Obsah:
Při hledání života mimo Zemi se vědci oprávněně zaměřili na vodu, protože veškerá biologie, jak ji známe, tuto tekutinu vyžaduje.
Divokou kartou však je, zda jako životabudiče mohou stačit i alternativní tekutiny. Například Saturnův chladný měsíc Titan je zaplaven inkoustovými moři uhlovodíkového metanu.
Zde na teplé, vodnaté Zemi slouží molekuly DNA a RNA jako plány života, které obsahují genetické návody pro stvoření. Tyto instrukce provádí obrovská rodina proteinů.
Přesto v uhlovodíkovém prostředí na Titanu tyto molekuly nikdy nemohly plnit své hluboké chemické úkoly. Pokud má mimozemský život, který není založen na vodě, fungovat a vyvíjet se v darwinovském smyslu, s genetickými změnami vedoucími k rozmanitosti a složitosti, musí na talíř vystoupit další molekuly.
Nová studie navrhuje, že molekuly zvané ethery, které se nepoužívají v žádných genetických molekulách na Zemi, by mohly plnit roli DNA a RNA na světech s uhlovodíkovým oceánem. Studie zjistila, že tyto světy musí být mnohem toastičtější než Titan, aby mohla probíhat věrohodně životně podobná chemie.
"Genetické molekuly, které jsme navrhli, by mohly fungovat na 'teplých Titánech'," řekl hlavní autor článku Steven Benner, významný kolega z Foundation for Applied Molecular Evolution, soukromé vědecké výzkumné organizace se sídlem v Alachua na Floridě.
Větší molekulární příbuzní metanu na Titanu, jako je oktan, který pomáhá pohánět naše vozidla, by také znamenaly mnohem vhodnější rozpouštědla. Ačkoli se zatím při průzkumu exoplanet neobjevili žádní "teplí Titáni" blízko jejich hostitelských hvězd, Benner doufá, že existuje spousta světů, které by tomu odpovídaly.
"V rámci naší vlastní sluneční soustavy nemáme dostatečně velkou planetu, dostatečně blízko ke Slunci a se správnou teplotou, která by podporovala teplé uhlovodíkové oceány na jejím povrchu," řekl Benner. "Ale každý týden astronomové objevují nové sluneční soustavy jiné než naše vlastní."
Nový článek se objevuje v březnovém čísle časopisu Astrobiology a byl částečně financován prvkem Exobiology & Evolutionary Biology programu NASA Astrobiology Program.
Molekulární náčrt života na Zemi
Na základní úrovni byl vývoj života na Zemi tlakem a tahem mezi molekulami, které se mění a zůstávají stejné. Aby se organismus rozmnožil a vytvořil své kopie, musí být zachována velká většina jeho genetické informace, má-li potomstvo přežít a stále nést život vpřed. Ale pokud se život nezmění a nepřizpůsobí se nestálým podmínkám prostředí, vymře. Ekologická křivka života zahrnuje teplotní výkyvy a měnící se dostupnost vody a živin.
DNA a RNA umožňují biologickou verzi axiomu „čím více věcí se mění, tím více zůstávají stejné“. Jednotlivá "písmena" nebo nukleobáze ve čtyřpísmenném kódu DNA a RNA mohou mutovat bez zničení celkové formy a funkce molekuly.
Tyto změny nukleobází mohou produkovat nové proteiny. Tyto proteiny zase umožňují životu chemickou interakci s jeho prostředím novými způsoby, aby podpořily přežití. Zcela nové druhy vznikají tímto způsobem, protože nové vlastnosti se uplatňují v kontrastních podmínkách a na různých místech. (V polovině 19. století Charles Darwin skvěle vytušil tento zastřešující koncept původu druhů, i když biomolekulární hniloba byla objevena až po mnoha desetiletích.)
Obecná struktura a tedy i obecné chování DNA a RNA zůstává stejné kvůli opakujícím se prvkům v chemickém skeletu neboli hlavním lešení. Molekuly mají navenek negativní náboj, který se opakuje podél jejich páteře, což umožňuje DNA a RNA rozpouštět se a volně plavat ve vodě. V tomto tekutém médiu mohou DNA a RNA interagovat s jinými biomolekulami, což vede ke složitosti biologických systémů.
„Toto je ústřední bod ‚polyelektrolytové teorie genu‘, která tvrdí, že jakýkoli genetický biopolymer schopný podporovat darwinovskou evoluci působící ve vodě, musí mít stále se opakující páteřní náboj,“vysvětlil Benner. "Opakující se náboje tak dominují fyzikálnímu chování genetické molekuly, že jakékoli změny v nukleobázích, které ovlivňují genetickou informaci, nemají v podstatě žádný významný dopad na celkové fyzikální vlastnosti molekuly."
