Jak mogłyby wyglądać alternatywne, obce formy życia?

• Życie na Ziemi (a zatem całe życie, jakie znamy) opiera się na węglu i wodzie.
• Węgiel i woda stanowią doskonałe składniki podczas tworzenia życia, ale wiele innych elementów mogłoby służyć w ich miejsce w odpowiednich warunkach.
• Jakie są te alternatywne formy życia i w jakich warunkach mogłyby rozkwitnąć?

Wszystkie życie na Ziemi, a więc i całe życie, jakie kiedykolwiek zaobserwowaliśmy we wszechświecie, dzieli kilka podstawowych cech. Jego struktury molekularne są zbudowane przy użyciu węgla, opiera się na wodzie, aby działać jako rozpuszczalnik i ułatwić reakcje chemiczne, i używa DNA lub RNA jako swoje plany.

Te cechy wydają się tak wszechobecne, że większość związków, które możemy znaleźć, a które zawierają węgiel, nazywa się związkami organicznymi. Węgiel działa bardzo dobrze jako podstawa dla chemii życia. To może wiązać się z wielu cząsteczek, budowanie struktur wystarczająco duże, aby być biologicznie istotne, a jego więzi są silne i stabilne. Korzystanie z wody i DNA/RNA są również pozornie dostrojone, aby umożliwić życiu istnienie.

Ale tylko dlatego, że te właściwości życia są prawdziwe na Ziemi, nie oznacza, że są prawdziwe wszędzie. W rzeczywistości możemy sobie łatwo wyobrazić różne środowiska, w których mogą istnieć alternatywne formy życia. Oto niektóre z głównych sposobów, w jakie naszym zdaniem życie może się różnić od standardu, który widzimy na Ziemi.

Krzem

Lei Chen i Yan Liang (BeautyOfScience.com) dla Caltech

Render artysty życia opartego na krzemie organicznym. Związki krzemoorganiczne zawierają wiązania węgiel-krzem.

Te same rzeczy, które tworzą chipy komputerowe i obwody elektryczne mogą również stanowić życie gdzieś we wszechświecie. Węgiel może tworzyć wiązania z czterema innymi atomami na raz, wiązać się z tlenem i tworzyć łańcuchy polimerowe, wszystkie te cechy czynią go idealnym dla złożonej chemii życia. Krzem, który leży tuż pod węglem na tablicy pierwiastków, również dzieli te cechy.

Pomimo tych cech, krzem jest nadal dość ograniczony jako podstawa życia. Może tworzyć stabilne wiązania tylko z ograniczoną liczbą innych pierwiastków; jego polimery byłyby bardzo monotonne, ograniczając jego zdolność do tworzenia złożonych związków potrzebnych do zaistnienia życia; a chemia krzemu nie jest stabilna w środowisku wodnym. Innym problemem jest to, że kiedy węgiel się utlenia, tworzy dwutlenek węgla, łatwo wydalalny gaz. Kiedy krzem się utlenia, tworzy dwutlenek krzemu, znany również jako krzemionka, kwarc lub piasek. Te stałe odpady stanowiłyby poważne wyzwanie mechaniczne dla każdego życia opartego na krzemie. Taka hipotetyczna forma życia wydalałaby cegły piasku przy każdym oddechu, co uczyniłoby wakacje na plaży nieco bardziej przerażającymi.

Pod pewnymi warunkami, chemia oparta na krzemie może być bardziej korzystna dla życia niż oparta na węglu. Chemia krzemu byłaby również znacznie bardziej podatna na życie w oceanach zimnych pierwiastków, których zwykle nie kojarzymy z życiem, takich jak ciekły azot, metan, etan, neon i argon. Miejsca takie istnieją we wszechświecie, zwłaszcza w naszym własnym Układzie Słonecznym: Jedną z głównych cech największego księżyca Saturna, Tytana, są jeziora ciekłego etanu i metanu.

Ammoniak

Obraz artysty przedstawiający świat, w którym istnieje życie oparte na amoniaku.Ittiz

Większość reakcji chemicznych, na których opiera się życie, zachodzi w środowisku wodnym. Woda rozpuszcza wiele różnych molekuł – jest rozpuszczalnikiem, a posiadanie dobrego rozpuszczalnika jest warunkiem wstępnym dla tego rodzaju chemii, która prowadzi do powstania życia.

