Θα πιει το ET Νερό;

Μια ομάδα αστρονόμων ανακοίνωσε φέτος ότι είχε βρει όχι λιγότερους από οκτώ πλανήτες σε τροχιά γύρω από τη λεγόμενη ζώνη Goldilocks γύρω από τα μητρικά τους αστέρια, μέσα στην οποία οι θερμοκρασίες δεν είναι ούτε πολύ καυτές ούτε πολύ κρύες για να υποστηρίξουν τη ζωή όπως τη γνωρίζουμε στη Γη. Δύο από αυτούς, που ονομάζονται Kepler-438b και Kepler-442b, είναι οι πιο όμοιοι με τη Γη υποψήφιοι που έχουν δει μέχρι σήμερα ανάμεσα στους 1.900 περίπου εξωπλανήτες (πλανήτες εκτός του ηλιακού μας συστήματος) που είναι τώρα γνωστό ότι υπάρχουν.

Το "όμοιο με τη Γη" σημαίνει, εν μέρει, ότι ένας πλανήτης έχει καλές πιθανότητες να μεταφέρει νερό σε υγρή μορφή - κάτι που είναι πιο πιθανό να ισχύει μέσα στη ζώνη Goldilocks. Το "Follow the Water" έχει γίνει μάντρα για τους αστροβιολόγους που αναζητούν σημάδια ζωής αλλού στον κόσμο. Με τη νέα δυνατότητα ανίχνευσης του χαρακτηριστικού δακτυλικού αποτυπώματος του νερού στο φως που αντανακλάται από τις ατμόσφαιρες των εξωπλανητών, ορισμένοι αστρονόμοι ελπίζουν να εντοπίσουν σύντομα έναν κόσμο που θα φιλοξενεί ζωή.

Αλλά είναι πραγματικά απαραίτητο το νερό σε υγρή μορφή για τη ζωή;

Υπάρχει μακρά ιστορία στην πεποίθηση ότι είναι. Το 1913, ο βιοχημικός του Χάρβαρντ Λόρενς Χέντερσον πρότεινε μια περίεργη αντιστροφή της δαρβινικής εξέλιξης, στην οποία οι οργανισμοί γίνονται «κατάλληλοι» για το περιβάλλον τους με προσαρμογή. Το βιβλίο του Henderson The Fitness of the Environment υποστήριξε ότι το κοσμικό περιβάλλον είναι το ίδιο περίεργα «κατάλληλο» για να φιλοξενήσει τη ζωή.

Ο Χέντερσον επεσήμανε ότι το νερό, ιδιαίτερα, φαινόταν γεμάτο με «βιοκεντρικές» ιδιότητες, σαν να ήταν μοναδικά σχεδιασμένο ως διαλύτης ζωής. Το γεγονός ότι είναι καθόλου υγρό στη Γη είναι πιο ασυνήθιστο από όσο μπορεί να φαίνεται. Άλλα απλά μόρια υδριδίου—μεθάνιο, υδρόθειο, αμμωνία, υδροχλώριο— είναι όλα αέρια σε θερμοκρασία δωματίου και πίεση—αλλά όχι «υδρίδιο οξυγόνου» H₂ O. Φαίνεται ότι υπάρχουν κάποια επιπλέον κολλώδη μόρια νερού που δεσμεύουν μεταξύ τους.

Και επειδή το νερό έχει υψηλή θερμική ικανότητα (μπορεί να απορροφήσει πολλή θερμότητα χωρίς μεγάλη αύξηση της θερμοκρασίας), τα ωκεάνια ρεύματα μπορούν να αναδιανείμουν τεράστιες ποσότητες ηλιακής θερμότητας και να βοηθήσουν να γίνουν οι πλανητικές συνθήκες πιο ομοιόμορφες και σταθερές. Επιπλέον, ενώ τα περισσότερα υγρά συρρικνώνονται και γίνονται πιο πυκνά όταν παγώνουν, ο πάγος διαστέλλεται και επιπλέει. Ως αποτέλεσμα, οι λίμνες δεν παγώνουν στερεά από κάτω προς τα πάνω και στη συνέχεια καθίστανται σχεδόν αδύνατο να ξεπαγώσουν. Αντίθετα, ένα παγωμένο καπάκι μονώνει το νερό από κάτω.

