Het aardse leven, het enige dat ons momenteel kent, is gebaseerd op een enorme verscheidenheid aan koolstofverbindingen. Ondertussen is dit niet het enige chemische element dat ten grondslag kan liggen aan het leven.
Het bestaan van andere levensvormen, fundamenteel verschillend van onze aardse, in de aanwezigheid, locatie en het aantal poten, ogen, tanden, klauwen, tentakels en andere delen van het lichaam, is een van de favoriete onderwerpen in sciencefictionliteratuur.
Sciencefictionschrijvers zijn hier echter niet toe beperkt - ze bedenken zowel exotische vormen van traditioneel (koolstof) leven als de niet minder exotische grondslagen ervan - bijvoorbeeld levende kristallen, lichaamloze energieveldwezens of organosiliciumwezens.
Naast sciencefictionschrijvers zijn ook wetenschappers betrokken bij de bespreking van dergelijke kwesties, hoewel ze veel voorzichtiger zijn in hun beoordelingen. Per slot van rekening is koolstof de enige basis van het leven die de wetenschap precies kent.
Niettemin zei de beroemde astronoom en popularisator van de wetenschap Carl Sagan ooit dat het volkomen verkeerd is om uitspraken over het aardse leven in relatie tot het leven in het hele universum te veralgemenen. Sagan noemde dergelijke generalisaties "koolstofchauvinisme", terwijl hij zelf silicium beschouwde als de meest waarschijnlijke alternatieve basis voor het leven.
De belangrijkste vraag van het leven
Levensvorm van organosilicium uit de sciencefiction-serie "Star Trek"
Promotie video:
Wat is leven? Het lijkt erop dat het antwoord op deze vraag voor de hand ligt, maar vreemd genoeg zijn er nog steeds discussies over formele criteria in de wetenschappelijke gemeenschap. Desalniettemin zijn er een aantal karakteristieke kenmerken te onderscheiden: het leven moet zich voortplanten en evolueren, en daarvoor moet aan een aantal belangrijke voorwaarden worden voldaan.
Ten eerste vereist het bestaan van leven een groot aantal chemische verbindingen, voornamelijk bestaande uit een beperkt aantal chemische elementen. In het geval van organische chemie zijn dit koolstof, waterstof, stikstof, zuurstof, zwavel, en het aantal van dergelijke verbindingen is enorm.
Ten tweede moeten deze verbindingen thermodynamisch stabiel of op zijn minst metastabiel zijn, dat wil zeggen dat hun levensduur lang genoeg moet zijn om verschillende biochemische reacties uit te voeren.
De derde voorwaarde is dat er reacties moeten zijn om energie uit de omgeving te halen, te accumuleren en weer vrij te geven.
Ten vierde is voor de zelfreproductie van leven een erfelijkheidsmechanisme vereist, waarbij een groot aperiodisch molecuul als informatiedrager fungeert.
Erwin Schrödinger suggereerde dat een aperiodiek kristal de drager van erfelijke informatie zou kunnen zijn, en later werd de structuur van het DNA-molecuul, een lineair copolymeer, ontdekt. Ten slotte moeten al deze stoffen in vloeibare toestand zijn om een voldoende snelheid van metabole reacties (metabolisme) als gevolg van diffusie te garanderen.
Traditionele alternatieven
In het geval van koolstof is aan al deze voorwaarden voldaan, maar zelfs met het dichtstbijzijnde alternatief - silicium - is de situatie verre van zo rooskleurig. Organosiliciummoleculen kunnen lang genoeg zijn om erfelijke informatie te dragen, maar hun diversiteit is te slecht in vergelijking met koolstoforganische stoffen - vanwege de grotere afmeting van de atomen vormt silicium nauwelijks dubbele bindingen, wat de mogelijkheden om verschillende functionele groepen te hechten aanzienlijk beperkt.
Bovendien zijn verzadigde waterstofsiliconen - silanen - volledig onstabiel. Natuurlijk zijn er stabiele verbindingen zoals silicaten, maar de meeste zijn onder normale omstandigheden vaste stoffen.
Met andere elementen, zoals boor of zwavel, is de situatie nog erger: organoboor- en hoogmoleculaire zwavelverbindingen zijn buitengewoon onstabiel en hun diversiteit is te slecht om het leven te voorzien van alle noodzakelijke voorwaarden.
Onder druk
"Stikstof is nooit serieus beschouwd als de basis voor het leven, aangezien onder normale omstandigheden de enige stabiele stikstof-waterstofverbinding ammoniak NH3 is", zegt Artem Oganov, hoofd van het computerondersteunde materialenontwerplaboratorium van de MIPT, professor aan de Stony Brook University in New York en het Skolkovo Institute of Science and Technology (Skoltech).
“Onlangs ontdekte onze groep echter iets verbazingwekkends bij het simuleren van verschillende stikstofsystemen bij hoge drukken (tot 800 GPa) met behulp van ons USPEX-algoritme (Universal Structure Predictor: Evolutionary Xtallography).
