รูปแบบชีวิตที่ไม่ใช่คาร์บอน: ซิลิคอนหรือไนโตรเจน?

การดำรงอยู่ของรูปแบบชีวิตอื่น ๆ ที่แตกต่างจากการมีอยู่ของโลกที่ตั้งและจำนวนอุ้งเท้าตาฟันกรงเล็บหนวดและส่วนอื่น ๆ ของร่างกายเป็นหนึ่งในหัวข้อที่โปรดปรานในนิยายวิทยาศาสตร์ อย่างไรก็ตามนักเขียนนิยายวิทยาศาสตร์ไม่ได้ จำกัด เพียงสิ่งนี้เท่านั้น - พวกเขาเกิดขึ้นกับรูปแบบแปลกใหม่ของชีวิตแบบดั้งเดิม (คาร์บอน) และรากฐานที่แปลกใหม่ไม่น้อย - พูด, คริสตัลที่มีชีวิต, สิ่งมีชีวิตในสนามพลังงานที่ไม่มีตัวตนหรือสิ่งมีชีวิต

นอกเหนือจากนักเขียนนิยายวิทยาศาสตร์นักวิทยาศาสตร์ก็กำลังพูดคุยกันถึงเรื่องนี้แม้ว่าพวกเขาจะระมัดระวังในการประเมินของพวกเขา ท้ายที่สุดแล้วสิ่งเดียวที่พื้นฐานของชีวิตที่เป็นที่รู้จักกันในทางวิทยาศาสตร์ก็คือคาร์บอน อย่างไรก็ตามในครั้งเดียวนักดาราศาสตร์ชื่อดังและ Karl วิทยาศาสตร์ยอดนิยมของคาร์ลเซแกนกล่าวว่าเป็นการผิดอย่างสมบูรณ์ที่จะกล่าวถึงแถลงการณ์เกี่ยวกับชีวิตทางโลกที่สัมพันธ์กับชีวิตในจักรวาลทั้งหมด เซแกนเรียกว่าภาพรวม "ความชั่วร้ายของลัทธิชาตินิยม" ในขณะที่ตัวเขาเองซึ่งเป็นพื้นฐานทางเลือกที่น่าจะเป็นไปได้มากที่สุดในชีวิต

Artem Oganov หัวหน้าห้องปฏิบัติการออกแบบคอมพิวเตอร์ของวัสดุที่ MIPT ศาสตราจารย์ที่มหาวิทยาลัยนิวยอร์ก Stony Brook และสถาบันวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี Skolkovo (Skoltech):

“ ไนโตรเจนเป็นองค์ประกอบที่มีมากที่สุดเป็นอันดับที่เจ็ดในจักรวาล มันค่อนข้างมากในการจัดองค์ประกอบของดาวเคราะห์ยักษ์เช่นดาวยูเรนัสและดาวเนปจูน เป็นที่เชื่อกันว่ามีไนโตรเจนเป็นส่วนใหญ่ในรูปแบบของแอมโมเนีย แต่การจำลองของเราแสดงให้เห็นว่าที่ความดันสูงกว่า 460 GPa แอมโมเนียสิ้นสุดสภาพการเป็นสารประกอบที่มีเสถียรภาพ (ซึ่งอยู่ภายใต้สภาวะปกติ) ดังนั้นบางทีโมเลกุลที่แตกต่างอย่างสิ้นเชิงก็มีอยู่ในลำไส้ของดาวเคราะห์ยักษ์แทนที่จะเป็นแอมโมเนียและเป็นเคมีที่เรากำลังตรวจสอบอยู่ในตอนนี้”