Το νερό διαλύει επίσης ένα ευρύ φάσμα ουσιών, έτσι ώστε να βοηθά στη μεταφορά βασικών θρεπτικών συστατικών και στοιχείων στους οργανισμούς που τα χρειάζονται. Χωρίς την εξαιρετική ικανότητα του νερού να φιλοξενεί ιόντα (ηλεκτρικά φορτισμένα άτομα και μόρια), δεν θα είχαμε φωτοσύνθεση ή νευρικές ώσεις. Η μεγάλη επιφανειακή τάση του νερού επιτρέπει στο χυμό να ανεβαίνει σε μεγάλες αποστάσεις μέσω της τριχοειδούς δράσης, έτσι ώστε τα φυτά να μπορούν να σταθούν ψηλά. Και ούτω καθεξής.

Αυτό ήταν βαθιά μπερδεμένο. Πώς θα μπορούσε ένα περιβάλλον αποκτήσω φυσική κατάσταση; Εξάλλου, τα χημικά συστατικά ενός πλανήτη -νερό, πέτρες, αέρας- δεν μεταλλάσσονται και δεν αναπαράγονται, το βασικό χαρακτηριστικό για την επίτευξη της Δαρβινικής φυσικής κατάστασης. Ωστόσο, ορισμένες από αυτές τις ζωτικές ιδιότητες του νερού είχαν σημειωθεί στο παρελθόν. Στα μέσα του 19ου αιώνα, αρκετοί Βρετανοί μελετητές ανατέθηκαν από τον κόμη του Μπρίτζγουοτερ να γράψουν μια σειρά βιβλίων που έδειχναν «τη Δύναμη, τη Σοφία και την Καλοσύνη του Θεού, όπως εκδηλώνονται στη Δημιουργία»—με άλλα λόγια, πώς ήταν η σοφία του Θεού αποκαλύφθηκε στις ανακαλύψεις της επιστήμης, ένας στόχος που ονομάζεται φυσική θεολογία. Σε μια από αυτές τις πραγματείες του Bridgewater, που δημοσιεύτηκε το 1834, ο Άγγλος χημικός William Prout ισχυρίστηκε ότι η διαστολή του υγρού νερού κοντά στο σημείο πήξης του ήταν ένα παράδειγμα αυτής της θείας πρόνοιας.

Ο Χέντερσον δεν ήταν τόσο έτοιμος να παραχωρήσει έδαφος στον Θεό, αλλά παραδέχτηκε ότι δεν ήταν εύκολο να βρει κάποια εναλλακτική εξήγηση για την φαινομενική «καταλληλότητα» του νερού. Το μόνο που μπορούσε να πει ήταν ότι υπήρχε «υπερβολικά μικρό έδαφος για ελπίδα ότι οποιαδήποτε εξήγηση αυτών των συμπτώσεων μπορεί να προκύψει από τρέχουσες υποθέσεις και νόμους». Αν πρέπει ποτέ να γίνουν κατανοητές, είπε, «θα γίνει στο μέλλον, όταν η έρευνα έχει διεισδύσει πολύ βαθύτερα στο αίνιγμα των ιδιοτήτων της ύλης».

Ο περίπου αιώνας της έρευνας από τότε που ο Χέντερσον αποκάλυψε μια συμβατότητα μεταξύ του νερού και της ζωής όπως την ξέρουμε, που είναι ακόμα πιο αξιοσημείωτη και περίπλοκη από ό,τι φανταζόμασταν. Αλλά έδειξε επίσης ότι η σχέση μπορεί να μην είναι ιδιαίτερα αποκλειστική - η περίεργη αρμονία μεταξύ ζωής και νερού μπορεί να είναι απλώς ένα άλλο παράδειγμα της αξιοσημείωτης προσαρμοστικότητας που κατέστη δυνατή από τη Δαρβινική εξέλιξη.

Από τη σύγχρονη άποψη, το νερό απέχει πολύ από το να είναι ένα παθητικό σκηνικό στο οποίο τα βιομόρια της ζωής παίζουν τα δράματά τους. Αντίθετα, είναι ενεργός συμμετέχων. Ένας λεπτός ιστός αδύναμων χημικών δεσμών μεταξύ μορίων νερού, που ονομάζονται δεσμοί υδρογόνου, τυλίγεται γύρω από αυτά τα βιομόρια με τρόπους που τα υφαίνουν στην ταπετσαρία του υγρού. Αυτό ενώνει τη βιομοριακή διαλυμένη ουσία με τον διαλύτη της σε έναν αμοιβαία ανταποκρινόμενο χορό. Για να κάνουν τη δουλειά τους να καταλύουν βιοχημικές αντιδράσεις, οι πρωτεΐνες πρέπει να είναι μάλλον εύκαμπτες, αλλάζουν σχήμα καθώς καθοδηγούν μια αντίδραση στη σωστή διαδρομή. Αλλά αυτές οι αλλαγές σχήματος μεταμορφώνουν και το περιβάλλον κέλυφος του νερού, ενώ οι ταλαντεύσεις και οι διακυμάνσεις του νερού «ενισχύουν» δυναμισμό στην πρωτεΐνη.

