A földi élet, amely jelenleg csak számunkra ismert, a szénvegyületek hatalmas változatosságán alapul. Eközben nem ez az egyetlen kémiai elem, amely az élet alapját képezheti.
A földi életünktől alapvetően eltérő életformák megléte, mancsok, szemek, fogak, karmok, csápok és más testrészek jelenlétében, elhelyezkedésében és számában a tudományos fantasztikus irodalom egyik kedvenc témája.
A tudományos fantasztikus írók azonban nem korlátozódnak erre - előállnak mind a hagyományos (szén) élet egzotikus formáival, mind pedig annak nem kevésbé egzotikus alapjaival - mondjuk, élő kristályokkal, testetlen energiamező-lényekkel vagy szilícium-szilícium-lényekkel.
A tudományos-fantasztikus írók mellett a tudósok is foglalkoznak ilyen kérdések megvitatásával, bár sokkal óvatosabbak értékeléseikben. Végül is az élet egyetlen alapja, amelyet a tudomány pontosan ismer, a szén.
Ennek ellenére egy időben a híres csillagász és a tudomány népszerűsítője, Carl Sagan azt mondta, hogy teljesen helytelen a földi életről szóló állításokat általánosítani az egész Univerzum életéhez viszonyítva. Sagan az ilyen általánosításokat "szénsovinizmusnak" nevezte, miközben ő maga a szilíciumot tartotta az élet legvalószínűbb alternatív alapjának.
Az élet fő kérdése
Szerves szilícium életforma a "Star Trek" tudományos-fantasztikus sorozatból
Promóciós videó:
Mi az élet? Úgy tűnik, hogy a kérdésre adott válasz nyilvánvaló, de furcsa módon a tudományos közösségben még mindig folynak a viták a formális kritériumokról. Ennek ellenére számos jellegzetes tulajdonság különböztethető meg: az életnek újratermelnie és fejlődnie kell, ehhez pedig több fontos feltételnek is teljesülnie kell.
Először is, az élet létezéséhez nagyszámú kémiai vegyületre van szükség, amelyek főleg korlátozott számú kémiai elemből állnak. Szerves kémia esetében ezek a szén, a hidrogén, a nitrogén, az oxigén, a kén, és az ilyen vegyületek száma óriási.
Másodszor, ezeknek a vegyületeknek termodinamikailag stabilaknak vagy legalábbis metastabilaknak kell lenniük, vagyis élettartamuknak elég hosszúnak kell lennie a különféle biokémiai reakciók végrehajtásához.
A harmadik feltétel az, hogy reakcióknak kell lenniük az energia kinyerésére a környezetből, valamint annak felhalmozására és felszabadítására.
Negyedszer, az élet önreprodukciójához az öröklődés mechanizmusára van szükség, amelyben egy nagy aperiodikus molekula működik az információ hordozójaként.
Erwin Schrödinger felvetette, hogy egy aperiodikus kristály lehet az örökletes információ hordozója, később pedig felfedezték a DNS-molekula szerkezetét, egy lineáris kopolimert. Végül, ezeknek az anyagoknak folyékony állapotban kell lenniük annak érdekében, hogy biztosítsák a diffúzióból adódó metabolikus reakciók (metabolizmus) megfelelő sebességét.
Hagyományos alternatívák
A szén esetében mindezek a feltételek teljesülnek, de még a legközelebbi alternatíva - a szilícium - mellett is korántsem olyan rózsás a helyzet. A szerves szilíciummolekulák elég hosszúak lehetnek az örökletes információk hordozásához, de sokféleségük a szénszervekhez képest túl gyenge - az atomok nagyobb mérete miatt a szilícium alig képez kettős kötést, ami nagymértékben korlátozza a különböző funkcionális csoportok kapcsolódásának lehetőségeit.
Ezenkívül a telített hidrogén-szilikonok - szilánok - teljesen instabilak. Természetesen vannak stabil vegyületek is, például szilikátok, de ezek többsége normál körülmények között szilárd anyag.
Más elemekkel, például bórral vagy kénnel a helyzet még rosszabb: a szerves bór és a nagy molekulájú kénvegyületek rendkívül instabilak, sokféleségük pedig túl gyenge ahhoz, hogy az élet minden szükséges körülményt biztosítson.
Nyomás alatt
"A nitrogént soha nem tekintették komolyan az élet alapjának, mivel normál körülmények között az egyetlen stabil nitrogén-hidrogén vegyület az ammónia NH3" - mondja Artem Oganov, a MIPT számítógéppel segített anyagtervezési laboratóriumának vezetője, a New York-i Stony Brook Egyetem és a Skolkovo Tudományos és Technológiai Intézet professzora (Skoltech).
„Azonban a közelmúltban, miközben az USPEX (Universal Structure Predictor: Evolutionary Xtallography) algoritmusunk segítségével magas nyomáson (legfeljebb 800 GPa) szimulálták a különböző nitrogénrendszereket, csoportunk elképesztő dolgot fedezett fel.
