Markliv, det enda som för närvarande är känt för oss, är baserat på ett stort antal kolföreningar. Samtidigt är detta inte det enda kemiska grundämnet som kan ligga till grund för livet.
Förekomsten av andra livsformer, som i grunden skiljer sig från våra jordiska, i närvaro, plats och antal tassar, ögon, tänder, klor, tentakler och andra kroppsdelar är ett av favoritämnena i science fiction-litteraturen.
Science fiction-författare är dock inte begränsade till detta - de kommer fram till både exotiska former av traditionellt (kol) liv och dess inte mindre exotiska fundament - säg levande kristaller, kroppar som inte är kroppsliga eller organosiliconvarelser.
Förutom science fiction-författare är forskare också engagerade i diskussionen av sådana frågor, även om de är mycket mer försiktiga i sina bedömningar. Hittills är den enda grunden i livet som vetenskapen exakt känner till är kol.
Ändå sa den berömda astronomen och populariseraren av vetenskapen Carl Sagan vid ett tillfälle att det är helt fel att generalisera uttalanden om det jordiska livet i förhållande till livet i hela universum. Sagan kallade sådana generaliseringar "kolchauvinism", medan han själv ansåg kisel som den mest troliga alternativa grunden för livet.
Livets huvudfråga
Organosilicon livsform från science fiction-serien "Star Trek"
Kampanjvideo:
Vad är livet? Det verkar som att svaret på denna fråga är uppenbart, men konstigt nog finns det fortfarande diskussioner om formella kriterier i det vetenskapliga samfundet. Ändå kan ett antal karakteristiska drag särskiljas: livet måste reproducera sig själv och utvecklas, och för detta måste flera viktiga villkor uppfyllas.
För det första kräver existensen av liv ett stort antal kemiska föreningar, som huvudsakligen består av ett begränsat antal kemiska element. När det gäller organisk kemi är dessa kol, väte, kväve, syre, svavel, och antalet sådana föreningar är enormt.
För det andra måste dessa föreningar vara termodynamiskt stabila eller åtminstone metastabila, det vill säga deras livslängd måste vara tillräckligt lång för att utföra olika biokemiska reaktioner.
Det tredje villkoret är att det måste finnas reaktioner för att extrahera energi från miljön, liksom för att ackumulera och släppa den.
För det fjärde krävs för att själva kan reproducera livet en mekanism för ärftlighet, där en stor aperiodisk molekyl fungerar som informationsbärare.
Erwin Schrödinger föreslog att en aperiodisk kristall skulle kunna vara bäraren av ärftlig information, och senare upptäcktes strukturen för DNA-molekylen, en linjär sampolymer. Slutligen måste alla dessa ämnen vara i flytande tillstånd för att säkerställa en tillräcklig hastighet av metaboliska reaktioner (metabolism) på grund av diffusion.
Traditionella alternativ
När det gäller kol är alla dessa villkor uppfyllda, men även med närmaste alternativ - kisel - är situationen långt ifrån så rosig. Organosilikonmolekyler kan vara tillräckligt långa för att bära ärftlig information, men deras mångfald är för dålig jämfört med kolorganiska ämnen - på grund av den större storleken på atomer bildar kisel knappast dubbelbindningar, vilket kraftigt begränsar möjligheterna att fästa olika funktionella grupper.
Dessutom är mättade vätesilikoner - silaner - helt instabila. Naturligtvis finns det också stabila föreningar, såsom silikater, men de flesta är fasta ämnen under normala förhållanden.
Med andra element, som bor eller svavel, är situationen ännu värre: organoboron och högmolekylära svavelföreningar är extremt instabila och deras mångfald är för dålig för att ge liv med alla nödvändiga förhållanden.
Under press
"Kväve har aldrig betraktats som allvarlig grund för livet, eftersom den enda stabila kväve-väteföreningen under normala förhållanden är ammoniak NH3", säger Artem Oganov, chef för MIPT: s datorstöda materialdesignlaboratorium, professor vid Stony Brook University i New York och Skolkovo Institute of Science and Technology (Skoltech).
”Men nyligen, medan vi simulerade olika kvävesystem vid höga tryck (upp till 800 GPa) med vår USPEX (Universal Structure Predictor: Evolutionary Xtallography) -algoritm, upptäckte vår grupp en fantastisk sak.