Μια τέτοια αλληλεπίδραση μπορεί να είναι εκπληκτικά λεπτή. Για παράδειγμα, ερευνητές στο Πανεπιστήμιο του Ρουρ του Μπόχουμ στη Γερμανία και στο Ινστιτούτο Επιστημών Weizmann στο Ισραήλ ανακάλυψαν ότι, καθώς μια πρωτεΐνη δεσμεύει το μόριο-στόχο της (που ονομάζεται υπόστρωμά της) προετοιμάζοντας τον μετασχηματισμό του, τα μόρια του νερού κοντά στη θέση δέσμευσης φαίνεται να επιβραδύνεται, σχεδόν σαν να πήζει για να συγκρατεί το υπόστρωμα στη θέση του. Και υπάρχουν ανεπαίσθητα κέρδη και απώλειες ενέργειας και εντροπίας, που συνδέονται με αλλαγές στην ποσότητα των δεσμών υδρογόνου και με την ελευθερία των μορίων του νερού να κινούνται, κάτι που μπορεί να υπαγορεύσει και να οδηγήσει έναν αριθμό εξαιρετικά συντονισμένων και εξαιρετικά επιλεκτικών βιοχημικών διεργασιών. /P>

Αυτά περιλαμβάνουν τη δέσμευση ενός ενζύμου με το μόριο ή το υπόστρωμα-στόχο του, όταν το νερό αποβάλλεται από τις γωνίες και τις σχισμές για να δημιουργηθεί χώρος για το υπόστρωμα. η αναδίπλωση μιας νέας πρωτεϊνικής αλυσίδας στο συμπαγές σχήμα ενός ενζύμου. τη συναρμολόγηση πρωτεϊνών σε πολυμερή βιομοριακό μηχανισμό· και τη συναρμολόγηση μορίων λιπαρών λιπιδίων στις κυτταρικές μεμβράνες. Καθεμία από αυτές τις διεργασίες επωφελείται από το γεγονός ότι η βύθιση στο νερό προκαλεί κατά κάποιο τρόπο μια ελκτική δύναμη μεταξύ των υδατοαπωθητικών (υδρόφοβων) τμημάτων των μορίων.

Τα μόρια του νερού συχνά λειτουργούν σαν εργαλεία που συνδέονται με την επιφάνεια μιας πρωτεΐνης, επεκτείνοντας έτσι την εμβέλεια ενός ενζύμου και βοηθώντας το να δεσμεύει ή να μεταφέρει μικρά μόρια. Και οι αλυσίδες μορίων νερού που περνούν μέσω καναλιών στα ένζυμα λειτουργούν ως «σύρματα πρωτονίων» που μπορούν να μεταφέρουν ιόντα υδρογόνου, επιτρέποντας στα κύτταρα να μετακινήσουν άτομα υδρογόνου σε νέες θέσεις ή ένα νέο μόριο ή να δημιουργήσουν και να εκκενώσουν βαθμίδες σε συγκέντρωση ιόντων υδρογόνου που μπορεί να αξιοποιούνται για να παράγουν ενέργεια, όπως ακριβώς οι υδάτινες ρόδες χτυπούν τη ροή του νερού στην πλαγιά ενός λόφου. Μικρές αλλαγές στον ιστό των μορίων του νερού που είναι κλωστές μεταξύ της διπλής έλικας του DNA μπορούν να επηρεάσουν την ευκολία κάμψης του μορίου και τον τρόπο με τον οποίο οι πρωτεΐνες κολλάνε σε αυτό για να ενεργοποιήσουν και να απενεργοποιήσουν τη δραστηριότητα των γονιδίων.

Όλα αυτά δείχνουν ότι ο ρόλος του νερού στη ζωή είναι ακόμη πιο περίπλοκος και περιεκτικός από όσο θα μπορούσε να εκτιμήσει ο Χέντερσον. Αλλά πόσο από αυτό είναι μοναδικό για το νερό και σε ποιο βαθμό η ζωή εξαρτάται από τέτοιες ικανότητες; Ορισμένοι από τους ρόλους του νερού, όπως στην υδρόφοβη έλξη, έχουν ανάλογα σε άλλους διαλύτες:Εάν τα διαλυμένα μόρια δεν έχουν μεγάλη συγγένεια με τον διαλύτη τους, ό,τι κι αν είναι αυτό, θα τείνουν να κολλήσουν μεταξύ τους. Και η αγωγιμότητα των ιόντων υδρογόνου στα σύρματα νερού, ας πούμε, είναι πολύ σημαντική για τη ζωή στη Γη, αλλά δεν είναι προφανές ότι η εξωγήινη βιοχημεία θα τη θεωρούσε απαραίτητη.

