La vida terrestre, la única que conocemos actualmente, se basa en una gran variedad de compuestos de carbono. Mientras tanto, este no es el único elemento químico que puede ser la base de la vida.
La existencia de otras formas de vida, fundamentalmente distintas a las terrestres, en presencia, ubicación y número de patas, ojos, dientes, garras, tentáculos y otras partes del cuerpo es uno de los temas predilectos en la literatura de ciencia ficción.
Sin embargo, los escritores de ciencia ficción no se limitan a esto, sino que presentan formas exóticas de vida tradicional (carbono) y sus fundamentos no menos exóticos, por ejemplo, cristales vivientes, criaturas del campo de energía incorpóreas o criaturas de organosilicio.
Además de los escritores de ciencia ficción, los científicos también participan en la discusión de estos temas, aunque son mucho más cautelosos en sus evaluaciones. Después de todo, hasta ahora la única base de la vida que la ciencia conoce con precisión es el carbono.
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Sin embargo, en un momento el famoso astrónomo y divulgador de la ciencia Carl Sagan dijo que es completamente incorrecto generalizar declaraciones sobre la vida terrestre en relación con la vida en todo el Universo. Sagan llamó a tales generalizaciones "chovinismo del carbono", mientras que él mismo consideraba al silicio como la base alternativa más probable para la vida.
La principal pregunta de la vida
Forma de vida de organosilicio de la serie de ciencia ficción "Star Trek"
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¿Qué es la vida? Parecería que la respuesta a esta pregunta es obvia, pero por extraño que parezca, todavía hay discusiones sobre criterios formales en la comunidad científica. Sin embargo, se pueden distinguir una serie de rasgos característicos: la vida debe reproducirse y evolucionar, y para ello, se deben cumplir varias condiciones importantes.
Primero, para la existencia de vida, se requiere una gran cantidad de compuestos químicos, que consisten principalmente en un número limitado de elementos químicos. En el caso de la química orgánica, estos son carbono, hidrógeno, nitrógeno, oxígeno, azufre y el número de tales compuestos es enorme.
En segundo lugar, estos compuestos deben ser termodinámicamente estables o al menos metaestables, es decir, su vida debe ser lo suficientemente larga para llevar a cabo diversas reacciones bioquímicas.
La tercera condición es que debe haber reacciones para extraer energía del medio, así como para acumularla y liberarla.
En cuarto lugar, para la autorreproducción de la vida, se requiere un mecanismo de herencia, en el que una gran molécula aperiódica actúa como portadora de información.
Erwin Schrödinger sugirió que un cristal aperiódico podría ser el portador de información hereditaria, y más tarde se descubrió la estructura de la molécula de ADN, un copolímero lineal. Finalmente, todas estas sustancias deben estar en estado líquido para asegurar una tasa suficiente de reacciones metabólicas (metabolismo) por difusión.
Alternativas tradicionales
En el caso del carbono, se cumplen todas estas condiciones, pero incluso con la alternativa más cercana, el silicio, la situación está lejos de ser tan optimista. Las moléculas de organosilicio pueden ser lo suficientemente largas para transportar información hereditaria, pero su diversidad es demasiado pobre en comparación con los compuestos orgánicos de carbono; debido al mayor tamaño de los átomos, el silicio apenas forma dobles enlaces, lo que limita en gran medida las posibilidades de unir varios grupos funcionales.
Además, las siliconas de hidrógeno saturadas (silanos) son completamente inestables. Por supuesto, también existen compuestos estables como los silicatos, pero la mayoría de ellos son sustancias sólidas en condiciones normales.
Con otros elementos, como el boro o el azufre, la situación es aún peor: los compuestos organoboro y de azufre de alto peso molecular son extremadamente inestables y su diversidad es demasiado pobre para proporcionar vida con todas las condiciones necesarias.
Bajo presión
“El nitrógeno nunca se ha considerado seriamente como la base de la vida, porque en condiciones normales el único compuesto de nitrógeno e hidrógeno estable es el amoníaco NH3”, dice Artem Oganov, jefe del laboratorio de diseño de materiales asistido por computadora del MIPT, profesor de la Universidad de Stony Brook en Nueva York y del Instituto de Ciencia y Tecnología de Skolkovo (Skoltech).
“Sin embargo, recientemente, mientras simulaba varios sistemas de nitrógeno a altas presiones (hasta 800 GPa) utilizando nuestro algoritmo USPEX (Predictor de estructura universal: xtalografía evolutiva), nuestro grupo descubrió algo asombroso.
