Miltä vaihtoehtoiset, vieraat elämänmuodot voisivat näyttää?

• Elämä maapallolla (ja siten kaikki tuntemamme elämä) perustuu hiileen ja veteen.
• Hiili ja vesi ovat erinomaisia ainesosia elämän luomisessa, mutta monet muut alkuaineet voisivat toimia niiden tilalla oikeissa olosuhteissa.
• Mitkä ovat nämä vaihtoehtoiset elämänmuodot ja millaisissa olosuhteissa ne voisivat kukoistaa?

Kaikkea elämää maapallolla ja siten kaikkea elämää, jota olemme koskaan havainneet maailmankaikkeudessa, yhdistää muutama perusominaisuus. Sen molekyylirakenteet rakentuvat hiilestä, se tukeutuu veteen, joka toimii liuottimena ja helpottaa kemiallisia reaktioita, ja se käyttää DNA:ta tai RNA:ta rakennuspiirustuksinaan.

Nämä ominaisuudet tuntuvat olevan niin yleisiä, että lähes kaikkia löytämiämme hiiltä sisältäviä yhdisteitä kutsutaan orgaanisiksi yhdisteiksi. Hiili toimii erittäin hyvin elämän kemian perustana. Se voi sitoutua moniin molekyyleihin ja muodostaa rakenteita, jotka ovat riittävän suuria ollakseen biologisesti merkityksellisiä, ja sen sidokset ovat vahvoja ja vakaita. Veden ja DNA:n/RNA:n käyttö on myös näennäisesti hienosäädetty mahdollistamaan elämän olemassaolo.

Mutta se, että nämä elämän ominaisuudet pitävät paikkansa maapallolla, ei tarkoita, että ne pitävät paikkansa kaikkialla. Itse asiassa voimme helposti kuvitella erilaisia ympäristöjä, joissa vaihtoehtoisia elämänmuotoja voi olla olemassa. Seuraavassa on joitakin tärkeimpiä tapoja, joilla ajattelemme elämän voivan poiketa Maassa näkemästämme standardista.

Pii

Lei Chen ja Yan Liang (BeautyOfScience.com) Caltechille

Taiteilijan renderöinti orgaaniseen piihin perustuvasta elämästä. Orgaaniset piiyhdisteet sisältävät hiili-pii-sidoksia.

Samat aineet, jotka muodostavat tietokonesiruja ja sähköpiirejä, saattavat myös muodostaa elämää jossain päin maailmankaikkeutta. Hiili voi muodostaa sidoksia jopa neljän muun atomin kanssa yhtä aikaa, sitoutua happeen ja muodostaa polymeeriketjuja, mikä kaikki tekee siitä ihanteellisen elämän monimutkaiseen kemiaan. Myös pii, joka sijaitsee hiilen alapuolella alkuaineiden taulukossa, jakaa nämä ominaisuudet.

Näistä ominaisuuksista huolimatta pii on vielä varsin rajallinen elämän perustana. Se voi muodostaa stabiileja sidoksia vain rajoitetun määrän muiden alkuaineiden kanssa; sen polymeerit olisivat hyvin yksitoikkoisia, mikä rajoittaa sen kykyä muodostaa monimutkaisia yhdisteitä, joita elämän syntyminen edellyttää; ja piin kemia ei ole vakaata vesipitoisissa eli vetisissä ympäristöissä. Toinen ongelma on se, että kun hiili hapettuu, se muodostaa hiilidioksidia, joka on helposti haihtuva kaasu. Kun pii hapettuu, se muodostaa piidioksidia, joka tunnetaan myös piidioksidina, kvartsina tai hiekkana. Tämä kiinteä jäte aiheuttaisi vakavia mekaanisia haasteita mille tahansa piipohjaiselle elämälle. Tällainen hypoteettinen elämänmuoto erittäisi hiekkatiiliä joka kerta, kun se hengittäisi, mikä tekisi rannalla lomailusta hieman kammottavampaa.

Tietyissä olosuhteissa piipohjainen kemia saattaisi olla elämälle suotuisampaa kuin hiilipohjainen. Piikemia olisi myös paljon suotuisampaa elämälle valtamerissä, joissa on kylmiä alkuaineita, joita emme yleensä yhdistä elämään, kuten nestemäistä typpeä, metaania, etaania, neonia ja argonia. Tällaisia paikkoja on maailmankaikkeudessa, erityisesti omassa aurinkokunnassamme: Yksi Saturnuksen suurimman kuun Titanin tärkeimmistä piirteistä on sen nestemäisen etaanin ja metaanin järvet.

Ammoniakki

Taiteilijan kuva maailmasta, jossa on ammoniakkipohjaista elämää.Ittiz

Vähemmistö kemiallisista reaktioista, joihin elämä nojautuu, tapahtuu vesipitoisessa ympäristössä. Vesi liuottaa monia erilaisia molekyylejä – se on liuotin, ja hyvän liuottimen olemassaolo on edellytys sellaiselle kemialle, joka synnyttää elämää.

