Exista probabil peste 100 de miliarde de planete in galaxia noastra, iar Pamantul, un avanpost singuratic aflat pe unul din bratele spiralate ale galaxiei, este singura planeta cunoscuta capabila sa sustina viata. Am inceput de cateva secole sa privim spre stele, spre alte lumi si chiar am analizat compozitia atmosferei lor prin disecarea acelor urme firave de lumina provenite de la ele, incercand sa descoperim daca contine compusii chimici ce stau la baza vietii.

Insa viata pe alte planete poate fi foarte diferita fata de ce gasim pe Pamant. O astfel de forma de viata ar putea folosi un alt element chimic decat carbonul sau sa nu foloseasca apa ca solvent. Unele caracteristici ale vietii de pe Terra sunt universale, in special cerinta de neechilibru termodinamic. Insa alte criterii nu sunt neaparat necesare.

(Foto: conceptie artistica cu privire la modul in care ar putea arata o planeta cu viata pe baza de amoniac).

Organismele vii cunoscute pe Pamant utilizeaza compusii de carbon pentru a forma functiile structurale si metabolice, folosesc apa ca solvent si ADN-ul si ARN-ul pentru stocarea instructiunilor necesare vietii. Daca exista viata pe alte planete, e posibil sa fie similara din punct de vedere chimic cu viata de pe Terra; este, de asemenea, posibil sa existe organisme cu o chimie destul de diferita – de exemplu, implicand alti compusi sau folosind un alt solvent in locul apei.

Siliciul a fost propus ca o alternativa ipotetica la carbon. Siliciul se afla in aceeasi grupa cu carbonul in tabelul periodic si, la fel precum carbonul, siliciul este tetravalent, desi compusii acestora sunt mai putin stabili. Alternativele la apa ca solvent includ amoniacul, care, la fel ca apa, este o molecula polara; si solventi nepolari de hidrocarburi, precum metanul si etanul, care sunt prezenti in forma lichida pe suprafata Titanului.

Pe Pamant, fiintele vii au nevoie de carbon, insa Carl Sagan spune ca nu putem fi siguri ca viata functioneaza la fel peste tot in Univers. El a considerat siliciul si germaniul drept alternative pentru carbon, dar, pe de alta parte, a observat ca atomii de carbon par mai versatili din punct de vedere chimic si sunt mai abundenti in Univers.

Biochimia vietii pe Pamant

Pentru a forma elemente chimice, atomii trebuie sa formeze molecule, iar pentru asta, trebuie sa existe o legatura chimica intre ei, mai exact, o legatura covalenta.

Legatura covalenta este atractia electrostatica dintre o pereche de electroni pusa in comun de doi atomi. De cele mai multe ori, o legatura covalenta e reprezentata printr-o linie intre cei doi atomi. La molecule mai simple, precum dihidrogenul (adesea scris ca H – H, sau H2), o singura linie reprezinta perechea de electroni care formeaza o singura legatura intre cei doi atomi de hidrogen.

Un model structural complet al unei molecule arata si pozitiile electronilor care nu sunt implicati in legatura covalenta. De exemplu, formahelida (cunoscuta si sub numele de formol) este reprezentata precum in imaginea alaturata – cu 4 puncte.

Distributia sarcinii si proprietatile fizice ale moleculelor

Electronul este o particula subatomica fundamentala cu sarcina electrica negativa; iar protonul are o sarcina pozitiva. Unele particule nu au un numar egal de protoni si electroni. In acest caz, molecula are o sarcina electrica nenula si se numeste ion. Un atom neutru din punct de vedere electric are un numar de electroni egal cu numarul de protoni si se poate ioniza prin schimbarea acestui echilibru. De exemplu, in clorura de sodiu, ionul de sodiu are o sarcina pozitiva, iar ionul de clor are o sarcina negativa.

Daca pierde unul sau mai multi electroni devine un ion pozitiv, numit si cation pentru ca este atras de catod (electrodul negativ). Daca primeste unul sau mai multi electroni devine ion negativ, numit si anion pentru ca este atras de anod (electrodul pozitiv).