Ένας άλλος τρόπος για να θέσετε αυτήν την ερώτηση είναι να ρωτήσετε:Τι θα γινόταν αν το νερό ήταν λιγότερο σαν νερό και περισσότερο σαν ένα συνηθισμένο υγρό; Οι χημικοί φυσικοί Ruth Lynden-Bell από το Queen's University Belfast, στη Βόρεια Ιρλανδία, και ο Pablo Debenedetti του Πανεπιστημίου Princeton στο New Jersey, έχουν εξερευνήσει μοντέλα «αντιπαραστατικού νερού», στα οποία το χαρακτηριστικό που βρίσκεται στην καρδιά αυτού που κάνει το νερό ασυνήθιστο—το ιδιαίτερο διάταξη δεσμού υδρογόνου—μπορεί να ρυθμιστεί συνεχώς σαν να περιστρέφετε έναν επιλογέα. Πόσος συντονισμός επιτρέπεται πριν χαθεί η ανώμαλη φύση του νερού;

Ένα από τα απλούστερα θεωρητικά μοντέλα νερού αντιμετωπίζει τους δεσμούς υδρογόνου ως καθαρά ηλεκτροστατικούς:μια έλξη μεταξύ ελαφρώς θετικά φορτισμένων ατόμων υδρογόνου και αρνητικά φορτισμένων «μοναχικών ζευγών» ηλεκτρονίων στα άτομα οξυγόνου γειτονικών μορίων, με αυτά τα φορτία διασπαρμένα στις γωνίες των τετραέδρων. Αυτή η έλξη, που υπαγορεύει μια συγκεκριμένη γεωμετρική διάταξη των μορίων, λειτουργεί πάνω από τη γενικότερη έλξη που αισθάνονται όλα τα άτομα και τα μόρια το ένα για το άλλο λόγω της προχειρότητας των νεφών ηλεκτρονίων τους, που ονομάζεται van der Waals ή δυνάμεις διασποράς. Σε απλά υγρά όπως το υγρό αργό ή το διοξείδιο του άνθρακα, είναι μόνο οι δυνάμεις van der Waals που εμποδίζουν τα μόρια να διασπαστούν σε ατμό.

Οι Lynden-Bell και Debenedetti επινόησαν ένα υπολογιστικό μοντέλο νερού στο οποίο οι σχετικές αντοχές του ηλεκτροστατικού δεσμού υδρογόνου (που προάγουν την τετραεδρική διάταξη) και των έλξεων van der Waals (που είναι ίδιες προς όλες τις κατευθύνσεις) θα μπορούσαν να ποικίλλουν κατά βούληση. Ανεπίσημα, ονόμασαν αυτό το υποθετικό υλικό «μη-νερό». Αυτό που βρήκαν ήταν ότι οι ανωμαλίες που μοιάζουν με το νερό δεν είναι στην πραγματικότητα μόνο θέμα βαθμού. Μάλλον, το είδος της σειράς που προέρχεται από δεσμούς υδρογόνου και το είδος που προέρχεται από τα έλξη των απλών σφαιρών του van der Waals, χάρη στον τρόπο που συσκευάζονται σαν οβίδες, είναι διακριτές και ασύμβατες. Ανάμεσα σε αυτά τα δύο άκρα, λαμβάνετε το χειρότερο και από τους δύο κόσμους:Τα μόρια είναι λιγότερο διατεταγμένα από ό,τι σε κάθε άκρο. Το νερό είναι, με άλλα λόγια, ποιοτικά διαφορετικό από ένα υγρό που στερείται δεσμού υδρογόνου, στο οποίο τα μόρια απλώς προσκρούουν το ένα στο άλλο. Το νερό δεν είναι, ωστόσο, το μόνο μόριο που δημιουργεί δεσμούς υδρογόνου - η αμμωνία και ακόμη και το υδροχλωρικό μπορεί να το κάνει. Η διαφορά είναι ότι τα μόρια του νερού μπορούν να σχηματίσουν τεράστια τρισδιάστατα δίκτυα λόγω του τετραεδρικού σχεδίου τους να κολλάνε μεταξύ τους, ενώ άλλοι δεσμοί υδρογόνου μπορούν να διαχειριστούν μόνο αλυσίδες. Το τρισδιάστατο δίκτυο με δεσμούς υδρογόνου είναι ο λόγος για τον οποίο το παγωμένο νερό είναι λιγότερο πυκνό από το υγρό νερό, κάτι που δεν ισχύει για την αμμωνία και το υδροχλώριο. Βαθμολογήστε ένα για το νερό που είναι μοναδικό.

