– Odkryliśmy, że 19 na 20 aminokwasów budujących białka ziemskiego życia jest stabilne w 98 proc. kwasie siarkowym. I może się tak dziać przez miesiące. Rozpuszczają się w nim fantastycznie. To sytuacja absolutnie niespotykana. Pokazaliśmy też, że zasady azotowe, czyli literki naszego DNA pozostały stabilne w kwasie siarkowym. To może być pierwszy krok do zmiany naszego myślenia o tym czy woda jest aby na pewno jedynym środowiskiem, w którym życie może istnieć – mówi National-Geographic.pl dr Janusz Pętkowski z MIT Venus Team, jeden z autorów opublikowanego właśnie badania.
Czym dla chemii jest życie?
Tylko jak to jest możliwe? W końcu kwas siarkowy absolutnie nie kojarzy się ze środowiskiem nadającym się dla jakiegokolwiek życia. Spróbujmy prześledzić rozumowanie autorów artykułu „Alternative solvents for life: framework for evaluation, current status and future research” opublikowanego 17 stycznia w serwisie preprintów Arxiv.
– Życie jest złożonym, dynamicznym układem chemicznym. Wymaga gęstego, płynnego rozpuszczalnika, w którym mogą zachodzić reakcje chemiczne. Powszechnie przyjmuje się, że najbardziej prawdopodobnym rozpuszczalnikiem dla życia jest woda w stanie ciekłym. Niektórzy badacze twierdzą wręcz, że woda jest jedynym prawdopodobnym rozpuszczalnikiem – można przeczytać we wstępie do artykułu napisanego przez dr Williama Bainsa, dr Janusza J. Pętkowskiego i Sarę Seager.
W publikacji zaprezentowano nowe ramy analizy rozpuszczalników kandydujących do miana tych, w których mogą zachodzić reakcje związane z powstawaniem i trwaniem życia. Jak podkreślają badacze, ich podejście uwzględnia wszystkie wymagania stawiane rozpuszczalnikowi, a nie tylko pojedynczym właściwościom chemicznym. Tylko rozpuszczalniki protonujące spełniają wszystkie wymagania chemiczne bycia rozpuszczalnikiem dla związków chemii życia. A spośród nich tylko woda i stężony kwas siarkowy występują w dużej obfitości na planetach skalistych.
Po do życiu ciekły rozpuszczalnik?
Zacznijmy od tego, dlaczego do zaistnienia życia i podtrzymania go niezbędny jest ciekły rozpuszczalnik? – Ponieważ tylko w środowisku ciekłym proste związki mogą wchodzić w reakcje i tworzyć coraz bardziej skomplikowane polimery. Nie dojdzie do tego w ciele stałym, bo nie będzie tam zachodziła efektywna dyfuzja umożliwiająca interakcje między cząsteczkami chemicznymi. W środowisku gazowym też nie, gdyż w środowisku gazowym nie mogą występować duże skomplikowane polimery. Jeśli chcemy odnieść się do chemii organicznej – do cegiełek życia – to życie będzie zawsze według naszej obecnej wiedzy wymagało ciekłego rozpuszczalnika – wyjaśnia dr Pętkowski.
Ten właściwy rozpuszczalnik musi być „protonujący”. Protonujący, czyli mający zdolność wymiany jonów wodoru z różnymi substancjami rozpuszczalnymi w nim. Dobrym przykładem jest woda, która może się rozbić na dwa jony: jon H+ i jon OH-.
– Kwas siarkowy H 2SO 4 – tak jak woda – jest właśnie takim rozpuszczalnikiem protonujacym. Może oddawać swoje jony wodoru innym substancjom rozpuszczonym w roztworze – dodaje astrobiolog.
Wśród rozpuszczalników nieprotonujących wyróżnia się ciekły dwutlenek węgla (CO2). Ciekły CO2 może być obecny na różnych ciałach niebieskich i należy zbadać jego potencjał jako rozpuszczalnika dla życia.
Siarka występuje w skorupie ziemskiej. Na zdjęciu źródła geotermalne z Etiopii. Fot. Edwin Remsberg/Getty Images
Kiedy rozpuszczalnik może pomagać w tworzeniu życia?
Grupa badaczy wyznaczyła 4 parametry, jakie musi spełnić dana ciecz, by móc być rozpuszczalnikiem potencjalnie zdatnym do podtrzymywania życia:
- Musi występować powszechnie i w dużej ilości. Być cieczą stabilną i występować na powierzchni planety, pod jej powierzchnią lub w postaci kropli chmur.