Det visade sig att vid tryck över 36 GPa (360 000 atm) uppträder ett antal stabila vätekväve, såsom långa endimensionella polymerkedjor av N4H, N3H, N2H och NH-enheter, exotisk N9H4, som bildar tvådimensionella kväveatomerark med fästa NH4 + -katjoner molekylära föreningar N8H, NH2, N3H7, NH4, NH5.
I själva verket fann vi att vid tryck av storleksordningen 40-60 GPa överstiger kväve-vätekemi i dess mångfald signifikant kemin hos kolväteföreningar under normala förhållanden. Detta gör att vi kan hoppas att kemin i system som involverar kväve, väte, syre och svavel också är rikare på mångfald än den traditionella organiska under normala förhållanden."
Steg till livet
Denna hypotes av Artem Oganovs grupp öppnar helt oväntade möjligheter när det gäller en icke-koldioxidbas i livet.
"Vätekväve kan bilda långa polymerkedjor och till och med tvådimensionella ark", förklarar Artem. - Nu studerar vi egenskaperna hos sådana system med syredeltagande, då kommer vi att lägga kol och svavel till övervägandena i våra modeller, och detta kommer möjligen att öppna vägen för kväveanaloger av kolproteiner, om än de enklaste till en början, utan aktiva centra och komplex struktur.
Frågan om energikällor för kvävebaserat liv är fortfarande öppen, även om det mycket väl kan vara någon form av redoxreaktioner som fortfarande är okända för oss, som äger rum under förhållanden med högt tryck. I verkligheten kan sådana förhållanden finnas i tarmarna på jätteplaneter som Uranus eller Neptunus, även om temperaturerna där är för höga. Men hittills vet vi inte exakt vilka reaktioner som kan inträffa där och vilka av dem som är viktiga för livet, därför kan vi inte exakt uppskatta det önskade temperaturområdet."
Levnadsvillkor baserade på kväveföreningar kan verka extremt exotiska för läsarna. Men det räcker med att komma ihåg det faktum att överflödet av jätteplaneter i stjärnsystem är åtminstone inte mindre än för steniga jordliknande planeter. Och det betyder att det är vårt, koldioxidliv i universum som kan visa sig vara mycket mer exotiskt.
”Kväve är det sjunde vanligaste elementet i universum. Det finns en hel del av det i sammansättningen av jätteplaneter som Uranus och Neptun. Man tror att kväve finns där huvudsakligen i form av ammoniak, men vår modellering visar att ammoniak vid tryck över 460 GPa upphör att vara en stabil förening (som det är under normala förhållanden). Så, kanske, i tarmarna på jätteplaneter, istället för ammoniak, finns det helt andra molekyler, och det är denna kemi som vi nu undersöker."
Kväve exotiska
Vid höga tryck bildar kväve och väte många stabila, komplexa och ovanliga föreningar. Dessa vätgas-kväveföreningars kemi är mycket mer varierande än kolvätekemi under normala förhållanden, så man hoppas att kväve-vätgas-syre-sulfidföreningar kan överträffa organisk kemi med många möjligheter.
Figuren visar strukturerna N4H, N3H, N2H, NH, N9H4 (rosa - väteatomer, blå - kväve). Monomerenheter är inramade i rosa.
Boyta
Det är möjligt att vi på jakt efter exotiskt liv inte behöver flyga till andra änden av universum. I vårt eget solsystem finns det två planeter med lämpliga förhållanden. Både Uranus och Neptun är inneslutna i en atmosfär av väte, helium och metan och verkar ha en kisel-järn-nickelkärna.
Och mellan kärnan och atmosfären finns en mantel som består av en het vätska - en blandning av vatten, ammoniak och metan. Det är i denna vätska vid rätt tryck på lämpligt djup som den ammoniaknedbrytning som Artem Oganovs grupp förutsäger och bildningen av exotiskt vätekväve, liksom mer komplexa föreningar, inklusive syre, kol och svavel, kan förekomma.
Neptunus har också en intern värmekälla, vars natur fortfarande inte klart förstås (det antas att den är radiogenisk, kemisk eller gravitationell uppvärmning). Detta gör det möjligt för oss att avsevärt utvidga den "bebodda zonen" runt vår (eller annan) stjärna, långt över gränserna för vårt ömtåliga kolliv.
Dmitry Mamontov