om den kokar bort för snabbt eller för lätt kan organismerna få svårare att anpassa sig till miljön. Ammoniak existerar som en gas vid rumstemperatur, medan vatten är stabilt som vätska i ett temperaturintervall från 0 till 100 grader Celsius. Detta beror på styrkan i vätebindningen: ju starkare vätebindningarna är, desto större är sannolikheten att molekylerna håller ihop tillräckligt länge för att kondenseras till en vätska. Ammoniak har svag vätebindning, vilket är anledningen till att temperaturen måste sänkas dramatiskt under normalt atmosfärstryck för att stabilisera ammoniak i flytande tillstånd; vi talar om en värld som måste genomgå en 4 miljarder år lång istid. En kall, död planet är knappast en idealisk kandidat för att stödja liv.
Andorias yta.
Ammoniakens kokpunkt är -33 grader Celsius under 14,7 psi tryck, vilket innebär att flytande ammoniak endast är stabil under denna temperatur vid jordens atmosfäriska tryck. Om man för ett ögonblick antar att veckning, konglomering och löslighet av organiska molekyler var termodynamiskt sannolika, skulle en global temperatur behöva upprätthållas från -78 grader Celsius och -33 grader vid 14,7 psi. Detta är ett alltför smalt område för att organismer ska trivas; varje mild klimatfluktuation kan faktiskt hota det ammoniakbaserade livets överlevnad. Näringsmetabolismen och reproduktionen av organismer skulle störas av perioder med extrema låg- och högtryck.
Den enda lösningen på detta problem är kondensering av en gas med hjälp av ett högre atmosfärstryck i stället för en lägre temperatur. Gas kan kondenseras till en vätska under extrema tryck, och temperaturen kan bibehållas långt över dess normala kokpunkt (vilket är goda nyheter för ett ammoniakartat klimat där livet kräver värme för att trivas). Ammoniak kondenserar till vätska under ett tryck som motsvarar 12,1 tusen jordatmosfärer vid cirka 37 grader Celsius. Tyvärr har vi ännu inte upptäckt eller ställt hypoteser om hur en planet skulle kunna hysa en så tät atmosfär. Venus, en jordplanet med den tätaste kända atmosfären idag, har ett tryckvärde på 93 bar vid ytan; detta uppfyller knappast atmosfärens krav på 12 000 bar. Jupiter, det näst bästa valet, har endast ett maximalt tryck på cirka 1 000 bar i planetens centrum, vilket återigen knappast är idealiskt för våra syften. Det är osannolikt att liknande planeter har ett atmosfärstryck som är tillräckligt högt för att kondensera ammoniak till en vätska, men det betyder inte att ammoniakbaserat liv inte kan uppstå på annat sätt.
Den slutgiltiga domen
Ammoniabaserat liv är inget stort tema i Star Trek, och jag har alltid undrat varför det aldrig togs med i programmen. Tyvärr är det osannolikt att det blir en vetenskaplig fakta. Det är viktigt att notera att många saker som till en början ansågs omöjliga inom vetenskapen så småningom bevisades av vetenskapen, eller åtminstone i viss utsträckning. Som jag alltid betonar i mina artiklar: bara för att något verkar mycket osannolikt betyder det inte att det inte kan hända. Vi måste fortfarande upptäcka ammoniakbaserat liv, eller något liv någon annanstans för den delen, innan någon, även jag, kan säga att ammoniakbaserade utomjordingar kan eller inte kan existera. I avsaknad av absoluta bevis är spekulationer det bästa vi kan hoppas på.
I det sammanhanget vill jag avsluta med detta fantastiska redigerade utdrag ur Carl Sagans Cosmos, där han ställer en hypotes om ett troligt scenario där liv skulle kunna utvecklas på en värld som Jupiter.
Bara för att något verkar osannolikt att inträffa är vi inom vetenskapen alltid förvånade över att upptäcka att det motsatta ibland är sant, hur osannolikt det än är. Även om ammoniakbaserade organismer kanske inte existerar med våra jordiska måttstockar innebär det inte på något sätt att det inte kan ske på något annat sätt.
Tom Caldwell har en kandidatexamen i biokemi från UCLA. Han arbetar för närvarande mot en doktorsexamen i molekylärbiologi.