La vita terrestre, l'unica attualmente a noi nota, si basa su un'enorme varietà di composti di carbonio. Nel frattempo, questo non è l'unico elemento chimico che può essere alla base della vita.
L'esistenza di altre forme di vita, fondamentalmente diverse da quelle terrene, in presenza, posizione e numero di zampe, occhi, denti, artigli, tentacoli e altre parti del corpo è uno degli argomenti preferiti nella letteratura di fantascienza.
Tuttavia, gli scrittori di fantascienza non si limitano a questo: escogitano sia forme esotiche di vita tradizionale (carbonio) che le sue basi non meno esotiche - diciamo, cristalli viventi, creature del campo di energia disincarnata o creature di silicio organico.
Oltre agli scrittori di fantascienza, anche gli scienziati sono impegnati nella discussione di tali questioni, sebbene siano molto più attenti nelle loro valutazioni. Dopotutto, finora l'unica base della vita che è precisamente nota alla scienza è il carbonio.
Tuttavia, un tempo il famoso astronomo e divulgatore della scienza Carl Sagan disse che è completamente sbagliato generalizzare affermazioni sulla vita terrena in relazione alla vita nell'intero universo. Sagan chiamava queste generalizzazioni "sciovinismo del carbonio", mentre lui stesso considerava il silicio la base alternativa più probabile per la vita.
La questione principale della vita
Forma di vita in organosilicio dalla serie di fantascienza "Star Trek"
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Cos'è la vita? Sembrerebbe che la risposta a questa domanda sia ovvia, ma stranamente, ci sono ancora discussioni sui criteri formali nella comunità scientifica. Tuttavia, si possono distinguere alcuni tratti caratteristici: la vita deve riprodursi ed evolversi, e per questo devono essere soddisfatte diverse condizioni importanti.
Innanzitutto, per l'esistenza della vita, è richiesto un gran numero di composti chimici, costituiti principalmente da un numero limitato di elementi chimici. Nel caso della chimica organica, questi sono carbonio, idrogeno, azoto, ossigeno, zolfo e il numero di tali composti è enorme.
In secondo luogo, questi composti devono essere termodinamicamente stabili o almeno metastabili, ovvero la loro durata deve essere abbastanza lunga da svolgere varie reazioni biochimiche.
La terza condizione è che devono esserci reazioni per estrarre energia dall'ambiente, così come per accumularla e rilasciarla.
Quarto, per l'auto-riproduzione della vita, è richiesto un meccanismo di ereditarietà, in cui una grande molecola aperiodica funge da vettore di informazione.
Erwin Schrödinger ha suggerito che un cristallo aperiodico potrebbe essere il vettore di informazioni ereditarie, e in seguito è stata scoperta la struttura della molecola di DNA, un copolimero lineare. Infine, tutte queste sostanze devono essere allo stato liquido per garantire un sufficiente tasso di reazioni metaboliche (metabolismo) dovute alla diffusione.
Alternative tradizionali
Nel caso del carbonio, tutte queste condizioni sono soddisfatte, ma anche con l'alternativa più vicina - il silicio - la situazione è lungi dall'essere così roseo. Le molecole di organosilicio possono essere abbastanza lunghe da trasportare informazioni ereditarie, ma la loro diversità è troppo scarsa rispetto alle sostanze organiche del carbonio: a causa delle dimensioni maggiori degli atomi, il silicio difficilmente forma doppi legami, il che limita notevolmente le possibilità di attaccare vari gruppi funzionali.
Inoltre, i siliconi di idrogeno saturi - silani - sono completamente instabili. Naturalmente, esistono anche composti stabili, come i silicati, ma la maggior parte di essi sono sostanze solide in condizioni normali.
Con altri elementi, come il boro o lo zolfo, la situazione è ancora peggiore: l'organoboron e i composti di zolfo ad alto peso molecolare sono estremamente instabili e la loro diversità è troppo scarsa per fornire alla vita tutte le condizioni necessarie.
Sotto pressione
"L'azoto non è mai stato seriamente considerato come base per la vita, poiché in condizioni normali l'unico composto azoto-idrogeno stabile è l'ammoniaca NH3", afferma Artem Oganov, capo del laboratorio di progettazione assistita da computer del MIPT, professore alla Stony Brook University di New York e allo Skolkovo Institute of Science and Technology (Skoltech).
Tuttavia, recentemente, mentre simulava vari sistemi di azoto ad alte pressioni (fino a 800 GPa) utilizzando il nostro algoritmo USPEX (Universal Structure Predictor: Evolutionary Xtallography), il nostro gruppo ha scoperto una cosa sorprendente.