Τι γίνεται όμως με τη γεωμετρία; Εάν αλλάξατε τη γωνία της κάμψης H₂ Ω μόριο, έτσι ώστε οι δεσμοί υδρογόνου του να μην ήταν τόσο σχεδόν τετραεδρικοί, ή αν κάνατε τους δεσμούς περισσότερους, θα εξαφανίζονταν οι μοναδικές ιδιότητες του νερού; Όταν προσπάθησαν να το κάνουν αυτό με το "not-water", οι Lynden-Bell και Debenedetti διαπίστωσαν ότι μπορούσαν ακόμα να εμφανίσουν ανωμαλίες όπως η μέγιστη πυκνότητα υγρού πριν από το σημείο πήξης, εφόσον οι αλλαγές δεν ήταν πολύ μεγάλες - για παράδειγμα, έτσι ότι το μόριο του νερού δεν ήταν πολύ έντονα λυγισμένο. «Υπάρχει ένας καλός βαθμός γεωγραφικού πλάτους στις [γεωμετρικές] παραμέτρους», λέει ο Lynden-Bell. Ο ακριβής βαθμός διακύμανσης που επιτρέπεται πριν εξαφανιστεί μια συγκεκριμένη ιδιότητα «εξαρτάται από το ποια ιδιότητα νερού κοιτάζει κανείς», λέει ο Debenedetti.

Η δομή του νερού με δεσμούς υδρογόνου χρησιμοποιείται επίσης συχνά για να εξηγήσει την υδρόφοβη έλξη των διαλυμένων ουσιών που μεταφέρει. Αλλά αφού εξέτασαν το «μη-νερό» με διαφορετικές αντοχές δεσμών υδρογόνου και γωνίες δεσμών, οι Lynden-Bell, Debenedetti και οι συνεργάτες τους κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι ο κύριος λόγος για τον οποίο τα υδρόφοβα σωματίδια είναι αρκετά αδιάλυτα στο νερό (και έτσι τείνουν να συσσωρεύονται μαζί) επειδή τα μόρια του νερού είναι τόσο μικρά που χρειάζεται πολλή ενέργεια για να «αποσπάσει» ένα χώρο για τα σωματίδια, και όχι λόγω του ίδιου του δεσμού υδρογόνου. Έτσι σχεδόν οποιοδήποτε υγρό με μικρά μόρια θα πρέπει να δείχνει κάτι παρόμοιο.

Σε γενικές γραμμές, λοιπόν, το νερό είναι μοναδικό με κάποιους τρόπους, αλλά όχι με άλλους:ιδιαίτερο, αλλά όχι αυτό ειδικός. Επιπλέον, δεν βοηθούν όλα τα μοναδικά χαρακτηριστικά του τη ζωή — μερικά είναι ξεκάθαρα εμπόδια. Για ένα πράγμα, είναι αρκετά αντιδραστικό. Τα μεμονωμένα ζεύγη ηλεκτρονίων στα άτομα οξυγόνου έλκονται σε μέρη μορίων με θετικό φορτίο, όπου μπορεί να διασπάσουν τους υπάρχοντες δεσμούς και να κατακερματίσουν ή να αναδιαμορφώσουν τα μόρια σε μια διαδικασία που ονομάζεται υδρόλυση. Τα άτομα άνθρακα στους πεπτιδικούς δεσμούς -οι δεσμοί που συγκρατούν μαζί τα αμινοξέα στις πρωτεϊνικές αλυσίδες- είναι ευαίσθητα σε αυτού του είδους την επίθεση, δίνοντας στο νερό την τάση να διασπά τις πρωτεΐνες μέσω της υδρόλυσης. Το νερό μπορεί να κάνει το ίδιο πράγμα σε αλυσίδες μορίων σακχάρου, όπως αυτές σε βιολογικές ενώσεις πολυσακχαριτών όπως η κυτταρίνη και το άμυλο.

«Αυτό δεν είναι τόσο πρόβλημα σήμερα στα ζωντανά συστήματα, τα οποία έχουν ένζυμα που επιδιορθώνουν τη ζημιά που προκαλείται από το νερό», λέει ο χημικός Στίβεν Μπένερ, διακεκριμένος συνεργάτης στο Ίδρυμα Εφαρμοσμένης Μοριακής Εξέλιξης. Αλλά θα ήταν σημαντικό για την προέλευση της ζωής, λέει, όταν έπρεπε να σχηματιστούν πρωτοβιολογικά μόρια και να επιμείνουν στο νερό χωρίς τη βοήθεια ενζύμων. "Αν το νερό σχεδιάστηκε για να είναι ο τέλειος βιοδιαλύτης από τον Θεό, σίγουρα έκανε κακή δουλειά στη μηχανική", λέει ο Benner.