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Resultó que a presiones superiores a 36 GPa (360.000 atm), aparece una cantidad de nitrógeno de hidrógeno estable, como largas cadenas de polímeros unidimensionales de unidades N4H, N3H, N2H y NH, exóticas N9H4, que forman láminas bidimensionales de átomos de nitrógeno con cationes NH4 + unidos, y compuestos moleculares N8H, NH2, N3H7, NH4, NH5.
De hecho, encontramos que, a presiones del orden de 40-60 GPa, la química del nitrógeno-hidrógeno en su diversidad excede significativamente la química de los compuestos de hidrocarburos en condiciones normales. Esto nos permite esperar que la química de los sistemas que involucran nitrógeno, hidrógeno, oxígeno y azufre también sea más rica en diversidad que la orgánica tradicional en condiciones normales.
Paso a la vida
Esta hipótesis del grupo de Artem Oganov abre posibilidades completamente inesperadas en términos de una base de vida sin carbono.
“El nitrógeno de hidrógeno puede formar largas cadenas de polímeros e incluso láminas bidimensionales”, explica Artem. - Ahora estamos estudiando las propiedades de tales sistemas con participación de oxígeno, luego agregaremos carbono y azufre a la consideración en nuestros modelos, y esto, posiblemente, abrirá el camino a los análogos nitrogenados de las proteínas de carbono, aunque los más simples, para empezar, sin centros activos y estructura compleja.
La cuestión de las fuentes de energía para la vida basadas en nitrógeno sigue abierta, aunque bien puede tratarse de algún tipo de reacciones redox que aún desconocemos y que tienen lugar en condiciones de alta presión. En realidad, tales condiciones pueden existir en las entrañas de planetas gigantes como Urano o Neptuno, aunque las temperaturas allí son demasiado altas. Pero hasta ahora no sabemos exactamente qué reacciones pueden ocurrir allí y cuáles de ellas son importantes para la vida, por lo que no podemos estimar con precisión el rango de temperatura requerido.
Las condiciones de vida basadas en compuestos nitrogenados pueden parecer extremadamente exóticas para los lectores. Pero baste recordar el hecho de que la abundancia de planetas gigantes en sistemas estelares no es menos que la de planetas rocosos similares a la Tierra. Y esto significa que en el Universo es nuestro, la vida del carbono puede resultar mucho más exótica.
“El nitrógeno es el séptimo elemento más abundante en el universo. Hay bastantes en la composición de planetas gigantes como Urano y Neptuno. Se cree que el nitrógeno se encuentra allí principalmente en forma de amoníaco, pero nuestro modelo muestra que a presiones superiores a 460 GPa, el amoníaco deja de ser un compuesto estable (como lo es en condiciones normales). Entonces, tal vez, en las entrañas de los planetas gigantes, en lugar de amoníaco, hay moléculas completamente diferentes, y es esta química la que estamos investigando ahora.
Nitrógeno exótico
A altas presiones, el nitrógeno y el hidrógeno forman muchos compuestos estables, complejos e inusuales. La química de estos compuestos de hidrógeno y nitrógeno es mucho más diversa que la química de los hidrocarburos en condiciones normales, por lo que se espera que los compuestos de nitrógeno-hidrógeno-oxígeno-sulfuro puedan superar la química orgánica en riqueza.
La figura muestra las estructuras de N4H, N3H, N2H, NH, N9H4 (rosa - átomos de hidrógeno, azul - nitrógeno). Las unidades de monómero están enmarcadas en rosa.
Espacio vital
Es posible que en busca de vida exótica, no tengamos que volar al otro extremo del universo. En nuestro propio sistema solar, hay dos planetas con condiciones adecuadas. Tanto Urano como Neptuno están envueltos en una atmósfera de hidrógeno, helio y metano, y parecen tener un núcleo de sílice-hierro-níquel.
Y entre el núcleo y la atmósfera hay un manto, que consiste en un líquido caliente, una mezcla de agua, amoníaco y metano. Es en este líquido a las presiones correctas ya las profundidades apropiadas donde puede ocurrir la descomposición del amoníaco predicha por el grupo de Artem Oganov y la formación de hidrógeno nitrógeno exótico, así como compuestos más complejos, incluidos oxígeno, carbono y azufre.
Neptuno también tiene una fuente interna de calor, cuya naturaleza aún no se comprende claramente (se supone que es un calentamiento radiogénico, químico o gravitacional). Esto nos permite expandir significativamente la "zona habitable" alrededor de nuestra (u otra) estrella, mucho más allá de los límites disponibles para nuestra frágil vida de carbono.
Dmitry Mamontov