ปัญหาหลักของชีวิต

ชีวิตคืออะไร ดูเหมือนว่าคำตอบสำหรับคำถามนี้จะเห็นได้ชัด แต่ก็ยังมีการอภิปรายเกี่ยวกับเกณฑ์ที่เป็นทางการในชุมชนวิทยาศาสตร์ อย่างไรก็ตามคุณลักษณะหลายประการสามารถแยกแยะได้: ชีวิตจะต้องทำซ้ำตัวเองและวิวัฒนาการและด้วยเหตุนี้มันจึงจำเป็นที่จะต้องปฏิบัติตามเงื่อนไขที่สำคัญหลายประการ ขั้นแรกการดำรงอยู่ของชีวิตต้องใช้สารประกอบเคมีจำนวนมากซึ่งประกอบด้วยองค์ประกอบทางเคมีจำนวน จำกัด ในกรณีของเคมีอินทรีย์เหล่านี้คือคาร์บอนไฮโดรเจนไนโตรเจนออกซิเจนกำมะถันและจำนวนของสารประกอบดังกล่าวมีขนาดใหญ่มาก ประการที่สองสารประกอบเหล่านี้จะต้องมีความเสถียรทางอุณหพลศาสตร์หรืออย่างน้อย metastable นั่นคืออายุการใช้งานของพวกเขาควรจะนานพอที่จะทำปฏิกิริยาทางชีวเคมีต่างๆ เงื่อนไขที่สามคือจะต้องมีปฏิกิริยาตอบสนองเพื่อดึงพลังงานจากสิ่งแวดล้อมเช่นเดียวกับการสะสมและการปล่อย ประการที่สี่สำหรับการสืบพันธุ์ด้วยตนเองของชีวิตจำเป็นต้องมีกลไกของการถ่ายทอดทางพันธุกรรมผู้ให้บริการข้อมูลซึ่งเป็นโมเลกุลขนาดใหญ่ที่ไม่สามารถเคลื่อนไหวได้ เออร์วินชโรดิงเงอร์แนะนำว่าคริสตัล aperiodic สามารถเป็นพาหะของข้อมูลทางพันธุกรรมและภายหลังโครงสร้างของโมเลกุลดีเอ็นเอซึ่งเป็นลิเมอร์เชิงเส้น - ถูกค้นพบ ในที่สุดสารเหล่านี้จะต้องอยู่ในสถานะของเหลวเพื่อให้มั่นใจว่าอัตราการเกิดปฏิกิริยาการเผาผลาญ (metabolic) เพียงพอเนื่องจากการแพร่กระจาย

Nitric Exotics ที่ความดันสูงไนโตรเจนและไฮโดรเจนก่อให้เกิดสารประกอบที่มีความซับซ้อนซับซ้อนและผิดปกติจำนวนมาก เคมีของไฮโดรเจนไนโตรเจนเหล่านี้มีความหลากหลายมากกว่าไฮโดรคาร์บอนภายใต้สภาวะปกติดังนั้นจึงมีความหวังว่าสารประกอบไนโตรเจน - ไฮโดรเจน - ออกซิเจน - ซัลเฟอร์สามารถเหนือเคมีอินทรีย์ในความสามารถของพวกเขา รูปแสดงโครงสร้าง N4H, N3H, N2H, NH, N9H4 (อะตอมสีชมพู - ไฮโดรเจน, สีน้ำเงิน - ไนโตรเจน) ในกรอบสีชมพู - หน่วยโมโนเมอร์

ทางเลือกแบบดั้งเดิม

ในกรณีของคาร์บอนเงื่อนไขเหล่านี้ทั้งหมดจะพบ แต่แม้จะมีทางเลือกที่ใกล้ที่สุด - ซิลิคอน - สถานการณ์อยู่ไกลจากสีดอกกุหลาบ โมเลกุลออร์กาโนซิลิกนั้นมีความยาวพอที่จะนำข้อมูลทางพันธุกรรมมาใช้ได้ แต่ความหลากหลายของพวกมันนั้นแย่มากเมื่อเทียบกับสารอินทรีย์คาร์บอน - เนื่องจากอะตอมมีขนาดใหญ่ขึ้นซิลิคอนจึงสามารถสร้างพันธะคู่ได้ยาก นอกจากนี้ไฮโดรเจนซิลิกอน - ไซเลน จำกัด ที่ จำกัด นั้นไม่เสถียรอย่างสมบูรณ์ แน่นอนว่ามีสารประกอบที่มีความเสถียรเช่นซิลิเกต แต่ส่วนใหญ่จะเป็นของแข็งภายใต้สภาวะปกติ ด้วยองค์ประกอบอื่น ๆ เช่นโบรอนหรือกำมะถันสถานการณ์ก็ยิ่งเศร้า: organoboron และสารประกอบกำมะถันที่มีน้ำหนักโมเลกุลสูงนั้นไม่เสถียรอย่างมากและความหลากหลายของพวกมันแย่เกินกว่าที่จะให้ชีวิตกับเงื่อนไขที่จำเป็นทั้งหมด