Δεν βλέπει κανένα θεμελιώδη λόγο για τον οποίο διαλύτες όπως η αμμωνία, το φορμαμίδιο (CHONH₂ ), ή υγροί υδρογονάνθρακες όπως αυτοί στο φεγγάρι του Κρόνου, ο Τιτάνας, δεν θα πρέπει επίσης να υποστηρίζουν διαφορετικά είδη βιοχημείας. Εξάλλου, πολλή οργανική χημεία στα εργαστήρια και στη βιομηχανία πραγματοποιείται σε μη υδατικούς διαλύτες (δηλαδή σε διαλύτες εκτός του νερού), συχνά ακριβώς επειδή το νερό είναι πολύ αντιδραστικό. Ο Μπένερ ενδιαφέρεται ιδιαίτερα για την ιδέα ότι οι ωκεανοί υδρογονανθράκων του Τιτάνα μπορεί να φιλοξενούν υδρόφοβη ζωή. Αυτός και οι συνάδελφοί του διεξήγαγαν πρόσφατα πειράματα για να δουν εάν θα μπορούσαν να δημιουργήσουν ένα «γενετικό πολυμερές» - ένα που θα μπορούσε να κωδικοποιήσει πληροφορίες σε μια ακολουθία μοριακών δομικών στοιχείων όπως το DNA και το RNA - που θα μπορούσε να λειτουργήσει σε ένα τέτοιο υγρό.

Βρήκαν ότι τα μόρια που μοιάζουν με αλυσίδα που ονομάζονται πολυαιθέρες, στα οποία άτομα άνθρακα και οξυγόνου εναλλάσσονται κατά μήκος της ραχοκοκαλιάς, διαλύονται αρκετά καλά στο υγρό προπάνιο (C₃ H₈ ) σε θερμοκρασίες γύρω στους αρνητικούς 94 βαθμούς Φαρενάιτ (αρνητικές 70 βαθμούς Κελσίου). Ο Benner υποστηρίζει ότι οι πολυαιθέρες θα μπορούσαν να χρησιμεύσουν ως γενετικές βάσεις δεδομένων σε έναν τέτοιο διαλύτη.

Αλλά ο Τιτάνας είναι πολύ πιο κρύος από αυτό:Οι ωκεανοί υδρογονανθράκων του, που αποτελούνται κυρίως από μεθάνιο (CH₄ ) και αιθάνιο (C₂ H₆ ), έχουν θερμοκρασία γύρω στους αρνητικούς 288 βαθμούς Φαρενάιτ (αρνητική 178 βαθμούς Κελσίου). Σε τέτοια ψυχρά άκρα, οι πολυαιθέρες δεν διαλύονται σημαντικά. Ο Benner καταλήγει στο συμπέρασμα ότι το υγρό μεθάνιο στον Τιτάνα είναι επομένως «απλά πολύ κρύο για να υποστηρίξει τη διαλυτότητα σχεδόν οτιδήποτε είναι απαραίτητο για να δημιουργήσουμε τις ιδιότητες που εκτιμούμε στη ζωή». Αλλά, λέει, αυτό δεν συμβαίνει επειδή οι υδρογονάνθρακες είναι κακοί διαλύτες και το νερό είναι καλός - απλώς το υγρό νερό είναι πιο ζεστό και τα πράγματα διαλύονται καλύτερα σε θερμότερα υγρά. «Ένας θερμότερος Τιτάνας», λέει, «με τις θερμοκρασίες σε μια κατοικήσιμη ζώνη γύρω από τον ήλιο σε περίπου την τροχιακή απόσταση του πλανήτη Άρη, θα είχε ωκεανούς υδρογονανθράκων που περιλαμβάνουν προπάνιο, βουτάνιο, ακόμη και πεντάνιο». Αυτοί οι διαλύτες θα παραμείνουν υγροί σε θερμοκρασίες όπου μπορούν πραγματικά να διαλύσουν σημαντικές ποσότητες υλικού.