Het bleek dat bij drukken boven 36 GPa (360.000 atm) een aantal stabiele waterstofstikstof verschijnt, zoals lange eendimensionale polymeerketens van N4H-, N3H-, N2H- en NH-eenheden, exotisch N9H4, die tweedimensionale vellen stikstofatomen vormen met aangehechte NH4 + -kationen, en moleculaire verbindingen N8H, NH2, N3H7, NH4, NH5.
We ontdekten zelfs dat bij drukken in de orde van grootte van 40-60 GPa de stikstof-waterstofchemie in zijn diversiteit de chemie van koolwaterstofverbindingen onder normale omstandigheden aanzienlijk overtreft. Hierdoor kunnen we hopen dat de chemie van systemen met stikstof, waterstof, zuurstof en zwavel ook rijker is aan diversiteit dan de traditionele organische onder normale omstandigheden."
Stap tot leven
Deze hypothese van de groep van Artem Oganov opent totaal onverwachte mogelijkheden in termen van een niet-koolstofbasis van leven.
"Waterstofstikstof kan lange polymeerketens en zelfs tweedimensionale platen vormen", legt Artem uit. - Nu bestuderen we de eigenschappen van dergelijke systemen met de deelname van zuurstof, dan zullen we koolstof en zwavel toevoegen aan de overweging in onze modellen, en dit zal mogelijk de weg openen naar stikstofanalogen van koolstofeiwitten, zij het de eenvoudigste, om te beginnen, zonder actieve centra en complexe structuur.
De vraag naar de bronnen van energie voor het leven op basis van stikstof staat nog open, hoewel het best wel eens een soort redoxreacties kunnen zijn die ons nog onbekend zijn en die plaatsvinden onder hoge druk. In werkelijkheid kunnen dergelijke omstandigheden voorkomen in de ingewanden van reuzenplaneten zoals Uranus of Neptunus, hoewel de temperaturen daar te hoog zijn. Maar tot nu toe weten we niet precies welke reacties daar kunnen optreden en welke van hen belangrijk zijn voor het leven, daarom kunnen we het vereiste temperatuurbereik niet nauwkeurig inschatten."
Levensomstandigheden op basis van stikstofverbindingen kunnen voor lezers extreem exotisch overkomen. Maar het volstaat eraan te herinneren dat de overvloed aan reuzenplaneten in sterrenstelsels op zijn minst niet minder is dan die van rotsachtige, aardachtige planeten. En dit betekent dat in het universum dat het onze is, koolstofleven veel exotischer kan blijken te zijn.
“Stikstof is het zevende meest voorkomende element in het universum. Er zijn er nogal wat van in de samenstelling van gigantische planeten zoals Uranus en Neptunus. Aangenomen wordt dat stikstof daar voornamelijk in de vorm van ammoniak wordt aangetroffen, maar onze modellen laten zien dat ammoniak bij drukken boven 460 GPa niet langer een stabiele verbinding is (zoals onder normale omstandigheden). Dus misschien zijn er in de ingewanden van de reuzenplaneten, in plaats van ammoniak, totaal verschillende moleculen, en dit is de chemie die we nu onderzoeken."
Stikstof exotisch
Bij hoge drukken vormen stikstof en waterstof veel stabiele, complexe en ongebruikelijke verbindingen. De chemie van deze waterstof-stikstofverbindingen is veel diverser dan koolwaterstofchemie onder normale omstandigheden, dus het is te hopen dat stikstof-waterstof-zuurstof-sulfideverbindingen de organische chemie in rijkdom kunnen overtreffen.
De figuur toont de structuren van N4H, N3H, N2H, NH, N9H4 (roze - waterstofatomen, blauw - stikstof). Monomeereenheden zijn omkaderd in roze.
Woonruimte
Het is mogelijk dat we op zoek naar exotisch leven niet naar het andere uiteinde van het universum hoeven te vliegen. In ons eigen zonnestelsel zijn er twee planeten met geschikte omstandigheden. Zowel Uranus als Neptunus zijn gehuld in een atmosfeer van waterstof, helium en methaan en lijken een kern van silica-ijzer-nikkel te hebben.
En tussen de kern en de atmosfeer bevindt zich een mantel, bestaande uit een hete vloeistof - een mengsel van water, ammoniak en methaan. Het is in deze vloeistof met de juiste drukken op de juiste diepten dat de ammoniakafbraak voorspeld door de groep van Artem Oganov en de vorming van exotische waterstofstikstof, evenals meer complexe verbindingen, waaronder zuurstof, koolstof en zwavel, kan plaatsvinden.
Neptunus heeft ook een interne warmtebron, waarvan de aard nog steeds niet duidelijk is (er wordt aangenomen dat het radiogene, chemische of zwaartekrachtverwarming is). Dit stelt ons in staat om de "bewoonbare zone" rond onze (of een andere) ster aanzienlijk uit te breiden, ver voorbij de grenzen die beschikbaar zijn voor ons kwetsbare koolstofleven.
Dmitry Mamontov