Kiderült, hogy 36 GPa (360 000 atm) feletti nyomáson számos stabil hidrogén-nitrogén jelenik meg, például N4H, N3H, N2H és NH egységek hosszú egydimenziós polimerláncai, egzotikus N9H4, amelyek kétdimenziós nitrogénatomokat alkotnak, kapcsolódó NH4 + kationokkal, és molekuláris vegyületek: N8H, NH2, N3H7, NH4, NH5.
Valójában azt találtuk, hogy 40-60 GPa nagyságrendű nyomáson a nitrogén-hidrogén kémia sokféleségében normál körülmények között jelentősen meghaladja a szénhidrogén vegyületek kémiáját. Ez remélheti, hogy a nitrogént, hidrogént, oxigént és ként tartalmazó rendszerek kémiája is sokféleségben gazdagabb, mint a hagyományos szerves normál körülmények között."
Lépés az életbe
Artem Oganov csoportjának ez a hipotézise teljesen váratlan lehetőségeket nyit meg az élet széndioxid-mentes alapja szempontjából.
"A hidrogén-nitrogén hosszú polimer láncokat és akár kétdimenziós lapokat is alkothat" - magyarázza Artem. - Most az ilyen rendszerek tulajdonságait tanulmányozzuk oxigén részvételével, majd a modellben figyelembe vesszük a szenet és a ként, és ez valószínűleg nyitni fogja az utat a szénfehérjék nitrogén-analógjai felé, bár a legegyszerűbbek, egy kezdetnek, aktív központok és komplex struktúra nélkül.
A nitrogén alapú életre szánt energiaforrások kérdése még mindig nyitott, bár lehet, hogy valamiféle, számunkra még ismeretlen redoxreakciókról van szó, amelyek nagy nyomású körülmények között zajlanak le. A valóságban ilyen körülmények fennállhatnak olyan óriásbolygók belében, mint az Uránusz vagy a Neptunusz, bár az ottani hőmérséklet túl magas. De egyelőre nem tudjuk pontosan, hogy milyen reakciók fordulhatnak elő ott, és melyek azok, amelyek fontosak az élet számára, ezért nem tudjuk pontosan megbecsülni a szükséges hőmérsékleti tartományt."
A nitrogénvegyületeken alapuló életkörülmények rendkívül egzotikusnak tűnhetnek az olvasók számára. De elegendő felidézni azt a tényt, hogy az óriásbolygók bősége a csillagrendszerekben legalább nem kevesebb, mint a sziklás földszerű bolygóké. Ez pedig azt jelenti, hogy az Univerzumban a miénk, a szén-dioxid-élet sokkal egzotikusabbnak bizonyulhat.
„A nitrogén a hetedik leggyakoribb elem az univerzumban. Van belőle jó néhány olyan óriásbolygók összetételében, mint az Uránusz és a Neptunusz. Úgy gondolják, hogy a nitrogén ott főleg ammónia formájában található, de modellezésünk azt mutatja, hogy 460 GPa feletti nyomáson az ammónia megszűnik stabil vegyületnek lenni (mint normál körülmények között). Tehát talán az óriásbolygók belében az ammónia helyett teljesen más molekulák vannak, és most ezt a kémiai anyagot vizsgáljuk."
Nitrogén egzotikus
Nagy nyomáson a nitrogén és a hidrogén sok stabil, összetett és szokatlan vegyületet képez. Ezeknek a hidrogén-nitrogén vegyületeknek a kémiája sokkal változatosabb, mint a szénhidrogén vegyületeké normál körülmények között, ezért azt reméljük, hogy a nitrogén-hidrogén-oxigén-szulfid vegyületek gazdagságában felülmúlják a szerves kémiai tulajdonságokat.
Az ábra az N4H, N3H, N2H, NH, N9H4 (rózsaszín - hidrogénatom, kék - nitrogén) szerkezeteket mutatja. A monomer egységek rózsaszínűek.
Élettér
Lehetséges, hogy egzotikus élet után nem kell a világegyetem másik végére repülnünk. Saját naprendszerünkben két bolygó van megfelelő körülmények között. Az Urán és a Neptunusz egyaránt hidrogén, hélium és metán atmoszférába burkolódzik, és úgy tűnik, hogy szilícium-dioxid-vas-nikkel maggal rendelkeznek.
És a mag és a légkör között van egy palást, amely forró folyadékból áll - víz, ammónia és metán keverékéből. Ebben a folyadékban, a megfelelő nyomáson, a megfelelő mélységben következhet be az Artem Oganov csoport által előre jelzett ammóniabomlás és egzotikus hidrogén-nitrogén képződése, valamint összetettebb vegyületek, köztük oxigén, szén és kén.
A Neptunusznak van egy belső hőforrása is, amelynek természete még mindig nem tisztázott egyértelműen (feltételezzük, hogy radiogén, kémiai vagy gravitációs fűtésről van szó). Ez lehetővé teszi számunkra, hogy jelentősen kiterjesszük a (vagy egy másik) csillagunk körüli "lakható zónát", messze meghaladva a törékeny szén-dioxid-életünk számára elérhető korlátokat.
Dmitrij Mamontov