In general, atomii cu electronegativitati similare impart aceeasi electroni. Carbonul si hidrogenul au electronegativitati similare. Fiecare dintre cei doi atomi pune in comun cate un electron si fiecare atrage la fel de mult perechea astfel formata. Acest tip de legatura covalenta se numeste legatura nepolara.

Legatura nepolara apare la atomii din aceeasi specie sau la atomii din specii diferite care au electronegativitati foarte apropiate.

Legatura polara exista doar intre atomi ai nemetalelor din specii diferite. Fiecare dintre cei doi atomi pune in comun cate un electron, dar atomul care are electronegativitatea mai mare atrage mai puternic perechea formata.

Natura si distributia sarcinii sunt caracteristicile dominante in determinarea proprietatilor fizice ale structurii moleculare. Stiind ca o molecula este un ion, este, in general, o informatie mai importanta decat aproape oricare alta pentru intelegerea comportamentului fizic al moleculei.

Una dintre caracteristicile importante ale moleculelor polare si ale speciilor ionice este capacitatea lor de a se dizolva in solventi polari. Apa, la randul sau, este unul dintre solventii polari, deoarece distributia electronilor este destul de diferita de aranjamentul spatial al protonilor; atomul de oxigen al H2O are mai multa sarcina negativa, in timp ce atomii de hidrogen poarta o incarcatura mai mare.

Ca o consecinta, apa dizolva multe saruri si molecule care au momente mari de dipol. Moleculele nepolare care contin mai multe unitati carbon-hidrogen si carbon-carbon se numesc hidrocarburi si sunt cunoscute sub denumirea de uleiuri si grasimi. Nepolaritatea lor este si motivul pentru care uleiul si apa nu se amesteca.

Distributia sarcinii poate fi dedusa din structura moleculelor

Polaritatea moleculelor poate fi dedusa din structura moleculara. Electronegativitatea atomilor este cheia pentru efectuarea acestor deduceri. De exemplu, se poate prezice ca glucoza, a carei structura moleculara prezinta multe legaturi carbon-oxigen si oxigen-hidrogen, este polara si usor dizolvabila in apa, chiar daca nu este un ion. Astfel de molecule se numesc hidrofile (iubitoare de apa). Pe de alta parte, octanul este nepolar si nu este solubil in apa, dar solubil in alte uleiuri. Aceste molecule se numesc hidrofobe.

Reactivitatea moleculelor – avantajele si dezavantajele folosirii apei ca solvent

Moleculele care contin doar legaturi covalente carbon-carbon sau carbon-hidrogen sunt relativ nereactive la temperaturi normale. Reactivitatea este un concept diferit si nu are legatura cu rezistenta legaturii, ci deseori depinde de mediu, deoarece atomii care nu mai sunt legati pot forma legaturi in alta parte.

Apa prezinta atat un atom de oxigen cat si doi atomi de hidrogen. Acest lucru are avantaje si dezavantaje pentru un biosolvent. In primul rand, din cauza disponibilitatii hidrogenului, reactiile in apa se intampla mereu. Astfel, reactiile care necesita echivalentul unui H+ pot gasi intotdeauna unul in apa. Dezavantajul este ca multe molecule sunt instabile in apa, multe dintre ele fiind necesare in metabolismul organismelor. In unele cazuri, moleculele se descompun prin reactie in apa iar apoi este nevoie ca metabolismul sa le inlocuiasca.

Multe erori genetice includ depurarea, care apare atunci cand legatura care leaga o purina cu zaharul este rupta de o molecula de apa, rezultand o nucleotida libera de purina care nu poate actiona ca un sablon in timpul replicarii ADN-ului. Tot prin reactia cu apa, se poate produce deaminarea, adica pierderea unei grupari amino dintr-o nucleotida. Majoritatea acestor erori sunt corectate prin procesele de reparare a ADN-ului. Dar daca acest lucru nu se intampla, o nucleotida care se adauga la fasia nou sintetizata poate deveni o mutatie permanenta.

