Kehidupan terestrial, satu-satunya yang kita ketahui saat ini, didasarkan pada berbagai macam senyawa karbon. Padahal, ini bukan satu-satunya unsur kimia yang mungkin mendasari kehidupan.
Keberadaan bentuk-bentuk kehidupan lain yang pada dasarnya berbeda dengan keberadaan duniawi kita, lokasi dan jumlah cakar, mata, gigi, cakar, tentakel dan bagian tubuh lainnya merupakan salah satu topik favorit dalam literatur fiksi ilmiah.
Namun, penulis fiksi ilmiah tidak terbatas pada ini - mereka datang dengan bentuk eksotis dari kehidupan tradisional (karbon) dan fondasinya yang tidak kalah eksotis - misalnya, kristal hidup, makhluk medan energi tanpa tubuh atau makhluk organosilicon.
Selain penulis fiksi ilmiah, para ilmuwan juga terlibat dalam diskusi tentang masalah tersebut, meskipun mereka jauh lebih berhati-hati dalam penilaiannya. Bagaimanapun, sejauh ini satu-satunya dasar kehidupan yang secara tepat diketahui sains adalah karbon.
Namun demikian, seorang astronom dan pemopuler ilmu pengetahuan Carl Sagan pernah mengatakan bahwa pernyataan umum tentang kehidupan duniawi dalam hubungannya dengan kehidupan di seluruh alam semesta adalah keliru. Sagan menyebut generalisasi seperti itu "chauvinisme karbon", sementara dia sendiri menganggap silikon sebagai basis alternatif yang paling mungkin untuk kehidupan.
Pertanyaan utama dalam hidup
Bentuk kehidupan organosilicon dari serial fiksi ilmiah "Star Trek"
Video promosi:
Apa itu hidup? Tampaknya jawaban atas pertanyaan ini sudah jelas, tetapi anehnya, masih ada diskusi tentang kriteria formal di komunitas ilmiah. Namun demikian, sejumlah ciri khas dapat dibedakan: kehidupan harus mereproduksi dirinya sendiri dan berkembang, dan untuk itu, beberapa syarat penting harus dipenuhi.
Pertama, keberadaan kehidupan membutuhkan sejumlah besar senyawa kimia, terutama yang terdiri dari sejumlah unsur kimia yang terbatas. Dalam kasus kimia organik, ini adalah karbon, hidrogen, nitrogen, oksigen, sulfur, dan jumlah senyawa tersebut sangat besar.
Kedua, senyawa-senyawa ini harus stabil secara termodinamika atau paling tidak metastabil, yaitu umurnya harus cukup lama untuk melakukan berbagai reaksi biokimia.
Kondisi ketiga adalah harus ada reaksi untuk mengekstraksi energi dari lingkungan, serta mengakumulasi dan melepaskannya.
Keempat, untuk reproduksi kehidupan sendiri, diperlukan mekanisme hereditas, di mana molekul aperiodik yang besar berperan sebagai pembawa informasi.
Erwin Schrödinger menyarankan bahwa kristal aperiodik dapat menjadi pembawa informasi herediter, dan kemudian struktur molekul DNA, kopolimer linier, ditemukan. Akhirnya, semua zat ini harus dalam keadaan cair untuk memastikan tingkat reaksi metabolik (metabolisme) yang cukup karena difusi.
Alternatif tradisional
Dalam kasus karbon, semua kondisi ini terpenuhi, tetapi bahkan dengan alternatif terdekat - silikon - situasinya jauh dari kata cerah. Molekul organosilicon bisa cukup panjang untuk membawa informasi herediter, tetapi keragamannya terlalu rendah dibandingkan dengan karbon organik - karena ukuran atom yang lebih besar, silikon hampir tidak membentuk ikatan rangkap, yang sangat membatasi kemungkinan pelekatan berbagai gugus fungsi.
Selain itu, silikon hidrogen jenuh - silan - sama sekali tidak stabil. Tentu saja ada juga senyawa stabil seperti silikat, tetapi sebagian besar merupakan zat padat dalam kondisi normal.
Dengan unsur-unsur lain, seperti boron atau belerang, situasinya bahkan lebih buruk: organoboron dan senyawa belerang molekul tinggi sangat tidak stabil, dan keanekaragamannya terlalu buruk untuk memberikan kehidupan dengan semua kondisi yang diperlukan.
Di bawah tekanan
“Nitrogen tidak pernah secara serius dianggap sebagai dasar kehidupan, karena dalam kondisi normal satu-satunya senyawa nitrogen-hidrogen yang stabil adalah amonia NH3,” kata Artem Oganov, kepala laboratorium desain bahan berbantuan komputer MIPT, profesor di Universitas Stony Brook di New York dan Institut Sains dan Teknologi Skolkovo (Skoltech).
“Namun, baru-baru ini, saat mensimulasikan berbagai sistem nitrogen pada tekanan tinggi (hingga 800 GPa) menggunakan algoritme USPEX (Universal Structure Predictor: Evolutionary Xtallography), grup kami menemukan hal yang menakjubkan.