ภายใต้ความกดดัน

“ ไนโตรเจนไม่เคยถูกพิจารณาอย่างจริงจังว่าเป็นพื้นฐานของชีวิตเนื่องจากภายใต้สภาวะปกติสารประกอบไนโตรเจนไฮโดรเจนที่เสถียรเพียงอย่างเดียวคือแอมโมเนีย NH 3 ” Artyom Oganov หัวหน้าห้องปฏิบัติการออกแบบคอมพิวเตอร์ MIPT ที่ศาสตราจารย์ที่ Stony Brook University ในนิวยอร์กและสถาบันวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี Skolkovo (Skolkovo เทค) - อย่างไรก็ตามเมื่อเร็ว ๆ นี้เมื่อสร้างแบบจำลองระบบไนโตรเจนไฮโดรเจนต่างๆที่ความดันสูง (สูงถึง 800 GPa) โดยใช้อัลกอริทึม USPEX ของเรา (ตัวทำนายโครงสร้างสากล: วิวัฒนาการ Xtallography วิวัฒนาการโครงสร้างทำนายแบบสากล: วิวัฒนาการผลึกดู 10 โมงเช้าของปี 2010) ค้นพบสิ่งที่น่าอัศจรรย์ ปรากฎว่าที่ความดันสูงกว่า 36 GPa (360, 000 atm) อะตอมไฮโดรเจนไนโตรเจนที่เสถียรทั้งชุดจะปรากฏขึ้นเช่นโซ่พอลิเมอร์มิติเดียวที่มีขนาดยาวของ N 4 H, N 3 H, N 2 H และ NH, แปลกใหม่ N 9 H 4 อะตอมของไนโตรเจนที่มี NH 4 + ไอออนบวกรวมถึงโมเลกุลของสาร N 8 H, NH 2, N 3 H 7, NH 4, NH 5 ในความเป็นจริงเราพบว่าที่ความดันของคำสั่งของ 40-60 GPa เคมีไนโตรเจนไฮโดรเจนในความหลากหลายอย่างมีนัยสำคัญเกินกว่าเคมีของสารประกอบไฮโดรคาร์บอนภายใต้สภาวะปกติ สิ่งนี้ทำให้เราหวังว่าเคมีของระบบที่เกี่ยวข้องกับไนโตรเจนไฮโดรเจนออกซิเจนและซัลเฟอร์ก็ยิ่งมีความหลากหลายมากกว่าสารอินทรีย์แบบดั้งเดิมภายใต้สภาวะปกติ”

เป็นไปได้ว่าในการค้นหาชีวิตที่แปลกใหม่เราไม่จำเป็นต้องบินไปยังอีกปลายหนึ่งของจักรวาล ในระบบสุริยะของเราเองมีดาวเคราะห์สองดวงที่มีเงื่อนไขที่เหมาะสม ทั้งดาวยูเรนัสและเนปจูนถูกปกคลุมไปด้วยบรรยากาศของไฮโดรเจนฮีเลียมและมีเธนและดูเหมือนจะมีแกนเหล็กซิลิเกต - เหล็ก - นิกเกิล และระหว่างแกนกลางกับชั้นบรรยากาศนั้นเป็นเสื้อคลุมที่ประกอบด้วยของเหลวร้อน - ซึ่งมีส่วนผสมของน้ำแอมโมเนียและมีเธน มันอยู่ในของเหลวนี้ที่ความดันที่ต้องการที่ระดับความลึกที่สอดคล้องกันซึ่งการสลายตัวของแอมโมเนียและการก่อตัวของไฮโดรเจนไนโตรเจนที่แปลกใหม่เช่นเดียวกับสารประกอบที่ซับซ้อนมากขึ้นรวมถึงออกซิเจนคาร์บอนและกำมะถันทำนายโดยกลุ่ม Artyom Oganov ดาวเนปจูนยังมีแหล่งความร้อนภายในซึ่งธรรมชาติยังไม่ได้รับการชี้แจง (สันนิษฐานว่านี่คือรังสีความร้อนสารเคมีหรือความโน้มถ่วง) สิ่งนี้ทำให้เราสามารถขยาย“ เขตเอื้ออาศัย” รอบดาว (หรืออีกดวง) อย่างมากเกินขีด จำกัด ที่มีอยู่สำหรับชีวิตคาร์บอนที่เปราะบางของเรา

