Ainus, mis meile praegu teada on, maismaaelu põhineb tohutul hulgal süsinikuühenditel. Vahepeal pole see ainus keemiline element, mis võib elu aluseks olla.
Muude eluvormide olemasolu, mis erinevad põhimõtteliselt meie maisest kohalolust, käppade, silmade, hammaste, küüniste, kombitsate ja muude kehaosade asukohast ja arvust, on ulmekirjanduse üks lemmikteemasid.
Ulmekirjanikud aga sellega ei piirdu - nad pakuvad välja nii traditsioonilise (süsiniku) elu eksootilisi vorme kui ka selle mitte vähem eksootilisi aluseid - näiteks elavaid kristalle, kehatu energiavälja olendeid või räniorgaanilisi olendeid.
Lisaks ulmekirjanikele tegelevad selliste küsimuste arutlemisega ka teadlased, ehkki nad on oma hinnangutes palju ettevaatlikumad. Lõppude lõpuks on seni ainus teadusele täpselt teada olev elu alus süsinik.
Sellest hoolimata ütles kuulus astronoom ja teaduse populariseerija Carl Sagan omal ajal, et on täiesti vale üldistada väiteid maise elu kohta kogu Universumi eluga. Sagan nimetas selliseid üldistusi "süsinikusovinismiks", samas kui ta ise pidas räni elu kõige tõenäolisemaks alternatiivseks aluseks.
Elu põhiküsimus
Orgaanilise räni eluvorm ulmesarjast "Star Trek"
Reklaamvideo:
Mis on elu? Tundub, et vastus sellele küsimusele on ilmne, kuid kummalisel kombel arutatakse teadusringkondades endiselt formaalsete kriteeriumide üle. Sellest hoolimata saab eristada mitmeid iseloomulikke tunnuseid: elu peab ennast taastootma ja arenema ning selleks peavad olema täidetud mitmed olulised tingimused.
Esiteks nõuab elu olemasolu suurt hulka keemilisi ühendeid, mis koosnevad peamiselt piiratud hulgast keemilistest elementidest. Orgaanilise keemia korral on need süsinik, vesinik, lämmastik, hapnik, väävel ja selliste ühendite arv on tohutu.
Teiseks peavad need ühendid olema termodünaamiliselt stabiilsed või vähemalt metastabiilsed, see tähendab, et nende eluiga peab olema piisavalt pikk erinevate biokeemiliste reaktsioonide läbiviimiseks.
Kolmas tingimus on see, et keskkonnast energia eraldamiseks, samuti selle kogumiseks ja vabastamiseks peavad olema reaktsioonid.
Neljandaks, elu enese taastootmiseks on vaja pärilikkuse mehhanismi, milles teabe kandjana toimib suur aperioodiline molekul.
Erwin Schrödinger pakkus, et päriliku teabe kandjaks võiks olla aperioodiline kristall ja hiljem avastati lineaarse kopolümeeri DNA molekuli struktuur. Lõpuks peavad kõik need ained olema vedelas olekus, et tagada difusioonist tingitud metaboolsete reaktsioonide (ainevahetuse) piisav kiirus.
Traditsioonilised alternatiivid
Süsiniku puhul on kõik need tingimused täidetud, kuid isegi lähima alternatiivi - räni - korral pole olukord kaugeltki nii roosiline. Orgaanilised ränimolekulid võivad olla päriliku teabe edastamiseks piisavalt pikad, kuid nende mitmekesisus on võrreldes süsinikorgaanikaga liiga nõrk - aatomite suurema suuruse tõttu ei moodusta räni peaaegu kaksiksidet, mis piirab suuresti erinevate funktsionaalsete rühmade kinnitamise võimalusi.
Lisaks on küllastunud vesinik-silikoonid - silaanid - täiesti ebastabiilsed. Muidugi on olemas ka stabiilseid ühendeid nagu silikaadid, kuid enamik neist on tavalistes tingimustes tahked ained.
Muude elementide, näiteks boori või väävli, puhul on olukord veelgi hullem: boororgaanilised ja kõrgmolekulaarsed väävliühendid on äärmiselt ebastabiilsed ning nende mitmekesisus on liiga nõrk, et pakkuda elu kõigi vajalike tingimustega.
Surve all
"Lämmastikku pole kunagi tõsiselt peetud elu aluseks, sest tavalistes tingimustes on ainsaks stabiilseks lämmastiku-vesiniku ühendiks ammoniaak NH3," ütleb Artem Oganov, MIPT-i materjalilabori arvutipõhise disaini juhataja, New Yorgi Stony Brooki ülikooli ning Skolkovo teaduse ja tehnoloogia instituudi professor (Skoltech).
„Hiljuti, simuleerides erinevaid lämmastikusüsteeme kõrgel rõhul (kuni 800 GPa), kasutades meie algoritmi USPEX (Universal Structure Predictor: Evolutionary Xtallography), avastas meie rühm hämmastava asja.