Si è scoperto che a pressioni superiori a 36 GPa (360.000 atm), appare un certo numero di idrogeno azoto stabile, come lunghe catene polimeriche unidimensionali di unità N4H, N3H, N2H e NH, esotici N9H4, che formano fogli bidimensionali di atomi di azoto con cationi NH4 + attaccati, e composti molecolari N8H, NH2, N3H7, NH4, NH5.
In effetti, abbiamo scoperto che a pressioni dell'ordine di 40-60 GPa, la chimica azoto-idrogeno nella sua diversità supera significativamente la chimica dei composti idrocarburici in condizioni normali. Questo ci permette di sperare che la chimica dei sistemi che coinvolgono azoto, idrogeno, ossigeno e zolfo sia anche più ricca di diversità rispetto a quella organica tradizionale in condizioni normali.
Passo alla vita
Questa ipotesi del gruppo di Artem Oganov apre possibilità completamente inaspettate in termini di una base di vita non carbonica.
"L'idrogeno azoto può formare lunghe catene polimeriche e persino fogli bidimensionali", spiega Artem. - Ora stiamo studiando le proprietà di tali sistemi con la partecipazione dell'ossigeno, quindi aggiungeremo carbonio e zolfo alla considerazione nei nostri modelli, e questo, forse, aprirà la strada agli analoghi dell'azoto delle proteine del carbonio, anche se i più semplici, per cominciare, senza centri attivi e struttura complessa.
La questione delle fonti di energia per la vita basate sull'azoto è ancora aperta, anche se potrebbe trattarsi di una sorta di reazioni redox che ci sono ancora sconosciute, che si verificano in condizioni di alta pressione. In realtà, tali condizioni possono esistere nelle viscere di pianeti giganti come Urano o Nettuno, sebbene le temperature siano troppo alte. Ma finora non sappiamo esattamente quali reazioni possono verificarsi lì e quali di esse sono importanti per la vita, quindi non possiamo stimare con precisione l'intervallo di temperatura richiesto.
Le condizioni di vita basate sui composti dell'azoto possono sembrare estremamente esotiche ai lettori. Ma è sufficiente ricordare il fatto che l'abbondanza di pianeti giganti nei sistemi stellari è almeno non inferiore a quella di pianeti rocciosi simili alla terra. E questo significa che è la nostra vita di carbonio nell'Universo che può rivelarsi molto più esotica.
“L'azoto è il settimo elemento più abbondante nell'universo. Ce ne sono parecchi nella composizione di pianeti giganti come Urano e Nettuno. Si ritiene che l'azoto si trovi lì principalmente sotto forma di ammoniaca, ma il nostro modello mostra che a pressioni superiori a 460 GPa, l'ammoniaca cessa di essere un composto stabile (come è in condizioni normali). Quindi, forse, nelle viscere dei pianeti giganti, invece dell'ammoniaca, ci sono molecole completamente diverse, ed è questa chimica che stiamo ora studiando.
Azoto esotico
Ad alte pressioni, l'azoto e l'idrogeno formano molti composti stabili, complessi e insoliti. La chimica di questi composti idrogeno-azoto è molto più diversificata rispetto alla chimica degli idrocarburi in condizioni normali, quindi si spera che i composti azoto-idrogeno-ossigeno-solfuro possano superare la chimica organica in ricchezza.
La figura mostra le strutture N4H, N3H, N2H, NH, N9H4 (rosa - atomi di idrogeno, blu - azoto). La cornice rosa contiene unità monomeriche.
Spazio vitale
È possibile che alla ricerca di una vita esotica non dovremo volare dall'altra parte dell'universo. Nel nostro sistema solare ci sono due pianeti con condizioni adeguate. Sia Urano che Nettuno sono avvolti in un'atmosfera di idrogeno, elio e metano e sembrano avere un nucleo di silice-ferro-nichel.
E tra il nucleo e l'atmosfera c'è un mantello, costituito da un liquido caldo - una miscela di acqua, ammoniaca e metano. È in questo liquido alle giuste pressioni alle profondità appropriate che possono verificarsi la decomposizione dell'ammoniaca prevista dal gruppo di Artem Oganov e la formazione di azoto idrogeno esotico, nonché composti più complessi, tra cui ossigeno, carbonio e zolfo.
Nettuno ha anche una fonte di calore interna, la cui natura non è ancora chiaramente compresa (si presume che sia riscaldamento radiogeno, chimico o gravitazionale). Questo ci permette di espandere in modo significativo la "zona abitabile" intorno alla nostra (o un'altra) stella, ben oltre i limiti disponibili per la nostra fragile vita di carbonio.
Dmitry Mamontov
