Teraz zastanowimy się nad alternatywami dla węgla jako budulca życia. Abyśmy mogli to zrobić, trzeba przypomnieć trochę podstawowych informacji z mechaniki kwantowej, a zwłaszcza z budowy atomu. Atomy składają się z jądra zawierającego dodatnie protony i pozbawione ładunku neutrony oraz ujemnych elektronów otaczających jądro. Elektrony są „rozmieszczone” na powłokach, czyli na poziomach o ściśle określonej energii, a ich zachowanie opisują funkcje falowe nazywane orbitalami. Podczas omawiania mechaniki kwantowej orbitale najczęściej traktuje się jako miejsca na elektrony, swoiste „półki” na elektrony, dlatego mówi się o elektronach zajmujących albo znajdujących się na określonych orbitalach.
Aby atomy mogły się połączyć i utworzyć cząsteczkę, musi powstać między nimi wiązanie chemiczne (dla uproszczenia rozpatrzymy wiązanie powstające między dwoma atomami). Te wiązania tworzone są za pomocą elektronów najwyższej powłoki (czyli elektronów walencyjnych) obsadzających orbitale tej najwyższej powłoki (czyli orbitali walencyjnych). Wiązanie może powstawać w ten sposób, że albo oba atomy „delegują” do jego utworzenia tę samą liczbę elektronów walencyjnych, np. po jednym, albo jeden atom „przekazuje” wszystkie elektrony potrzebne do utworzenia wiązania, a drugi je tylko przyjmuje. Jednak oba atomy tworzące wiązanie muszą dysponować „wolnymi” funkcjami orbitalowymi, czyli odpowiednimi orbitalami, które po połączeniu będą opisywać elektrony tworzące wiązanie.
Do tworzenia wiązań atomy wykorzystują tylko elektrony walencyjne i orbitale walencyjne. Jeśli dany atom wykorzystał do tworzenia wiązań wszystkie swoje orbitale walencyjne, mówimy, że jest wysycony koordynacyjnie. Jeśli wykorzystał wszystkie swoje elektrony walencyjne, mówimy, że jest wysycony walencyjnie. Oba stany wysycenia powodują, że powstające wiązania (cząsteczki) są szczególnie trwałe.
Atom węgla ma unikatową cechę odróżniającą go od prawie wszystkich innych znanych pierwiastków – ma taką samą liczbę elektronów walencyjnych, co orbitali walencyjnych (podobnie ma tylko atom wodoru, jednak ten może tworzyć tylko jedno wiązanie, a atom węgla – cztery). Dzięki temu atom węgla tworzący wiązania chemiczne wykorzystuje wszystkie 4 elektrony walencyjne i wszystkie 4 orbitale walencyjne (czyli jest wysycony koordynacyjnie i walencyjnie). Jest to stan trudny do naruszenia, dlatego łańcuchy węglowe są bardzo trwałe, a węglowodory to związki mało reaktywne. Dlatego też węgiel może tworzyć trwałe wiązania C–C i bardzo duże cząsteczki zawierające te wiązania, dzięki czemu liczba możliwych związków organicznych jest praktycznie nieograniczona. Dodatkowo węgiel może tworzyć względnie trwałe wiązania wielokrotne między swoimi atomami, np. C=C i C≡C.
Poszukując alternatyw dla życia opartego na węglu musimy przede wszystkim skupić się na pierwiastkach, które mogłyby tworzyć podobne struktury. W zasadzie tego typu związki mogą tworzyć np. azot i tlen (pierwiastki znajdujące się w układzie okresowym na prawo od węgla) a także siarka (na prawo w dół) oraz bor (na lewo od węgla). Jest jednak pewien problem – azot, tlen i siarka mają więcej elektronów walencyjnych niż węgiel i przynajmniej dwa pierwsze z nich nie są w stanie w takich związkach osiągnąć wysycenia walencyjnego i koordynacyjnego. Z kolei bor ma mniej elektronów walencyjnych niż węgiel i cząsteczki borowodorów zawierają za mało elektronów niż potrzeba na utworzenie wiązań. Dlatego „łańcuchowe” cząsteczki tworzone przez te pierwiastki są bardzo nietrwałe.