Μια άλλη πολλά υποσχόμενη εναλλακτική λύση στο νερό που υποστήριξε ο Benner είναι το φορμαμίδιο, το οποίο μπορεί να σχηματιστεί είτε από μονοξείδιο του άνθρακα και αμμωνία είτε από υδροκυάνιο και νερό - όλα αυτά απλά μόρια που μπορούν να βρεθούν σε διαστρικά και εξωγήινα περιβάλλοντα. «Το φορμαμίδιο μοιάζει πολύ με το νερό όσον αφορά τη διαλυτότητά του (πιθανώς ακόμη μεγαλύτερη) καθώς και την περιοχή υγρών του (πολύ μεγαλύτερη)», λέει ο Benner:σε μια πίεση ατμόσφαιρας, το φορμαμίδιο λιώνει στους 37 βαθμούς Φαρενάιτ (2 βαθμούς Κελσίου) και βράζει στους 411 βαθμούς Φαρενάιτ (210 βαθμούς Κελσίου). Και δεν έχει την ίδια τάση με το νερό να διασπά τα πολυμερή. Ο Benner και οι συνάδελφοί του έδειξαν πρόσφατα ότι, παρουσία ενός ορυκτού που περιέχει βόριο για να λειτουργεί ως καταλύτης, μια χημική ομάδα φωσφορικών μπορεί να προστεθεί στο μόριο αδενοσίνη σε φορμαμίδη για να παραχθεί φωσφορική αδενοσίνη, ένα από τα βασικά δομικά στοιχεία του RNA και DNA. Αντίθετα, το νερό τείνει να διασπά τη φωσφορική αδενοσίνη, καθιστώντας το σκληρότερο για την κατασκευή νουκλεϊκών οξέων.

Εάν είναι αλήθεια ότι οι διαλύτες εκτός από το νερό μπορούν να χρησιμεύσουν εξίσου καλά για άλλη ζωή αλλού στο σύμπαν, τότε το οικείο ζεύγος νερού και ζωής εδώ στη Γη μπορεί πραγματικά να είναι μια αντανάκλαση του ακραίου οπορτουνισμού που προσδίδει η προσαρμογή στη ζωή. Οι επίγειοι οργανισμοί χρησιμοποιούν στο έπακρο όλα όσα έχει να προσφέρει αυτό το παράξενο υγρό. Φαίνεται ειρωνικό ότι μπορεί να υπερεκτιμούμε τη σημασία του νερού στην αστροβιολογία, ενώ ταυτόχρονα υποτιμούμε τη σημασία και τη λεπτότητα των εργασιών που κάνει στην επίγεια βιολογία.

Πράγματι, η ίδια η προσαρμοστικότητα που βρίσκουμε στη Γη θα πρέπει να μας κάνει να σταματήσουμε πριν ανυψώσουμε το νερό στο sine qua non της ζωής. Υπάρχουν οργανισμοί που ζουν σε ρωγμές στο βράχο στα θερμά, υπό πίεση βάθη της Γης όπου σχηματίζεται το πετρέλαιο, και μέσα στους πάγους των υπόγειων λιμνών της Ανταρκτικής. Τα μικρόβια επιβιώνουν στο ψημένο, ξηρό έδαφος της ερήμου Ατακάμα και ολόκληρες κοινότητες ευδοκιμούν γύρω από ηφαιστειακές υδροθερμικές οπές που εκτοξεύουν ζεματισμένο νερό στη βαθιά θάλασσα. Οι οργανισμοί μπορούν να επιβιώσουν σε εξαιρετικά αλμυρό νερό, μπορούν να ανεχθούν υψηλές συγκεντρώσεις τοξικών βαρέων μετάλλων και ακόμη και την έκθεση στην εξαιρετικά ιονίζουσα ακτινοβολία του διαστήματος. Ενώ κανένας γνωστός οργανισμός δεν μπορεί να διατηρήσει το μεταβολισμό χωρίς τουλάχιστον λίγο νερό, τα μικρόβια μπορούν να προσαρμοστούν στη ζωή σε βαρύ νερό, ενώ ορισμένα απομονωμένα ένζυμα μπορούν να λειτουργήσουν σε συνθήκες λίγο πολύ χωρίς νερό. Δεδομένων όλων αυτών, φαίνεται δελεαστικό να πιστεύουμε ότι, μόλις ξεκινήσει η δαρβινική εξέλιξη, θα βρει τα πόδια της σχεδόν σε κάθε περίσταση.

