Zemes dzīve, vienīgā, kas mums šobrīd ir zināma, balstās uz milzīgu oglekļa savienojumu daudzveidību. Tikmēr tas nav vienīgais ķīmiskais elements, kas var būt dzīvības pamatā.
Citu dzīves veidu esamība, kas būtiski atšķiras no mūsu zemes klātbūtnes, ķepu, acu, zobu, naglu, taustekļu un citu ķermeņa daļu atrašanās vietas un skaita, ir viena no iecienītākajām tēmām zinātniskās fantastikas literatūrā.
Tomēr zinātniskās fantastikas rakstnieki ar to neaprobežojas - viņi izdomā gan tradicionālās (oglekļa) dzīves eksotiskās formas, gan tās ne mazāk eksotiskos pamatus - teiksim, dzīvus kristālus, bezķermeniskas enerģijas lauka radības vai silīcija organiskās radības.
Papildus zinātniskās fantastikas rakstniekiem šādu jautājumu apspriešanā iesaistās arī zinātnieki, lai gan viņi daudz rūpīgāk vērtē. Galu galā līdz šim vienīgais zinātnes precīzi zināmais dzīves pamats ir ogleklis.
Neskatoties uz to, savulaik slavenais astronoms un zinātnes popularizētājs Karls Sagans teica, ka ir pilnīgi nepareizi vispārināt apgalvojumus par zemes dzīvi saistībā ar dzīvi visā Visumā. Šādus vispārinājumus Sagans nosauca par oglekļa šovinismu, savukārt viņš pats uzskatīja silīciju par visticamāko alternatīvo dzīves pamatu.
Dzīves galvenais jautājums
Organiskā silīcija organiskā forma no zinātniskās fantastikas sērijas "Star Trek"
Reklāmas video:
Kas ir dzīve? Šķiet, ka atbilde uz šo jautājumu ir acīmredzama, taču dīvainā kārtā zinātnieku aprindās joprojām notiek diskusijas par formāliem kritērijiem. Neskatoties uz to, var atšķirt vairākas raksturīgas pazīmes: dzīvei ir jāatjauno un jāattīstās, un tam ir jāievēro vairāki svarīgi nosacījumi.
Pirmkārt, dzīvības pastāvēšanai nepieciešams liels skaits ķīmisko savienojumu, kas galvenokārt sastāv no ierobežota skaita ķīmisko elementu. Organiskās ķīmijas gadījumā tie ir ogleklis, ūdeņradis, slāpeklis, skābeklis, sērs, un šādu savienojumu skaits ir milzīgs.
Otrkārt, šiem savienojumiem jābūt termodinamiski stabiliem vai vismaz metastabiliem, tas ir, to kalpošanas laikam jābūt pietiekami ilgam, lai veiktu dažādas bioķīmiskās reakcijas.
Trešais nosacījums ir tāds, ka ir jābūt reakcijām, lai iegūtu enerģiju no vides, kā arī to uzkrātu un atbrīvotu.
Ceturtkārt, dzīves pašpavairošanai ir nepieciešams iedzimtības mehānisms, kurā liela aperiodiska molekula darbojas kā informācijas nesēja.
Ervīns Šrēdingers ierosināja, ka aperiodisks kristāls varētu būt iedzimtas informācijas nesējs, un vēlāk tika atklāta DNS molekulas struktūra - lineārs kopolimērs. Visbeidzot, visām šīm vielām jābūt šķidrā stāvoklī, lai difūzijas dēļ nodrošinātu pietiekamu vielmaiņas reakciju (vielmaiņas) ātrumu.
Tradicionālās alternatīvas
Oglekļa gadījumā visi šie nosacījumi ir izpildīti, taču pat ar tuvāko alternatīvu - silīciju - situācija nebūt nav tik rožaina. Silīcija organiskās molekulas var būt pietiekami garas, lai pārnēsātu iedzimtu informāciju, taču to daudzveidība ir pārāk slikta salīdzinājumā ar oglekļa organiskajām - lielāko atomu izmēru dēļ silīcijs gandrīz neveido dubultās saites, kas ievērojami ierobežo dažādu funkcionālo grupu piesaistes iespējas.
Turklāt piesātinātie ūdeņraža silikoni - silāni - ir pilnīgi nestabili. Protams, ir arī stabili savienojumi, piemēram, silikāti, taču lielākā daļa no tiem normālos apstākļos ir cietas vielas.
Ar citiem elementiem, piemēram, boru vai sēru, situācija ir vēl sliktāka: bora organiskie un augsti molekulārie sēra savienojumi ir ārkārtīgi nestabili, un to daudzveidība ir pārāk slikta, lai nodrošinātu dzīvi ar visiem nepieciešamajiem apstākļiem.
Zem spiediena
"Slāpeklis nekad nav ticis nopietni uzskatīts par dzīves pamatu, jo normālos apstākļos vienīgais stabilais slāpekļa-ūdeņraža savienojums ir amonjaks NH3," saka Artemijs Oganovs, MIPT datorizēto materiālu projektēšanas laboratorijas vadītājs, Ņujorkas Stonija Brukas universitātes un Skolkovo Zinātnes un tehnoloģijas institūta profesors (Skoltech).
„Tomēr nesen, simulējot dažādas slāpekļa sistēmas pie augsta spiediena (līdz 800 GPa), izmantojot mūsu USPEX (Universal Structure Predictor: Evolutionary Xtallography) algoritmu, mūsu grupa atklāja pārsteidzošu lietu.