ขั้นตอนในการดำรงชีวิต

สมมติฐานของกลุ่ม Artyom Oganov นี้เปิดโอกาสที่ไม่คาดคิดอย่างสมบูรณ์ในแง่ของพื้นฐานชีวิตที่ไม่ใช่คาร์บอน “ ไฮโดรเจนไนโตรเจนสามารถก่อตัวเป็นโซ่พอลิเมอร์ที่ยาวนานและแม้แต่แผ่นสองมิติ” อาร์เท็มอธิบาย - ตอนนี้เรากำลังศึกษาคุณสมบัติของระบบดังกล่าวด้วยการมีส่วนร่วมของออกซิเจนจากนั้นเราจะเพิ่มคาร์บอนและซัลเฟอร์ลงในแบบจำลองของเราและนี่อาจจะเปิดทางไปสู่การอะนาล็อกไนโตรเจนของโปรตีนคาร์บอนแม้ว่าจะเป็นวิธีที่ง่ายที่สุด คำถามเกี่ยวกับแหล่งพลังงานเพื่อชีวิตตามไนโตรเจนยังคงเปิดแม้ว่ามันอาจเป็นปฏิกิริยารีดอกซ์บางอย่างที่เรายังไม่ทราบและเกิดขึ้นที่ความกดดันสูง ในความเป็นจริงเงื่อนไขดังกล่าวอาจมีอยู่ในลำไส้ของดาวเคราะห์ยักษ์เช่นดาวยูเรนัสหรือดาวเนปจูนแม้ว่าอุณหภูมิจะสูงเกินไป แต่จนถึงตอนนี้เรายังไม่รู้แน่ชัดว่าปฏิกิริยาใดที่เกิดขึ้นที่นั่นและปฏิกิริยาใดที่มีความสำคัญต่อชีวิตดังนั้นเราจึงไม่สามารถประเมินช่วงอุณหภูมิที่ต้องการได้อย่างแม่นยำ”

สภาพ“ การดำรงชีวิต” ของสิ่งมีชีวิตที่อาศัยสารประกอบไนโตรเจนอาจดูแปลกใหม่อย่างยิ่งสำหรับผู้อ่าน แต่ก็เพียงพอที่จะระลึกถึงความจริงที่ว่าความชุกของดาวเคราะห์ยักษ์ในระบบดาวฤกษ์นั้นอย่างน้อยก็ไม่น้อยไปกว่าดาวเคราะห์ที่คล้ายโลกเต็มไปด้วยหิน และนี่หมายความว่าในจักรวาลมันเป็นชีวิตคาร์บอนของเราที่สามารถกลายเป็นสิ่งแปลกใหม่ได้มากขึ้น

บทความ“ Carbon Chauvinism” ถูกตีพิมพ์ในวารสาร Popular Mechanics (ฉบับที่ 5 พฤษภาคม 2558)

แนะนำ

TV Clockwork: DIY
2019
สัตว์เลี้ยง 15 ชนิด - จากผู้ที่รักมากที่สุดถึงคนที่ไม่ใส่ใจคุณ
2019
10 ข้อเท็จจริงที่ไม่คาดคิดเกี่ยวกับภาพหลอน
2019