To vše je pro nás vodní organismy dobré a dobré. Problém je v tom, že pro bezvodé světy, jako je Titan, kde vládnou uhlovodíky, by je molekuly jako DNA a RNA nikdy nepřerušily. Tyto biomolekuly se nemohou rozpouštět, jak je požadováno, v uhlovodících, aby umožnily životu mikroskopické nárazy a drcení.
"Žádná z těchto molekul nemá šanci se rozpustit v uhlovodíkovém oceánu jako na Titanu nebo na teplém Titanu," řekl Benner.
Ještě otravnější je, že molekuly s jakýmkoliv druhem vnějšího náboje se hromadí v uhlovodících. Plány života na Zemi obsažené v DNA a RNA nelze převést do světů zachycených uhlovodíky.
Vstupte do éteru
Je život, alespoň jak si ho dokážeme představit, mezi uhlovodíky nemožný? Benner a kolegové si myslí, že ne. Sloučeniny nazývané ethery, když jsou spojeny dohromady, tvoří komplexní "polyethery", mohou pravděpodobně fungovat způsobem, který zůstává věrný polyelektrolytové teorii genu.
Étery, stejně jako DNA a DNA, mají jednoduché, opakující se páteře, v jejich případě uhlík a kyslík. Strukturálně nemají ethery vnější náboj, jako DNA a RNA. Ale ethery mají vnitřní odpuzování náboje, které otevírá užitečné "prostory" v molekulách, kam mohou jít malé elementární kousky, které fungují jako nukleobáze DNA a RNA.
Na základě tohoto poznatku Benner a kolegové testovali, jak dobře by se polyethery rozpouštěly v různých uhlovodících. Výzkumníci dále prováděli experimenty při teplotách očekávaných od světů ve stylu Titanu v různých vzdálenostech od hostitelských hvězd.
Uhlovodíky, stejně jako voda, mohou být pevné látky, kapaliny nebo plyny, v závislosti na teplotě a tlaku. Stejně jako u astrobiologického hledání života na bázi vody je kapalná fáze uhlovodíků tou, která je předmětem zájmu, protože v pevných látkách (jako je led) nemohou biomolekuly interagovat a v plynech (vodní pára) je médium příliš tenké na to, aby udrželo dostatek interakce.
Teplotní rozsah, ve kterém je uhlovodík kapalný, se zpravidla zvyšuje s tím, jak se uhlovodík prodlužuje. Metan, nejjednodušší, nejkratší uhlovodík s jedním atomem uhlíku spojeným se čtyřmi atomy vodíku, má velmi úzký rozsah kapaliny - mezi asi -300 a -280 stupni Fahrenheita. Rozpustnost etherů nepohodlně klesá, když se dostanou do těchto titánských mrazů.
Podle Bennerovy studie a ke zklamání mnoha vědců vypadá Titan jako velmi nepravděpodobné sídlo pro mimozemšťany.
"Ukázali jsme, že oceány metanu na Titanu jsou pravděpodobně příliš chladné na to, aby pojaly jakýkoli genetický biopolymer," řekl Benner.
(Záhadné údaje o menším množství vodíku a acetylenu, než se očekávalo na povrchu Titanu, však již dříve naznačovaly formu mikrobiálního života.)
Stupně stupňů
Lepší sázkou pro život než světy metanového oceánu jsou ty, které jsou pokryty propanem. Tento uhlovodík má tři atomy uhlíku než atom metanu a je zde na Zemi dalším pojmem jako plynné palivo. Může zůstat kapalný v mnohem širším a pro chemii vhodnějším rozsahu -300 až -40 stupňů Fahrenheita. Stále lepší než propan je oktan. Tato osmiuhlíková molekula nezmrzne, dokud asi -70 stupňů Fahrenheita, ani se nepromění v plyn, dokud nedosáhne docela horkých 257 stupňů Fahrenheita.
Tento široký rozsah s dostatečnou rozpustností v éteru naznačuje, že teplí Titáni by mohli skrývat skutečně mimozemskou biochemii schopnou vyvíjet složitost darwinovským způsobem. Tyto světy lze nalézt v poměrně široké uhlovodíkové "obyvatelné zóně" kolem jiných hvězd. Uhlovodíková obyvatelná zóna je podobná známé zóně založené na vodě, kde planeta není ani příliš blízko, ani příliš daleko od své hvězdy, aby se její voda zcela vyvařila nebo zmrzla.
Zajímavé uhlovodíkové světy se koneckonců nemusejí podobat Titanu, protože nemusí jít o měsíce plynných obrů. Teplí Titáni by ve skutečnosti mohli být spíše jako mastné Země nebo super-Země, nasáklé oktanovým číslem.
Jak výzkum pokračuje, mohla by se nová a exotická rozpouštědla jiná než voda a uhlovodíky objevit jako věrohodné prostředí pro život.
"Prakticky každá hvězda má obyvatelnou zónu pro každé rozpouštědlo," řekl Benner.