Veden tavoin myös ammoniakki on yleistä kaikkialla galaksissa. Se kykenee myös liuottamaan orgaanisia yhdisteitä kuten vesi, ja toisin kuin vesi, se kykenee liuottamaan myös joitakin metallisia yhdisteitä, mikä avaa mahdollisuuden mielenkiintoisempaan kemiaan elävien olentojen käytössä.

Mutta ammoniakki on myös syttyvää hapen läsnäollessa; sillä on paljon alhaisempi pintajännitys kuin vedellä, mikä vaikeuttaa esibioottisten molekyylien pitämistä kasassa kovin pitkään; ja sen sulamis- ja kiehumispisteet ovat paljon alhaisemmat kuin vedellä, -78°C ja -33,15°C. Näin ollen ammoniakkipohjaisen elämän kemia tapahtuisi paljon hitaammin, ja vastaavasti myös sen aineenvaihdunta ja evoluutio olisivat hitaampia. Tärkeä varoitus on kuitenkin se, että nämä sulamis- ja kiehumispisteet vallitsevat Maan ilmakehän paineessa. Korkeammassa paineessa nämä arvot nousisivat.

Yksi ammoniakkipohjaisen elämän jännittävistä piirteistä on se, että se voisi olla olemassa niin sanotun asuttavuusvyöhykkeen ulkopuolella eli alueella, jolla nestemäistä vettä voi olla. Esimerkiksi Titanilla saattaa olla pintansa alla ammoniakkimeriä, ja vaikka se sijaitsee aurinkokuntamme elinkelpoisen vyöhykkeen ulkopuolella, se voisi tästä syystä isännöidä elämää. Astrobiologit viittaavat usein Titaniin mahdollisena vaihtoehtoisten elämänmuotojen esiintymispaikkana omassa aurinkokunnassamme.

Vaihtoehtoinen kiraalisuus

Niin kuin ihminen voi olla vasen- tai oikeakätinen, niin myös orgaaniset molekyylit voivat olla oikeakätisiä. Nämä molekyylit ovat toistensa peilikuvia, mutta elämä on jostain syystä päätynyt käyttämään jompaakumpaa puolta, mitä kutsutaan kiraalisuudeksi. Esimerkiksi aminohapot ovat ”vasenkätisiä”, kun taas RNA:n ja DNA:n sokerit ovat ”oikeakätisiä”. Jotta nämä molekyylit voisivat olla vuorovaikutuksessa toistensa kanssa, niiden on oltava oikeanlaisen kiraalisuuden omaavia; jos proteiiniketjut on tehty eri kiraalisuuden omaavista aminohapoista, ne eivät yksinkertaisesti toimi. Mutta proteiiniketju, joka on rakennettu oikeakätisistä aminohapoista, eli päinvastoin kuin mitä elämä maapallolla käyttää, toimisi täydellisesti.

Koko maapallon ekologia riippuu tästä sopimuksesta. Jotta voisimme syödä, meidän on kulutettava sopivaa kiraalisuutta olevaa ruokaa. Voimme saada tartunnan ja puolustautua tartunnoilta, joilla on sopiva kiraliteetti. Kaikella maapallolla on sopiva kiraliteetti, joten tämä toimii hienosti.

Mutta muukalaiselämä saattaa kehittyä käyttämään vastakkaista kiraliteettia kuin Maa. Tämä elämä olisi pohjimmiltaan melko samanlaista kuin elämä Maassa – käyttäisi hiiltä selkärankana ja vettä liuottimena – mutta se olisi vuorovaikutuksessa kanssamme kahdella mahdollisella tavalla. Ensinnäkin se ei pystyisi vuorovaikutukseen lainkaan. Vaikka mikrobielämä yrittäisi syödä jotain toista mikrobielämää, ”käänteiset” sokerit olisivat sulamattomia, eivätkä virukset pystyisi sitoutumaan isäntäsoluihin. Tämä olisi luultavasti hyvä asia, koska emme halua saada tartuntaa mihinkään vieraaseen tautiin.

Mutta maapallolla on otuksia, jotka eivät syö kiraalisia ravinteita, kuten syanobakteerit. Vastaava muukalaismikrobi voisi syödä niin paljon kuin haluaa, lisääntyä loputtomiin, eivätkä saalistajat pitäisi sitä koskaan kurissa, koska se itse olisi väärän kiraalisuuden omaava. Tämä häiritsisi dramaattisesti ravintoketjua apokalyptisessa mittakaavassa.

Nämä vaihtoehtoiset elämänmuodot eivät ole ainoita mahdollisia, mutta ne kuuluvat todennäköisimpiin. Suuri osa siitä, mitä tiedämme kemiasta, viittaa siihen, että hiili- ja vesipohjainen elämä on yleisintä maailmankaikkeudessa, mutta meillä on koskaan ollut tutkittavana vain näyte yhdestä: omasta planeetastamme. Jos löydämme elämää muista maailmoista, saamme vielä enemmän tietoa siitä, miten elävät olennot syntyvät.