Η Lynden-Bell συμφωνεί ότι δεν πρέπει να υποτιμούμε την ικανότητα της φυσικής επιλογής να βρίσκει τρόπους διατήρησης της ζωής σε όλα τα είδη περιβάλλοντος. «Προσωπικά πιστεύω ότι η εξέλιξη μπορεί να εκμεταλλευτεί το περιβάλλον που βρίσκει και ότι είναι δυνατό να φανταστούμε εναλλακτικά σενάρια», λέει. Η ζωή μπορεί επίσης να αλλάξει το περιβάλλον της για να ταιριάζει στον εαυτό της. Ο Colin Goldblatt του Πανεπιστημίου της Βρετανικής Κολομβίας στο Βανκούβερ επισημαίνει ότι, ενώ οι ψυχροί και υγροί κόσμοι είναι οι μόνοι που φαίνονται κατοικήσιμοι από τη σημερινή μας οπτική γωνία, ακριβώς το πού βρίσκεται η ζώνη κατοικιμότητας εξαρτάται από το τι άλλο υπάρχει στην ατμόσφαιρα:Στη Γη, Το διοξείδιο του άνθρακα (που διατηρείται εν μέρει από τη ζωή) κρατά το μεγαλύτερο μέρος του πλανήτη μας πάνω από το σημείο πήξης. Με άλλα λόγια, «η κατοικιμότητα εξαρτάται από την κατοίκηση», λέει. Για να το θέσω αλλιώς, δεν μπορούμε εύκολα να κρίνουμε αν ένας υδάτινος κόσμος θα μπορούσε να υποστηρίξει τη ζωή χωρίς να γνωρίζουμε αν το υποστηρίζει ήδη.

Τώρα, πολλαπλασιάστε αυτή την προσαρμοστικότητα με τον αριθμό των πλανητών που θα μπορούσαν να τη φιλοξενήσουν. Κρίνοντας από τα τρέχοντα στατιστικά στοιχεία, σχεδόν κάθε αστέρι στον γαλαξία μας έχει τουλάχιστον έναν πλανήτη κατά μέσο όρο και ένα στα πέντε αστέρια που μοιάζουν με τον ήλιο είναι πιθανό να έχει πλανήτες σαν τη Γη στην κατοικήσιμη ζώνη του. Αυτό κάνει τουλάχιστον 11 δισεκατομμύρια από αυτούς τους κόσμους μόνο στον Γαλαξία μας—και υπάρχουν τουλάχιστον 100 δισεκατομμύρια γαλαξίες στο παρατηρήσιμο σύμπαν.

Σε αυτήν την εικόνα, μπορούμε πραγματικά να επιμείνουμε ότι το νερό είναι η μόνη λύση;

Ο Philip Ball είναι ο συγγραφέας του Invisible:The Dangerous Allure of the Unseen και πολλά βιβλία για την επιστήμη και την τέχνη.

Αναφορές

1. Lynden-Bell, R.M., Conway Morris, S., Barrow, J.D., Finney, J.L., &Harper, C. Water and Life:The Unique Properties of H₂ O CRC Press, Boca Raton, Florida (2010).

2. Ball, P. Το νερό ως ενεργό συστατικό στην κυτταρική βιολογία. Χημικές κριτικές 108 , 74-108 (2007).

3. Grossman, Μ., et al. Συσχετισμένη δομική κινητική και καθυστερημένη δυναμική διαλύτη στο ενεργό σημείο της μεταλλοπρωτεάσης. Δομική &Μοριακή Βιολογία της Φύσης 18 , 1102-1108 (2011).

4. Lynden-Bell, R.M. &Debenedetti, P.G. Υπολογιστική διερεύνηση τάξης, δομής και δυναμικής σε τροποποιημένα μοντέλα νερού. Journal of Physical Chemistry B 109 , 6527-6534 (2005).

5. Lynden-Bell, R.M., Giovambattista, Ν., Debenedetti, P.G., Head-Gordon, Τ., &Rossky, P.J. Επιδράσεις ισχύος δεσμού υδρογόνου και δομής δικτύου στην ενυδάτωση μη πολικών μορίων. Φυσική Χημεία Χημική Φυσική 13 , 2748-2757 (2011).

6. Benner, S.A., Ricardo, A., &Carrigan, M.A. Υπάρχει ένα κοινό χημικό μοντέλο για τη ζωή στο σύμπαν; Τρέχουσα γνώμη στη Χημική Βιολογία 8 , 672-689 (2004).

7. McLendon, C., Opalko, F.J., Illangkoon, Η.Ι., &Benner, S.A. Διαλυτότητα πολυαιθέρων σε υδρογονάνθρακες σε χαμηλές θερμοκρασίες. Ένα μοντέλο για πιθανές γενετικές ραχοκοκαλιές σε θερμούς τιτάνες. Αστροβιολογία 15 , 200-206 (2015).

8. Furukawa, Υ., Kim, H.J., Hutter, D., &Benner, S.A. Αβιοτική τοποεκλεκτική φωσφορυλίωση της αδενοσίνης με βορικό σε φορμαμίδιο. Αστροβιολογία 15 , 259-267 (2015).

9. Goldblatt, C. Κατοικισιμότητα των υδάτινων κόσμων:θερμοκήπια, ατμοσφαιρική επέκταση και πολλαπλές κλιματικές καταστάσεις ατμόσφαιρες καθαρού νερού. Αστροβιολογία 15 , 362-370 (2015).