poniedziałek, 8 października 2012

ABC węglowego szowinizmu



W największym uproszczeniu węglowy szowinizm jest przekonaniem, że jeśli istnieje życie pozaziemskie, to najpewniej jest ono oparte na związkach węgla. Nie oznacza to, że nie ma innych możliwości – jedynie, że są one bardzo mało prawdopodobne. W tej notce postaram się wyjaśnić czemu nie jest to antropocentryzm, tylko wniosek z tego jak wygląda Wszechświat i jak funkcjonuje chemia.

Zanim przejdę do rzeczy – nie mam zamiaru wnikać w definicję życia. Na potrzeby tej notki nie będzie problemem przyjąć, że mamy wspólne, zdroworozsądkowe wyobrażenie życia – odżywiającego się, zużywającego energię, reagującego na otoczenie i replikującego się. Nie ma też chyba potrzeby wyjaśniania, że prawa fizyki (a zatem również chemia) funkcjonują jednakowo wszędzie.

Zatem czemu życie będzie oparte na węglu i nie obejdzie się bez wody w stanie ciekłym? Pewnie każdy kto kiedyś widział Star Treka, oraz niemal każdy kto tylko o nim słyszał zaraz powie, że może istnieć życie krzemowe. Istotnie krzem to najlepszy kontrkandydat na tablicy okresowej pierwiastków. Jest go jedynie siedem razy mniej niż węgla. Może tworzyć cztery stabilne wiązania z innymi atomami. Może tworzyć złożone struktury. Jeśli jednak przyjrzeć się dokładniej, przestaje być tak ciekawie. Długie łańcuchy węgla umożliwiające istnienie kwasów tłuszczowych i membran komórek, pierścienie tworzące cukry i hormony są stabilne chemicznie. Analogiczne związki krzemu byłyby mniej stabilne w najlepszym wypadku, w najgorszym bardzo reaktywne.

Związki organiczne (których nie należy mylić z życiem – to po prostu spora część związków węgla) występują naturalnie nawet w meteorach, kometach a nawet w obłokach międzygwiezdnych. Ich krzemowe odpowiedniki nie zostały nigdy zaobserwowane w naturze. Największa zaobserwowana molekuła krzemu zawierała sześć atomów silikonu, w przypadku węgla mówimy o tysiącach. Dlatego choć można sztucznie stworzyć polimery krzemowe, a nawet krzemowy odpowiednik grafenu, to natura nie wydaje się być tym zainteresowana. Obecność tlenu (Około 15 razy bardziej powszechnego we Wszechświecie) lub wody prawdopodobnie byłaby niszczycielska dla takich związków. Jakby tego było mało brak chiralności (coś jak skrętność, ale nie do końca) w związkach krzemu wskazywana jest jako kolejna bariera przy powstaniu ewentualnych form życia. Nie podejmę się wchodzenia w detale.

Węglowy szowinizm co prawda nie mówi o wodzie, ale wodny szowinizm wydaje się nie mniej uzasadniony. Realistycznie patrząc biochemia będzie wymagać ciekłego rozpuszczalnika, innymi słowy ciężko o fajną chemię w fazie stałej lub gazowej. Jako ewentualnych konkurentów H2O wymienia się amoniak (NH3), fluorowodór (HF) i siarkowodór (H2S) – wszystkie będące polarnymi rozpuszczalnikami. Nie jestem pewien, dlaczego polarność jest pożądana, jeśli dopuszcza się teoretyczne życie na Tytanie, gdzie tą rolę pełniłby niepolarny metan.

Do rzeczy jednak - jaki są problemy z konkurencją? Amoniakowi wytyka się niskie napięcie powierzchniowe, co utrudnia zbijanie w kupę agregację prebiotycznych związków i ewentualne wytworzenie membran komórek. Fluorowodór wygląda obiecująco, ze swoją dużą rozpiętością temperatur w których jest cieczą. Niestety fluor jest niezbyt rozpowszechniony w kosmosie, a w kontakcie z bardzo powszechną wodą fluorowodór wytworzy kwas fluorowodorowy, który nada się lepiej do trawienia szkła niż do hodowania życia. Siarkowodór natomiast jest cieczą w wąskim zakresie niskich temperatur. Woda jest wszędzie, woda jest cieczą w dużym zakresie temperatur, jest po prostu najlepszym typem.

W najbliższym czasie najlepsze szanse na zaśmianie się w twarz wodnym szowinistom będą mieli ludzie badający Tytana, gdzie hipotetycznie mogło by rozwinąć się życie taplające się w metanowo-etanowych jeziorach na powierzchni lub amoniakowych setki kilometrów pod powierzchnią. Należy jednak się spodziewać, że ewentualne procesy życiowe w tak niskich temperaturach zachodziłyby tak wolno (mówimy tu o środowiskach o bardzo niskiej energii), że prawdopodobnie nie byłyby w stanie nadążyć ewolucyjnie za zmianami klimatu, co za tym idzie, sama abiogeneza wydaje się mało prawdopodobna.

Następnym razem:
ABC węglowego szowinizmu: The Sequel – dlaczego kosmici będą mieli dwoje oczu, siatkówkę i źrenice! Stay tuned!


Graficzka pochodzi z dokumentu Life Beyond Earth.

9 komentarzy:

  1. Czekam z niecierpliwością na kontynuację i mam nadzieję, że na dwóch odsłonach się nie skończy. Jak się powiedziało ABC to oczekuję, że po A i B będzie co najmniej C.

    OdpowiedzUsuń
    Odpowiedzi
    1. Nic nie obiecuję :) Strasznie długo do tej się zbierałem. Cholera wie ile mi zajmie napisanie kolejnej.

      Usuń
  2. Kiedyś uważano, że nie może istnieć wiele rzeczy, które okazały się, jak najbardziej realne. Nauka nie powiedziała jeszcze ostatniego słowa, a nasz obecny poziom, choć najwyższy w historii dotychczasowej, ma się nijak do sumarycznej.

    OdpowiedzUsuń
    Odpowiedzi
    1. Nijak do sumarycznej?... no nic... Chemia jest chemią i tu się raczej nic nie zmieni. Podkreślę jednak zdanie z pierwszego akapitu: "Nie oznacza to, że nie ma innych możliwości – jedynie, że są one bardzo mało prawdopodobne."

      Usuń
  3. Ja bym jeszcze dodał, że woda jest najpowszechniejszym związkiem chemicznym we Wszechświecie.

    OdpowiedzUsuń
    Odpowiedzi
    1. Racja, tylko napomknąłem, że woda jest wszędzie nie dając do zrozumienia jak bardzo wszędzie jest ;)

      Usuń
  4. Nie piszcie z takim przekonaniem o nauce jeśli nie jesteście praktykami a obserwatorami.Nawet astrofizyk Hawking zmienił zdanie po tylu latach.Stacja kosmiczna i badania na niej a także pomiary sond dostarczają materiałów do rozważań.Naukowcy mówią o teorii a nie twierdzeniu.

    OdpowiedzUsuń
  5. (...)Największa zaobserwowana molekuła krzemu zawierała sześć atomów silikonu.

    Przypadkiem nie powinno być na odwrót? Molekuła silikonu ma 6 atomów krzemu?

    OdpowiedzUsuń
    Odpowiedzi
    1. nawet pierwsze słowo wikipedii o silikonach to "syntetyczne" :))

      Usuń