Selgus, et rõhul, mis ületab 36 GPa (360 000 atm), ilmub hulk stabiilset vesiniklämmastikku, näiteks N4H, N3H, N2H ja NH ühikute pikad ühemõõtmelised polümeerahelad, eksootiline N9H4, mis moodustavad kahemõõtmelised lämmastikuaatomite lehed kinnitatud NH4 + katioonidega ja molekulaarsed ühendid N8H, NH2, N3H7, NH4, NH5.
Tegelikult leidsime, et rõhul 40–60 GPa ületab lämmastiku-vesiniku keemia oma mitmekesisuses märkimisväärselt süsivesinike ühendite keemiat normaalsetes tingimustes. See võimaldab meil loota, et lämmastikku, vesinikku, hapnikku ja väävlit hõlmavate süsteemide keemia on ka mitmekesisem kui tavalises orgaanilises keemias tavalistes tingimustes.
Elu samm
See Artem Oganovi rühma hüpotees avab täiesti ootamatud võimalused süsinikuta elu aluse osas.
"Lämmastikvesinik võib moodustada pikki polümeerkette ja isegi kahemõõtmelisi lehti," selgitab Artem. - Nüüd uurime selliste süsteemide omadusi hapniku osavõtul, seejärel lisame oma mudelites kaalutlusele süsiniku ja väävli ning see avab võimaluse korral algul tee süsinikvalkude lämmastikuanaloogidele, ehkki kõige lihtsamatele, ilma aktiivsete keskuste ja keeruka struktuurita.
Lämmastikul põhinevate eluenergiaallikate küsimus on endiselt lahtine, ehkki tegemist võib olla mingisuguste redoksreaktsioonidega, mis on meile veel tundmatud ja toimuvad kõrgrõhu tingimustes. Tegelikult võivad sellised tingimused eksisteerida hiiglaslike planeetide, nagu Uraan või Neptuun, sooltes, ehkki sealsed temperatuurid on liiga kõrged. Kuid seni ei tea me täpselt, millised reaktsioonid seal esineda võivad ja millised neist on elu jaoks olulised, seetõttu ei saa me vajalikku temperatuurivahemikku täpselt hinnata."
Lämmastikuühenditel põhinevad elutingimused võivad lugejale tunduda äärmiselt eksootilised. Kuid piisab sellest, kui meenutada tõsiasja, et hiidplaneetide arvukus tähesüsteemides pole vähemalt mitte väiksem kui kivise maa moodi planeetide arv. Ja see tähendab, et just meie süsinikuelu Universumis võib osutuda palju eksootilisemaks.
„Lämmastik on universumi seitsmendal kohal. Seda on hiiglaslike planeetide nagu Uraan ja Neptuun koosseisus üsna palju. Arvatakse, et lämmastikku leidub seal peamiselt ammoniaagi kujul, kuid meie modelleerimine näitab, et rõhul üle 460 GPa lakkab ammoniaak olemast stabiilne ühend (nagu see on normaalsetes tingimustes). Nii et võib-olla hiiglaslike planeetide sisemuses on ammoniaagi asemel täiesti erinevad molekulid ja just seda keemiat me nüüd uurimegi."
Lämmastik eksootiline
Kõrgel rõhul moodustavad lämmastik ja vesinik palju stabiilseid, keerukaid ja ebatavalisi ühendeid. Nende vesinik-lämmastikühendite keemia on tavapärastes tingimustes märksa mitmekesisem kui süsivesinikeemia, mistõttu loodetakse, et lämmastiku-vesiniku-hapniku-sulfiidi ühendid võivad rikkalikult ületada orgaanilist keemiat.
Joonisel on näidatud N4H, N3H, N2H, NH, N9H4 (roosa - vesiniku aatomid, sinine - lämmastik) struktuurid. Monomeerühikud on raamitud roosaga.
Eluruum
Võimalik, et eksootilist elu otsides ei pea me lendama universumi teise otsa. Meie enda päikesesüsteemis on kaks sobivate tingimustega planeeti. Nii Uraan kui ka Neptuun on ümbritsetud vesiniku, heeliumi ja metaani atmosfääriga ning neil näib olevat ränidioksiid-raud-nikkel südamik.
Ja südamiku ja atmosfääri vahel on mantel, mis koosneb kuumast vedelikust - vee, ammoniaagi ja metaani segust. Just selles vedelikus õigel rõhul sobival sügavusel võib tekkida Artem Oganovi rühma poolt ennustatud ammoniaagi lagunemine ja eksootilise vesiniku lämmastiku moodustumine, samuti keerukamad ühendid, sealhulgas hapnik, süsinik ja väävel.
Neptuunil on ka sisemine soojusallikas, mille olemust ei mõisteta siiani selgelt (eeldatakse, et see on radiogeenne, keemiline või gravitatsiooniline küte). See võimaldab meil märkimisväärselt laiendada meie (või mõne muu) tähe ümber asuvat "elamiskõlblikku tsooni", mis ületab tunduvalt meie habras süsinikuelu jaoks pakutavad piirid.
Dmitri Mamontov
