Das terrestrische Leben, das einzige, das uns derzeit bekannt ist, basiert auf einer Vielzahl von Kohlenstoffverbindungen. Inzwischen ist dies nicht das einzige chemische Element, das dem Leben zugrunde liegen kann.
Die Existenz anderer Lebensformen, die sich grundlegend von unserer irdischen Präsenz, Lage und Anzahl von Pfoten, Augen, Zähnen, Krallen, Tentakeln und anderen Körperteilen unterscheidet, ist eines der Lieblingsthemen in der Science-Fiction-Literatur.
Science-Fiction-Autoren sind jedoch nicht darauf beschränkt - sie entwickeln sowohl exotische Formen des traditionellen (Kohlenstoff-) Lebens als auch seine nicht weniger exotischen Grundlagen - beispielsweise lebende Kristalle, körperlose Energiefeldkreaturen oder Organosiliciumkreaturen.
Neben Science-Fiction-Autoren befassen sich Wissenschaftler auch mit der Diskussion solcher Themen, obwohl sie bei ihren Bewertungen viel vorsichtiger sind. Schließlich ist Kohlenstoff die einzige Lebensgrundlage, die der Wissenschaft bisher genau bekannt ist.
Dennoch sagte der berühmte Astronom und Popularisierer der Wissenschaft, Carl Sagan, einmal, dass es völlig falsch sei, Aussagen über das irdische Leben in Bezug auf das Leben im gesamten Universum zu verallgemeinern. Sagan nannte solche Verallgemeinerungen "Kohlenstoff-Chauvinismus", während er selbst Silizium als wahrscheinlichste alternative Lebensgrundlage betrachtete.
Die Hauptfrage des Lebens
Organosilicium-Lebensform aus der Science-Fiction-Serie "Star Trek"
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Was ist Leben? Es scheint, dass die Antwort auf diese Frage offensichtlich ist, aber seltsamerweise gibt es in der wissenschaftlichen Gemeinschaft immer noch Diskussionen über formale Kriterien. Dennoch kann eine Reihe charakteristischer Merkmale unterschieden werden: Das Leben muss sich selbst reproduzieren und weiterentwickeln, und dafür müssen mehrere wichtige Bedingungen erfüllt sein.
Erstens ist für die Existenz des Lebens eine große Anzahl chemischer Verbindungen erforderlich, die hauptsächlich aus einer begrenzten Anzahl chemischer Elemente bestehen. Im Fall der organischen Chemie sind dies Kohlenstoff, Wasserstoff, Stickstoff, Sauerstoff, Schwefel, und die Anzahl solcher Verbindungen ist enorm.
Zweitens müssen diese Verbindungen thermodynamisch stabil oder zumindest metastabil sein, dh ihre Lebensdauer muss lang genug sein, um verschiedene biochemische Reaktionen durchzuführen.
Die dritte Bedingung ist, dass es Reaktionen geben muss, um der Umwelt Energie zu entziehen sowie diese zu akkumulieren und freizusetzen.
Viertens ist für die Selbstreproduktion des Lebens ein Vererbungsmechanismus erforderlich, bei dem ein großes aperiodisches Molekül als Informationsträger fungiert.
Erwin Schrödinger schlug vor, dass ein aperiodischer Kristall der Träger erblicher Informationen sein könnte, und später wurde die Struktur des DNA-Moleküls, eines linearen Copolymers, entdeckt. Schließlich müssen alle diese Substanzen in flüssigem Zustand sein, um eine ausreichende Rate an Stoffwechselreaktionen (Stoffwechsel) aufgrund von Diffusion sicherzustellen.
Traditionelle Alternativen
Im Fall von Kohlenstoff sind alle diese Bedingungen erfüllt, aber selbst mit der nächsten Alternative - Silizium - ist die Situation alles andere als rosig. Organosiliciummoleküle können lang genug sein, um erbliche Informationen zu transportieren, aber ihre Diversität ist im Vergleich zu organischen Kohlenstoffatomen zu gering. Aufgrund der größeren Größe der Atome bildet Silizium kaum Doppelbindungen, was die Möglichkeiten zur Bindung verschiedener funktioneller Gruppen stark einschränkt.
Darüber hinaus sind gesättigte Wasserstoffsilikone - Silane - völlig instabil. Natürlich gibt es auch stabile Verbindungen wie Silikate, aber die meisten von ihnen sind unter normalen Bedingungen feste Substanzen.
Bei anderen Elementen wie Bor oder Schwefel ist die Situation noch schlimmer: Organobor- und hochmolekulare Schwefelverbindungen sind äußerst instabil und ihre Vielfalt ist zu gering, um das Leben mit allen erforderlichen Bedingungen zu versorgen.
Unter Druck
„Stickstoff wurde nie ernsthaft als Lebensgrundlage angesehen, da unter normalen Bedingungen die einzige stabile Stickstoff-Wasserstoff-Verbindung Ammoniak NH3 ist“, sagt Artem Oganov, Leiter des computergestützten Materialdesignlabors des MIPT, Professor an der Stony Brook University in New York und am Skolkovo Institute of Science and Technology (Skoltech).
„Als unsere Gruppe kürzlich verschiedene Stickstoffsysteme bei hohen Drücken (bis zu 800 GPa) mit unserem USPEX-Algorithmus (Universal Structure Predictor: Evolutionary Xtallography) simulierte, entdeckte sie eine erstaunliche Sache.