Izrādījās, ka spiedienā virs 36 GPa (360 000 atm) parādās vairākas stabilas ūdeņraža slāpekļa formas, piemēram, garas viendimensiju N4H, N3H, N2H un NH vienību polimēru ķēdes, eksotiskā N9H4, veidojot divdimensiju slāpekļa atomu loksnes ar piesaistītiem NH4 + katjoniem un molekulārie savienojumi N8H, NH2, N3H7, NH4, NH5.
Faktiski mēs atklājām, ka pie spiediena apmēram 40-60 GPa slāpekļa-ūdeņraža ķīmija tās daudzveidībā ievērojami pārsniedz ogļūdeņražu savienojumu ķīmiju normālos apstākļos. Tas ļauj cerēt, ka slāpekli, ūdeņradi, skābekli un sēru saturošo sistēmu ķīmija arī ir daudzveidīgāka nekā tradicionālā organiskā normālos apstākļos."
Solis uz dzīvi
Šī Artēma Oganova grupas hipotēze paver pilnīgi negaidītas iespējas attiecībā uz dzīves bezoglekļa pamatu.
"Ūdeņraža slāpeklis var veidot garas polimēru ķēdes un pat divdimensiju loksnes," skaidro Artems. - Tagad mēs pētām šādu sistēmu īpašības, piedaloties skābeklim, pēc tam savos modeļos apsvērumam pievienosim oglekli un sēru, un tas, iespējams, sākotnēji pavērs ceļu oglekļa proteīnu slāpekļa analogiem, kaut arī vienkāršākajiem, bez aktīviem centriem un sarežģītas struktūras.
Jautājums par enerģijas avotiem uz slāpekli balstītai dzīvei joprojām ir atklāts, lai gan tas, iespējams, var būt kāda veida redoksreakcijas, kas mums vēl nav zināmas un notiek augsta spiediena apstākļos. Patiesībā šādi apstākļi var pastāvēt tādu milzīgu planētu kā Urāns vai Neptūns zarnās, lai gan tur temperatūra ir pārāk augsta. Bet līdz šim mēs precīzi nezinām, kādas reakcijas tur var notikt un kuras no tām ir svarīgas dzīvībai, tāpēc nevaram precīzi novērtēt nepieciešamo temperatūras diapazonu."
Dzīves apstākļi, kuru pamatā ir slāpekļa savienojumi, lasītājiem var šķist ārkārtīgi eksotiski. Bet pietiek ar to, lai atgādinātu faktu, ka milzu planētu pārpilnība zvaigžņu sistēmās ir vismaz ne mazāka kā akmeņainām zemēm līdzīgām planētām. Un tas nozīmē, ka tieši mūsu, oglekļa dzīve Visumā var izrādīties daudz eksotiskāka.
“Slāpeklis ir septītais visizplatītākais elements Visumā. To ir diezgan daudz tādu milzu planētu kā Urāns un Neptūns sastāvā. Tiek uzskatīts, ka slāpeklis tur atrodas galvenokārt amonjaka veidā, taču mūsu modelēšana rāda, ka pie spiediena virs 460 GPa amonjaks vairs nav stabils savienojums (kā tas ir normālos apstākļos). Tātad, iespējams, milzu planētu zarnās amonjaka vietā ir pilnīgi atšķirīgas molekulas, un tā ir ķīmija, kuru mēs tagad pētām."
Slāpeklis eksotisks
Pie augsta spiediena slāpeklis un ūdeņradis veido daudzus stabilus, sarežģītus un neparastus savienojumus. Šo ūdeņraža-slāpekļa savienojumu ķīmija normālos apstākļos ir daudz daudzveidīgāka nekā ogļūdeņražu ķīmija, tāpēc ir cerība, ka slāpekļa-ūdeņraža-skābekļa-sulfīda savienojumi bagātībā var pārspēt organisko ķīmiju.
Attēlā parādītas N4H, N3H, N2H, NH, N9H4 struktūras (rozā - ūdeņraža atomi, zilā - slāpeklis). Rozā rāmī ir monomēru vienības.
Dzīvojamā platība
Iespējams, ka, meklējot eksotisku dzīvi, mums nebūs jālido uz Visuma otru galu. Mūsu pašu Saules sistēmā ir divas planētas ar piemērotiem apstākļiem. Gan Urāns, gan Neptūns ir pārklāti ar ūdeņraža, hēlija un metāna atmosfēru, un tiem, šķiet, ir silīcija dioksīda, dzelzs-niķeļa kodols.
Un starp serdi un atmosfēru ir apvalks, kas sastāv no karsta šķidruma - ūdens, amonjaka un metāna maisījuma. Tieši šajā šķidrumā pareizajā spiedienā atbilstošā dziļumā var notikt amonjaka sadalīšanās, ko prognozēja Artēma Oganova grupa, un eksotiskā ūdeņraža slāpekļa, kā arī sarežģītāku savienojumu, tostarp skābekļa, oglekļa un sēra, veidošanās.
Neptūnam ir arī iekšējs siltuma avots, kura būtība joprojām nav skaidri izprotama (tiek pieņemts, ka tā ir radiogēna, ķīmiska vai gravitācijas apkure). Tas ļauj mums ievērojami paplašināt "apdzīvojamo zonu" ap mūsu (vai citu) zvaigzni, kas tālu pārsniedz mūsu trauslās oglekļa dzīves pieejamās robežas.
Dmitrijs Mamontovs