Kehidupan terestrial, satu-satunya yang diketahui oleh kita sekarang, berdasarkan sebilangan besar sebatian karbon. Sementara itu, ini bukan satu-satunya unsur kimia yang boleh mendasari kehidupan.
Kewujudan bentuk kehidupan lain, yang secara fundamental berbeda dengan kehadiran di bumi, lokasi dan jumlah cakar, mata, gigi, cakar, tentakel dan bahagian tubuh yang lain adalah salah satu topik kegemaran dalam sastera fiksyen sains.
Walau bagaimanapun, penulis fiksyen ilmiah tidak terhad kepada ini - mereka hadir dengan kedua-dua bentuk kehidupan tradisional (karbon) eksotik dan asasnya yang tidak kurang eksotik - katakanlah, kristal hidup, makhluk medan tenaga tanpa makhluk atau makhluk organosilikon.
Sebagai tambahan kepada penulis fiksyen ilmiah, para saintis juga terlibat dalam perbincangan mengenai isu-isu seperti itu, walaupun mereka lebih berhati-hati dalam penilaian mereka. Bagaimanapun, setakat ini satu-satunya asas kehidupan yang diketahui oleh sains adalah karbon.
Walaupun begitu, pada suatu masa ahli astronomi dan penyebar ilmu sains terkenal Carl Sagan mengatakan bahawa adalah salah untuk menggeneralisasi pernyataan mengenai kehidupan duniawi yang berkaitan dengan kehidupan di seluruh Alam Semesta. Sagan menyebut generalisasi seperti itu "karbon chauvinisme", sementara dia sendiri menganggap silikon sebagai asas alternatif yang paling mungkin untuk hidup.
Persoalan utama kehidupan
Bentuk kehidupan organosilikon dari siri fantasi "Star Trek"
Video promosi:
Apa itu hidup? Nampaknya jawapan untuk soalan ini jelas, tetapi cukup aneh, masih ada perbincangan mengenai kriteria formal dalam komuniti saintifik. Walaupun begitu, sebilangan ciri boleh dibezakan: kehidupan mesti membiak sendiri dan berkembang, dan untuk ini, beberapa syarat penting mesti dipenuhi.
Pertama, kewujudan hidup memerlukan sebilangan besar sebatian kimia, yang terdiri terutamanya dari sebilangan kecil unsur kimia. Dalam kes kimia organik, ini adalah karbon, hidrogen, nitrogen, oksigen, sulfur, dan jumlah sebatian tersebut sangat besar.
Kedua, sebatian ini mestilah termodinamik stabil atau paling tidak metastabil, iaitu jangka hayatnya mesti cukup lama untuk melakukan pelbagai reaksi biokimia.
Syarat ketiga ialah mesti ada reaksi untuk mengeluarkan tenaga dari persekitaran, serta untuk mengumpulkan dan membebaskannya.
Keempat, untuk pembiakan semula kehidupan, diperlukan mekanisme keturunan, di mana molekul aperiodik besar bertindak sebagai pembawa maklumat.
Erwin Schrödinger mencadangkan bahawa kristal aperiodik boleh menjadi pembawa maklumat keturunan, dan kemudian struktur molekul DNA, kopolimer linear, ditemui. Akhirnya, semua bahan ini mesti berada dalam keadaan cair untuk memastikan kadar tindak balas metabolisme (metabolisme) yang mencukupi kerana penyebaran.
Alternatif tradisional
Dalam kes karbon, semua syarat ini dipenuhi, tetapi walaupun dengan alternatif terdekat - silikon - keadaannya jauh dari kemerahan. Molekul organosilikon cukup panjang untuk membawa maklumat keturunan, tetapi kepelbagaian mereka terlalu lemah jika dibandingkan dengan organik karbon - kerana ukuran atom yang lebih besar, silikon hampir tidak membentuk ikatan berganda, yang sangat membatasi kemungkinan menjalin pelbagai kumpulan berfungsi.
Di samping itu, silikon hidrogen tepu - silan - sama sekali tidak stabil. Sudah tentu, terdapat juga sebatian yang stabil, seperti silikat, tetapi kebanyakannya adalah bahan pepejal dalam keadaan normal.
Dengan unsur-unsur lain, seperti boron atau sulfur, keadaannya bertambah buruk: sebatian organoboron dan sulfur molekul tinggi sangat tidak stabil, dan kepelbagaian mereka terlalu lemah untuk memberi kehidupan dengan semua keadaan yang diperlukan.
Dibawah tekanan
"Nitrogen tidak pernah dianggap serius sebagai asas kehidupan, kerana dalam keadaan normal satu-satunya sebatian nitrogen-hidrogen stabil adalah ammonia NH3," kata Artem Oganov, ketua makmal reka bentuk bahan berbantukan komputer, profesor di Universiti Stony Brook di New York dan Institut Sains dan Teknologi Skolkovo (Skoltech).
Namun, baru-baru ini, ketika mensimulasikan pelbagai sistem nitrogen pada tekanan tinggi (hingga 800 GPa) menggunakan algoritma USPEX (Universal Structure Predictor: Evolutionary Xtallography) kami, kumpulan kami menemui sesuatu yang menakjubkan.
