Dziś bierzemy na warsztat (potencjalne) alternatywne rodzaje życia. Znane nam życie opiera się na koloidalnych systemach białkowych, działających dzięki wykorzystaniu ponadto kwasów nukleinowych, tłuszczów i węglowodanów. Większość tych związków ma strukturę polimeryczną, tzn. mają one duże cząsteczki (nierzadko o masie milionów u), składające się z wielkiej liczby powtarzających się małych cząsteczek.
Wspólną cechą związków organicznych występujących w organizmach żywych są łańcuchy węglowe. W istocie cała chemia organiczna jest chemią pewnego rodzaju związków węgla – węglowodorów i ich pochodnych. Prawie wszystkie te związki zawierają części składające się z od 2 do kilkudziesięciu atomów węgla połączonych w struktury liniowe, rozgałęzione i pierścieniowe. Atom węgla jest w ogóle unikatowy, o czym więcej następnym razem.
Woda będąca ośrodkiem koloidów białkowych stanowi bardzo specyficzny związek – ma silnie polarną cząsteczkę, która tworzy wiązania wodorowe, przez co mimo małej masy cząsteczkowej występuje w stanie ciekłym. Dzięki prostemu składowi występuje powszechnie we Wszechświecie (składa się z pierwiastków powstających w trakcie normalnych reakcji jądrowych w gwiazdach). Rozpuszcza substancje polarne i tworzy koloidy ze związkami słabo polarnymi. Dzięki temu stanowi doskonałe środowisko reakcji, zapewniające rozproszenie reagentów do poziomu cząsteczek lub jonów, a to bardzo ułatwia zachodzenie reakcji.
Chcąc rozważać alternatywne postacie życia, mamy zatem dwie drogi – albo będziemy zastanawiać się nad alternatywą dla związków wielkocząsteczkowych z łańcuchami węglowymi, albo nad alternatywą dla wody jako rozpuszczalnika. Zaczniemy od tej drugiej kwestii, bo tu możliwości jest więcej. Będąc wyjątkową cieczą, woda występuje w stanie ciekłym we względnie dużym przedziale temperatur (100 stopni). Szukając alternatywy dla wody, musimy pamiętać, że nie możemy się za bardzo oddalać od przedziału 0-30°C, ponieważ w niższych temperaturach koloidy białkowe są mało reaktywne, a w wyższych – nietrwałe. Istnieje wiele substancji mających szerszy zakres ciekłości niż woda w pobliżu tego przedziału: niektóre rozpuszczalniki organiczne i inne związki organiczne (etanol 192 stopnie, fenol 141, tatrehydrofuran 174) albo metale (rtęć 395 stopni, frans 612, galinstan [stop galu, indu i cyny, dodatkowo ciekły w temperaturze pokojowej] 1320, i absolutny rekordzista gal 2370). Na ogół jednak te substancje różnią się od wody właściwościami fizykochemicznymi (w przypadku metali – bardzo mocno) i procesy niezbędne dla życia węglowego nie mogą w nich zachodzić (spora ich część ma charakter reakcji kwasowo-zasadowych i wymaga udziału rozpuszczalnika).
Pod względem właściwości kwasowo-zasadowych trochę podobny do wody jest amoniak NH3. Ma jednak znacznie węższy zakres ciekłości i to w niskich temperaturach (ok. 44 stopnie w zakresie podanym niżej). Niemniej autorzy SF próbowali się zmierzyć z koncepcją życia funkcjonującego w amoniaku. Życie „amoniakalne” występuje w powieści Szkarłatny świat Charlesa Harnesa, jednak bohaterowie ogólnie funkcjonują i wyglądają jak ludzie, i nie ma to większego znaczenia poza tym, że woda – nazywana vada – ma dla nich pewne szczególne znaczenie. W opowiadaniu Śnieżka Kirył Bułyczow opisuje istoty, których biochemia oparta jest na amoniaku; co prawda poza tym owi kosmici prawie niczym się od ludzi nie różnią i autor snuje nawet opowieść o romansie między ludzkim kosmonautą a kosmitką, romansie, który musi ograniczyć się do westchnień i wymiany powłóczystych spojrzeń. Albowiem amoniak jest cieczą w zakresie od –78 do –33°C i jakiekolwiek dotknięcie musiałoby doprowadzić do oparzeń z jednej strony (wyobraźmy sobie, że dotyka nas istota o skórze mającej temperaturę 170°C!), a odmrożeń z drugiej. W tak niskich temperaturach związki organiczne są co prawda trwałe, ale wiadomo, że komórki stanowią właściwie układy koloidalne białkowych, lipidowych lub węglowodanowych polimerów, które ze spadkiem temperatury tracą swoją półpłynność. Poza tym metabolizm opiera się na skomplikowanych reakcjach enzymatycznych o przebiegu także silnie zależnym od temperatury. Przy panującym w organizmie 50-stopniowym mrozie nie będzie funkcjonować żaden enzym (przynajmniej z tych, które znamy), a większość substratów tych reakcji będzie tak trwała/nieaktywna, że nie da się ich ugryźć.
Inną alternatywą dla wody, nad którą można by się zastanowić, jest fluorowodór HF. Pod względem właściwości wykazuje znaczne podobieństwo do wody – ma prawie taką samą masę cząsteczkową, stała dielektryczną, ciepło parowania. Ma też duży zakres ciekłości (prawie 103 stopnie), tylko nieco przesunięty w stronę większego chłodu, od –84°C do 19,5°C. Niestety jest to mocno agresywny związek, wywierający silnie szkodliwy wpływ na organizmy białkowe (przynajmniej te oparte na wodzie). Jony fluorkowe szkodzą wskutek wytrącania we krwi trudno rozpuszczalnego fluorku wapnia, co zmniejsza stężenie wapnia i wywołuje zaburzenia metaboliczne, silny ból i śmierć. Tym niemniej ma dość podobne właściwości kwasowo-zasadowe jak woda i tak samo jak ona tworzy rozbudowaną sieć wiązań wodorowych między cząsteczkami. Rozpuszcza związki organiczne i nieorganiczne niezbędne dla życia, jednak występuje w bardzo małych ilościach we Wszechświecie – w przeciwieństwie do wody. Jest to konsekwencją nieparzystej liczby atomowej fluoru – jak kiedyś pisałem, pierwiastki „nieparzyste” powstają w kosmosie w znacznie mniejszych ilościach, natomiast tlen obecny w wodzie jest jednym z produktów normalnych reakcji termojądrowych w większych gwiazdach.
W następnym odcinku zajmiemy się z kolei alternatywami dla węgla.
Źródła – m.in. strona xenology.info, zwłaszcza http://www.xenology.info/Xeno/8.2.2.htm
Don’t just stand there, Earthling! Go boil some ammonia! 
’Is it safe to drink the ammonia here?’ 