Podobnie jak woda, amoniak jest również powszechny w całej galaktyce. Jest również zdolny do rozpuszczania związków organicznych jak woda, i w przeciwieństwie do wody, może również rozpuszczać niektóre związki metaliczne, otwierając możliwości dla bardziej interesującej chemii, która może być użyta w żywych organizmach.

Jednakże amoniak jest również łatwopalny w obecności tlenu; ma znacznie niższe napięcie powierzchniowe niż woda, co utrudnia utrzymanie cząsteczek prebiotycznych razem przez bardzo długi czas; a jego punkty topnienia i wrzenia są znacznie niższe niż wody, odpowiednio -78°C i -33,15°C. Tak więc, chemia życia opartego na amoniaku zachodziłaby znacznie wolniej, a proporcjonalnie, jego metabolizm i ewolucja również byłyby wolniejsze. Ważnym zastrzeżeniem jest jednak to, że są to punkty topnienia i wrzenia, które występują przy ciśnieniu atmosferycznym Ziemi. Pod wyższym ciśnieniem, wartości te wzrosłyby.

Jedną z ekscytujących cech życia opartego na amoniaku jest to, że może ono istnieć poza tak zwaną strefą zamieszkania, lub zakresem, w którym może istnieć woda w stanie ciekłym. Tytan, na przykład, może posiadać oceany amoniaku pod swoją powierzchnią, i chociaż leży poza strefą zamieszkania naszego Układu Słonecznego, z tego powodu może być gospodarzem życia. Astrobiolodzy często wskazują na Tytana jako możliwe miejsce występowania alternatywnych form życia w naszym własnym układzie słonecznym.

Alternatywna chiralność

Tak jak osoba może być lewo- lub praworęczna, tak samo może być z cząsteczkami organicznymi. Cząsteczki te są lustrzanymi odbiciami siebie nawzajem, ale życie, z jakiegokolwiek powodu, nawinęło się używając jednej lub drugiej strony, co nazywamy chiralnością. Aminokwasy, na przykład, są „lewoskrętne”, podczas gdy cukry w RNA i DNA są „prawoskrętne”. Aby te cząsteczki mogły oddziaływać ze sobą, muszą mieć odpowiedni rodzaj chiralności; jeśli łańcuchy białkowe są zbudowane z aminokwasów o mieszanej chiralności, po prostu nie działają. Ale łańcuch białkowy zbudowany z aminokwasów prawoskrętnych, odwrotnie do tego, czego używa życie na Ziemi, działałby doskonale.

Cała ekologia Ziemi zależy od tej konwencji. Aby się odżywiać, musimy spożywać pokarm o odpowiedniej chiralności. Możemy być zainfekowani i bronić się przed infekcjami o odpowiedniej chiralności. Wszystko na Ziemi ma odpowiednią chiralność, więc to działa po prostu dobrze.

Ale obce życie może wyewoluować, aby używać przeciwnej chiralności niż Ziemia. To życie byłoby zasadniczo dość podobne do życia na Ziemi – używając węgla jako szkieletu i wody jako rozpuszczalnika – ale oddziaływałoby z nami na jeden z dwóch możliwych sposobów. Po pierwsze, w ogóle nie byłoby w stanie wchodzić w interakcję. Nawet gdyby życie mikrobowe próbowało zjeść inne życie mikrobowe, „odwrotne” cukry byłyby niestrawne, a wirusy nie byłyby w stanie związać się z komórkami gospodarza. To chyba dobrze, bo nie chcemy być zarażeni żadnymi obcymi chorobami.

Ale są na Ziemi krytycy, którzy nie jedzą chiralnych składników odżywczych, tacy jak cyjanobakterie. Porównywalny obcy mikrob byłby w stanie jeść tyle ile chce, rozmnażać się w nieskończoność i nigdy nie byłby trzymany w ryzach przez drapieżniki, ponieważ sam byłby o niewłaściwej chiralności. To dramatycznie zakłóciłoby łańcuch pokarmowy na apokaliptyczną skalę.

Te alternatywne formy życia nie są jedynymi, które istnieją, ale są jednymi z najbardziej prawdopodobnych. Wiele z tego, co wiemy o chemii sugeruje, że życie oparte na węglu i wodzie będzie najczęstsze we wszechświecie, ale do tej pory mieliśmy do zbadania tylko jedną próbkę: naszą własną planetę. Jeśli znajdziemy życie na innych światach, zyskamy jeszcze większy wgląd w to, jak powstają żywe istoty.

.