Ternyata pada tekanan di atas 36 GPa (360.000 atm), sejumlah nitrogen hidrogen stabil muncul, seperti rantai polimer satu dimensi panjang unit N4H, N3H, N2H, dan NH, N9H4 eksotik, yang membentuk kepingan dua dimensi atom nitrogen dengan kation NH4 + terpasang, dan sebatian molekul N8H, NH2, N3H7, NH4, NH5.
Sebenarnya, kami mendapati bahawa pada tekanan urutan 40-60 GPa, kimia nitrogen-hidrogen dalam kepelbagaiannya jauh melebihi kimia sebatian hidrokarbon dalam keadaan normal. Ini membolehkan kita berharap bahawa kimia sistem yang melibatkan nitrogen, hidrogen, oksigen dan sulfur juga lebih kaya dengan kepelbagaian daripada organik tradisional dalam keadaan normal.
Langkah untuk hidup
Hipotesis kumpulan Artem Oganov ini membuka kemungkinan yang tidak dijangka dari segi asas kehidupan bukan karbon.
"Hidrogen nitrogen dapat membentuk rantai polimer panjang dan bahkan kepingan dua dimensi," jelas Artem. - Sekarang kita mengkaji sifat sistem sedemikian dengan penyertaan oksigen, maka kita akan menambahkan karbon dan sulfur ke dalam pertimbangan dalam model kita, dan ini, mungkin, akan membuka jalan kepada analog nitrogen protein karbon, walaupun yang paling mudah, sebagai permulaan, tanpa pusat aktif dan struktur kompleks.
Persoalan sumber tenaga untuk hidup berdasarkan nitrogen masih terbuka, walaupun mungkin merupakan reaksi redoks yang masih belum kita ketahui, yang berlaku dalam keadaan tekanan tinggi. Kenyataannya, keadaan seperti itu dapat terjadi di dalam perut planet raksasa seperti Uranus atau Neptunus, walaupun suhu di sana terlalu tinggi. Tetapi setakat ini kita tidak tahu dengan tepat reaksi apa yang boleh terjadi di sana dan mana yang penting untuk kehidupan, oleh itu kita tidak dapat menganggarkan julat suhu yang diperlukan dengan tepat.
Keadaan hidup berdasarkan sebatian nitrogen mungkin kelihatan sangat eksotik bagi pembaca. Tetapi cukup untuk mengingat fakta bahawa banyaknya planet raksasa dalam sistem bintang paling tidak tidak kurang dari planet-planet seperti bumi berbatu. Dan ini bermakna bahawa kehidupan karbon kita di Alam Semesta inilah yang dapat menjadi lebih eksotik.
"Nitrogen adalah unsur ketujuh paling banyak di alam semesta. Terdapat sebilangan besar daripadanya dalam komposisi planet gergasi seperti Uranus dan Neptunus. Dipercayai bahawa nitrogen terdapat di sana terutamanya dalam bentuk ammonia, tetapi pemodelan kami menunjukkan bahawa pada tekanan di atas 460 GPa, amonia berhenti menjadi sebatian yang stabil (kerana berada dalam keadaan normal). Jadi, mungkin, dalam usus planet raksasa, bukannya amonia, terdapat molekul yang sama sekali berbeza, dan inilah kimia yang sedang kita selidiki sekarang."
Nitrogen eksotik
Pada tekanan tinggi, nitrogen dan hidrogen membentuk sebatian stabil, kompleks, dan tidak biasa. Kimia sebatian hidrogen-nitrogen ini jauh lebih berbeza daripada kimia hidrokarbon dalam keadaan normal, jadi diharapkan sebatian nitrogen-hidrogen-oksigen-sulfida dapat mengatasi kimia organik dengan kekayaan.
Rajah menunjukkan struktur N4H, N3H, N2H, NH, N9H4 (atom hidrogen merah jambu, biru - nitrogen). Bingkai merah jambu mengandungi unit monomer.
Tempat tinggal
Ada kemungkinan bahawa dalam mencari kehidupan eksotik kita tidak perlu terbang ke hujung alam semesta yang lain. Dalam sistem suria kita sendiri, terdapat dua planet dengan keadaan yang sesuai. Uranus dan Neptunus diselimuti oleh atmosfer hidrogen, helium, dan metana, dan tampaknya memiliki inti silika-besi-nikel.
Dan antara inti dan atmosfer adalah mantel, yang terdiri daripada cecair panas - campuran air, ammonia dan metana. Dalam cecair ini pada tekanan yang tepat pada kedalaman yang tepat, penguraian ammonia yang diramalkan oleh kumpulan Artem Oganov dan pembentukan nitrogen hidrogen eksotik, serta sebatian yang lebih kompleks, termasuk oksigen, karbon dan sulfur, dapat terjadi.
Neptunus juga mempunyai sumber haba dalaman, yang sifatnya masih belum difahami dengan jelas (diandaikan bahawa ia adalah pemanasan radiogenik, kimia atau graviti). Ini membolehkan kita memperluas "zon yang dapat dihuni" di sekitar bintang kita (atau yang lain), jauh melebihi had yang tersedia untuk jangka hayat karbon rapuh kita.
Dmitry Mamontov