Ternyata pada tekanan di atas 36 GPa (360.000 atm), muncul sejumlah hidrogen nitrogen stabil, seperti rantai polimer satu dimensi panjang unit N4H, N3H, N2H, dan NH, eksotik N9H4, membentuk lembaran atom nitrogen dua dimensi dengan kation NH4 + terlampir, dan senyawa molekul N8H, NH2, N3H7, NH4, NH5.
Faktanya, kami menemukan bahwa, pada tekanan urutan 40-60 GPa, kimia nitrogen-hidrogen dalam keanekaragamannya secara signifikan melebihi kimia senyawa hidrokarbon dalam kondisi normal. Hal ini memungkinkan kami untuk berharap bahwa sistem kimiawi yang melibatkan nitrogen, hidrogen, oksigen, dan sulfur juga lebih kaya keanekaragamannya daripada sistem organik tradisional dalam kondisi normal."
Langkah menuju hidup
Hipotesis kelompok Artem Oganov ini membuka kemungkinan yang sama sekali tidak terduga dalam kaitannya dengan kehidupan non-karbon.
"Nitrogen hidrogen dapat membentuk rantai polimer panjang dan bahkan lembaran dua dimensi," jelas Artem. - Sekarang kami mempelajari sifat-sifat sistem seperti itu dengan partisipasi oksigen, kemudian kami akan menambahkan karbon dan sulfur sebagai pertimbangan dalam model kami, dan ini, mungkin, akan membuka jalan ke analog nitrogen dari protein karbon, meskipun untuk permulaan dan yang paling sederhana, tanpa pusat aktif dan struktur kompleks.
Pertanyaan tentang sumber energi untuk kehidupan berbasis nitrogen masih terbuka, meskipun mungkin ini adalah semacam reaksi redoks yang masih belum kita ketahui, yang terjadi dalam kondisi tekanan tinggi. Pada kenyataannya, kondisi seperti itu bisa terjadi di perut planet raksasa seperti Uranus atau Neptunus, meski suhunya terlalu tinggi. Namun sejauh ini kami tidak tahu persis reaksi apa yang dapat terjadi di sana dan reaksi mana yang penting bagi kehidupan, oleh karena itu kami tidak dapat memperkirakan secara akurat kisaran suhu yang diperlukan."
Kondisi hidup berdasarkan senyawa nitrogen mungkin tampak sangat eksotis bagi pembaca. Tetapi cukuplah untuk mengingat fakta bahwa kelimpahan planet raksasa dalam sistem bintang setidaknya tidak kurang dari planet berbatu yang mirip bumi. Dan ini berarti milik kita, kehidupan karbon di alam semesta yang bisa menjadi jauh lebih eksotis.
“Nitrogen adalah unsur paling melimpah ketujuh di alam semesta. Ada cukup banyak di komposisi planet raksasa seperti Uranus dan Neptunus. Dipercaya bahwa nitrogen hadir di sana terutama dalam bentuk amonia, tetapi pemodelan kami menunjukkan bahwa pada tekanan di atas 460 GPa, amonia tidak lagi menjadi senyawa yang stabil (karena dalam kondisi normal). Jadi, mungkin, di perut planet raksasa, selain amonia, ada molekul yang sama sekali berbeda, dan inilah kimia yang sedang kita selidiki."
Nitrogen eksotik
Pada tekanan tinggi, nitrogen dan hidrogen membentuk banyak senyawa yang stabil, kompleks, dan tidak biasa. Kimia senyawa hidrogen-nitrogen ini jauh lebih beragam daripada kimia hidrokarbon dalam kondisi normal, sehingga diharapkan senyawa nitrogen-hidrogen-oksigen-sulfida dapat mengungguli kimia organik dalam kekayaan.
Gambar menunjukkan struktur N4H, N3H, N2H, NH, N9H4 (merah muda - atom hidrogen, biru - nitrogen). Unit monomer dibingkai dengan warna pink.
Ruang hidup
Ada kemungkinan bahwa untuk mencari kehidupan eksotis, kita tidak perlu terbang ke ujung lain alam semesta. Di tata surya kita sendiri, terdapat dua planet dengan kondisi yang sesuai. Baik Uranus maupun Neptunus diselimuti atmosfer hidrogen, helium, dan metana, dan tampaknya memiliki inti silika-besi-nikel.
Dan di antara inti dan atmosfer ada mantel, yang terdiri dari cairan panas - campuran air, amonia, dan metana. Dalam cairan ini pada tekanan yang tepat pada kedalaman yang sesuai dapat terjadi dekomposisi amonia yang diprediksi oleh kelompok Artem Oganov dan pembentukan nitrogen hidrogen eksotis, serta senyawa yang lebih kompleks, termasuk oksigen, karbon, dan belerang.
Neptunus juga memiliki sumber panas internal, yang sifatnya masih belum dipahami dengan jelas (diasumsikan sebagai pemanasan radiogenik, kimiawi, atau gravitasi). Hal ini memungkinkan kita untuk secara signifikan memperluas "zona layak huni" di sekitar bintang kita (atau lainnya), jauh melampaui batas yang tersedia untuk kehidupan karbon kita yang rapuh.
Dmitry Mamontov