Es stellte sich heraus, dass bei Drücken über 36 GPa (360.000 atm) eine Reihe von stabilem Wasserstoffstickstoff auftritt, wie lange eindimensionale Polymerketten von N4H-, N3H-, N2H- und NH-Einheiten, exotisches N9H4, die zweidimensionale Schichten von Stickstoffatomen mit gebundenen NH4 + -Kationen bilden, und molekulare Verbindungen N8H, NH2, N3H7, NH4, NH5.
Tatsächlich fanden wir heraus, dass bei Drücken in der Größenordnung von 40 bis 60 GPa die Stickstoff-Wasserstoff-Chemie in ihrer Vielfalt die Chemie von Kohlenwasserstoffverbindungen unter normalen Bedingungen signifikant übertrifft. Dies lässt hoffen, dass die Chemie von Systemen mit Stickstoff, Wasserstoff, Sauerstoff und Schwefel unter normalen Bedingungen auch vielfältiger ist als die traditionelle organische."
Schritt zum Leben
Diese Hypothese der Gruppe von Artem Oganov eröffnet völlig unerwartete Möglichkeiten in Bezug auf eine nicht kohlenstoffhaltige Lebensgrundlage.
„Wasserstoffstickstoff kann lange Polymerketten und sogar zweidimensionale Schichten bilden“, erklärt Artem. - Jetzt untersuchen wir die Eigenschaften solcher Systeme unter Beteiligung von Sauerstoff, dann werden wir der Betrachtung in unseren Modellen Kohlenstoff und Schwefel hinzufügen, und dies wird möglicherweise den Weg für Stickstoffanaloga von Kohlenstoffproteinen ebnen, wenn auch zunächst die einfachsten, ohne aktive Zentren und komplexe Struktur.
Die Frage nach Energiequellen für das Leben auf der Basis von Stickstoff ist noch offen, obwohl es sich möglicherweise um eine Art von Redoxreaktionen handelt, die uns unter Hochdruckbedingungen noch unbekannt sind. In der Realität können solche Bedingungen im Darm von Riesenplaneten wie Uranus oder Neptun existieren, obwohl die Temperaturen dort zu hoch sind. Bisher wissen wir jedoch nicht genau, welche Reaktionen dort auftreten können und welche für das Leben wichtig sind. Daher können wir den erforderlichen Temperaturbereich nicht genau abschätzen."
Lebensbedingungen auf der Basis von Stickstoffverbindungen mögen den Lesern äußerst exotisch erscheinen. Es genügt jedoch, daran zu erinnern, dass die Häufigkeit von Riesenplaneten in Sternensystemen mindestens nicht geringer ist als die von felsigen erdähnlichen Planeten. Und das bedeutet, dass es unser Kohlenstoffleben im Universum ist, das sich als viel exotischer herausstellen kann.
„Stickstoff ist das siebthäufigste Element im Universum. Es gibt einige davon in der Zusammensetzung von Riesenplaneten wie Uranus und Neptun. Es wird angenommen, dass Stickstoff dort hauptsächlich in Form von Ammoniak gefunden wird, aber unsere Modellierung zeigt, dass Ammoniak bei Drücken über 460 GPa keine stabile Verbindung mehr ist (wie unter normalen Bedingungen). Vielleicht gibt es im Darm der Riesenplaneten anstelle von Ammoniak völlig unterschiedliche Moleküle, und dies ist die Chemie, die wir jetzt untersuchen."
Stickstoff exotisch
Bei hohen Drücken bilden Stickstoff und Wasserstoff viele stabile, komplexe und ungewöhnliche Verbindungen. Die Chemie dieser Wasserstoff-Stickstoff-Verbindungen ist unter normalen Bedingungen viel vielfältiger als die der Kohlenwasserstoffchemie, so dass gehofft wird, dass Stickstoff-Wasserstoff-Sauerstoff-Sulfid-Verbindungen die organische Chemie in ihrem Reichtum übertreffen können.
Die Abbildung zeigt die Strukturen N4H, N3H, N2H, NH, N9H4 (rosa - Wasserstoffatome, blau - Stickstoff). Monomereinheiten sind rosa gerahmt.
Wohnraum
Es ist möglich, dass wir auf der Suche nach exotischem Leben nicht ans andere Ende des Universums fliegen müssen. In unserem eigenen Sonnensystem gibt es zwei Planeten mit geeigneten Bedingungen. Sowohl Uranus als auch Neptun sind in eine Atmosphäre aus Wasserstoff, Helium und Methan gehüllt und scheinen einen Silica-Eisen-Nickel-Kern zu haben.
Und zwischen dem Kern und der Atmosphäre befindet sich ein Mantel, der aus einer heißen Flüssigkeit besteht - einer Mischung aus Wasser, Ammoniak und Methan. In dieser Flüssigkeit mit dem richtigen Druck in den entsprechenden Tiefen kann die von Artem Oganovs Gruppe vorhergesagte Ammoniakzersetzung und die Bildung von exotischem Wasserstoffstickstoff sowie komplexeren Verbindungen, einschließlich Sauerstoff, Kohlenstoff und Schwefel, auftreten.
Neptun hat auch eine interne Wärmequelle, deren Art noch nicht klar verstanden ist (es wird angenommen, dass es sich um radiogene, chemische oder Gravitationserwärmung handelt). Dies ermöglicht es uns, die "bewohnbare Zone" um unseren (oder einen anderen) Stern herum erheblich zu erweitern, weit über die Grenzen hinaus, die für unser fragiles Kohlenstoffleben zur Verfügung stehen.
Dmitry Mamontov