- Musi efektywnie rozpuszczać związki chemiczne, lecz nie rozpuszczać absolutnie wszystkiego. – Jeżeli dany rozpuszczalnik rozpuści wszystko, to nie będzie z czego zbudować struktur komórkowych takich jak błony lub ściany komórkowe. Weźmy przykład wody. Rozpuszcza cukry, ale już nie tłuszcze, dzięki czemu w wodzie mogą tworzyć się pęcherzyki zamykające część rozpuszczonych związków chemicznych i pozwalających im na reakcje – komentuje dr Pętkowski.
- Nie może być też zbyt reaktywny, bo wówczas nic nie mogłoby się w nim utrzymać. – Kwas siarkowy wydaje się bardzo reaktywny i jest oczywiście całkowicie niekompatybilny z chemią organiczna, której używa życie tu na Ziemi. Nasze badania pokazują, że nie jest to rozpuszczalnik zabójczy dla chemii organicznej w ogóle – mówi dr Janusz Pętkowski.
- Nie powinien być wyłącznie pasywnym elementem dla życia i biochemii. Woda bierze udział w reakcjach chemicznych w organizmach żywych, w metabolizmie, nie jest tylko pasywnym gospodarzem dla biochemii, lecz aktywnie bierze udział w reakcjach fizjologicznych. Odpowiedni rozpuszczalnik musi mieć zdolność brania udziału w przemianach reakcji chemicznych razem z substancjami w nim rozpuszczonymi.
Czy kwas siarkowy może tworzyć życie?
– Zadaliśmy sobie pytanie, które z planetarnych rozpuszczalników powszechnie występujących lub potencjalnie powszechnych, spełniają te 4 kryteria. Przejrzeliśmy szereg takich cieczy: woda, amoniak, stężony kwas siarkowy, ciekła siarka, która być może występuje pod powierzchnią księżyca Jowisza Io, fluorowodór, formamid i ciekły dwutlenek węgla, czy ciekły dwutlenek siarki. Poza tym ciekły azot i występujące na księżycu Saturna Tytanie zimne rozpuszczalniki jak metan i etan. I wyszło nam, że istnieją tylko 2 rozpuszczalniki spełniające wszystkie 4 wymagania. Są to woda i stężony kwas siarkowy – mówi dr Pętkowski.
Być może takich rozpuszczalników jest więcej, lecz jest za mało danych pozwalających na przeprowadzenie analizy. Ciekawy wydaje się również ciekły dwutlenek węgla. Można jednak będzie powiedzieć coś na jego temat dopiero po długiej serii eksperymentów.
Ale jak przeprowadzić takie eksperymenty? Z pewnością częściowo jest to możliwe w laboratorium. Jednak najlepszym możliwym laboratorium jest miejsce, w którym występują. Trzeba przecież sprawdzić, jak dane rozpuszczalniki reagują z minerałami i skałami na powierzchni planet.
Polscy naukowcy na tropie alternatywnej biochemii
– Nikt właściwie nie badał chemii w ciekłej siarce czy innych „egzotycznych” planetarnych cieczach. Co ciekawe, jednymi z pionierów badań nad rozpuszczalnością różnych związków chemicznych w egzotycznych rozpuszczalnikach, byli Polacy. W Latach 70. i 80. XX wieku polscy naukowcy badali rozpuszczalność różnych związków chemicznych w ciekłym azocie. Pomagają one zrozumieć problem z tzw. zimnymi rozpuszczalnikami, czyli na przykład z ciekłym metanem na Tytanie – wyjaśnia astrobiolog.
Podkreśla, że choć artykuł opublikowany w serwisie Arxiv jest z wielu względów przełomowy, stanowi jedynie otwarcie dyskusji o alternatywnej biochemii. Bo nie wiadomo, czy istnieje jakiś szlak reakcji chemicznych w kwasie siarkowym, czy innych rozpuszczalnikach niż woda który prowadzi do powstania życia.
– Ale wiemy już, że skomplikowana chemia organiczna może istnieć w kwasie siarkowym. Czy może doprowadzić do reakcji prowadzących do powstania życia, pozostaje pytaniem otwartym – podsumowuje astrobiolog.
Być może odpowiedź przyniesie pierwsza prywatna misja na Wenus. Pracuje nad nią MIT Venus Team wraz z firmą Rocket Lab. Jeśli wszystko pójdzie dobrze, sonda wystartuje już w styczniu 2025 I być może odpowie na pytanie, co kryje się w kwaśnym środowisku naszej sąsiedniej planety.
ŹRÓDŁA: arxiv.org