Na deser zostawiłem krzem, bo on pozornie jest najbardziej obiecujący. Teoretycznie powinien być dość podobny do węgla, gdyż znajduje się w tej samej grupie układu okresowego – pod węglem. W związku z tym ma tyle samo elektronów walencyjnych (4). Ale są i różnice w budowie atomu, w szczególności atom krzemu ma więcej orbitali walencyjnych niż atom węgla, mianowicie 9. Sprawia to, że w krzemowodorach – związkach będących analogami węglowodorów – atomy krzemu są wysycone walencyjnie (tworzą cztery wiązania z użyciem wszystkich czterech elektronów walencyjnych), ale nie są wysycone koordynacyjnie („zużywają” tylko cztery z dziewięciu orbitali walencyjnych). Z tego samego powodu wiązania Si–Si są o wiele mniej trwałe niż wiązania C–C. W krzemowodorach atomy krzemu mają wolne orbitale, które mogą być „atakowane” przez cząsteczki dysponujące wolnymi elektronami, np. cząsteczki wody. Wskutek tego następuje ich rozkład. Pewnym rozwiązaniem mogłoby być konstruowanie łańcuchów złożonych naprzemiennie z atomów krzemu i atomów dysponujących większą liczbą elektronów, np. atomów tlenu: Si–O–Si–O–Si. Nadal jednak w takich strukturach krzem będzie mieć częściowo niewykorzystane orbitale walencyjne i nie osiągnie wysycenia koordynacyjnego.
Te wszystkie zastrzeżenie nie przeszkodziły tak naukowcom, jak i twórcom SF w snuciu hipotez o życiu krzemowym. Np. w jednym z opowiadań Stanleya G. Weinbauma, „Marsjańska odyseja”, występuje istota krzemowa, która wyjmuje sobie z „ust” (a w każdym razie z jakiegoś otworu) krzemionkowe cegiełki i buduje z nich piramidę wokół siebie. W starej polskiej powieści SF „Kosmiczni bracia” Krzysztof Boruń i Andrzej Trepka opisali organizmy oparte na krzemie, które zresztą omal nie doprowadzają do zagłady całej ludzkości, gdyż upodobały sobie znacznie wyższe temperatury, i pierwszą rzeczą, jakiej dokonują po pojawieniu się na Ziemi, jest odpowiednie podgrzanie planety. Ta koncepcja jest o tyle ciekawa, iż faktycznie nie bardzo wiadomo, dlaczego krzem, będący w stanie wolnym jednym z najbardziej inertnych pierwiastków, na Ziemi występuje wyłącznie w postaci związków – przeważnie pochodnych tlenu (a przecież z tlenem krzem reaguje dopiero w temperaturach powyżej 600°C). Swego czasu ksiądz profesor Włodzimierz Sedlak wysunął nawet hipotezę, że brak krzemu pierwiastkowego może stanowi poszlakę wskazującą na istnienie niegdyś na Ziemi biocenozy krzemowej, której odchody stanowi krzemionka SiO₂, podobnie jak jednym z metabolitów życia opartego na węglu jest CO₂. Nie trzeba jednak dodawać, że woda w postaci ciekłej istnieje w niespecjalnie wysokich temperaturach, chyba że pod zwiększonym ciśnieniem. Ale w takich warunkach związki krzemu, które miałyby być odpowiednikami węglowych związków organicznych, miałyby zerową trwałość. Są one nietrwałe nawet w warunkach normalnych (z przyczyn podanych wyżej), a na dodatek hydrolizują, czyli rozkładają się pod wpływem wody.
W następnym odcinku – bardziej odmienne alternatywy.