Influenta temperaturii asupra stabilitatii moleculare

Legaturile dintre atomi sunt, fara indoiala, o caracteristica universala, valabile atat pe Pamant cat si oriunde in Univers. Temperatura pana la care viata bazata pe carbon, hidrogen, oxigen si azot este posibila poate ajunge pana la 327° C – ceva mai mult decat temperatura unui cuptor din bucataria noastra. Acest lucru este valabil la nivelul marii, deoarece reactiile de descompunere sunt semnificativ mai lente la presiuni mai mari. Dar indiferent de presiune, putem sa consideram ca viata nu poate trai la temperaturi mai mari de 500° C.

Carbohidratii sunt foarte solubili, chiar si la temperaturi cu mult sub punctul de fierbere al apei. Aceasta instabilitate rezulta din faptul ca ele contin o unitate C = O (un grup carbonil). Datorita acestei instabilitati, unii cercetatori au sugerat ca carbohidratii nu au fost de prea mare ajutor in perioada timpurie a vietii. Cel mai simplu carbohidrat care a fost observat in mediul interstelar este formaldehida, cunoscut si sub numele de formol.

Metabolismul

Compusii construiti exclusiv din carbon si hidrogen nu reactioneaza usor – si din punct de vedere biologic – compusii organici care contin numai atomi de carbon si hidrogen nu sunt usor metabolizati.

Heteroatomii, precum oxigenul, azotul, nitrogenul si sulful, creeaza oportunitati de reactivitate prin activarea legaturilor carbon-carbon si carbon-hidrogen. Viata de pe Pamant foloseste oxigenul si azotul in acest scop. Metabolismul exploateaza carbonul electrofil dublu legat de azot sau de oxigen.

Metabolismul nu poate aparea intr-un sistem care se afla intr-un echilibru termodinamic. Sinteza moleculelor si construirea structurilor celulare necesita energie pe care un organism trebuie sa o obtina din mediul inconjurator si care trebuie cuplata cu procesele din organism, iar apoi disipata sub forma de caldura sau utilizata pentru a stimula formarea de substante nereactive. Cu exceptia situatiei neobisnuite in care compusii energetici sunt utilizati imediat, aceasta energie trebuie stocata intr-o forma chimica, ca nucleotida (adenozin trifosfat).

Unele forme de viata de pe Pamant folosesc ca sursa de energie fotonii proveniti de la Soare, iar altele, energia termica a Pamantului. Fotosinteza este procesul primar pentru obtinerea energiei de la Soare. Pe de alta parte, organismele non-fotosintetice trebuie sa-si obtina energia din compusii consumati.

Plantele obtin energie din lumina provenita de la Soare, iar carbonul si-l obtine din CO2 (dioxid de carbon) care este compus dintr-un atom de carbon si 2 atomi de oxigen.

Catalizatorii

Catalizatorii sunt esentiali pentru viata, in procesul de biosinteza proteica, in respiratie, sau in procesul de obtinere a energiei din hrana. Fara catalizatori anumite reactii chimice ar fi foarte lente sau nu ar avea loc.

Acesti catalizatori eficienti sunt produsi chiar de organism, sunt de natura proteica si poarta numele de enzime. Enzimele se pot defini drept proteine cu actiune catalitica; aproape toate moleculele-enzima cunoscute pana acum, dintre care multe obtinute sub forma cristalina au structura proteica. Numarul enzimelor este de ordinul miilor, deoarece, in lumea vie, fiecarei molecule organice existente trebuie sa-i corespunda cel putin o enzima, care sa participe la sinteza si / sau degradarea ei.

Relatia dintre apa si biomolecule

Viata pe Pamant foloseste apa ca solvent. Asa cum era de asteptat, biomoleculele nu doar ca sunt compatibile cu apa, ba chiar o exploateaza. ADN-ul are un schelet format din doua lanturi din zahar-fosfat, iar acest lucru face ca ADN-ul sa fie solubil in apa. Nucleobazele care codifica informatiile genetie sunt hidrofobe. De aceea, ele se afla in interiorul dublu helix-ului, izolate, departe de apa.

Biochimia bazata pe siliciu

Atomul de siliciu a fost propus ca alternativa pentru sistemele biochimice, deoarece siliciul are multe proprietati chimice similare cu cele ale carbonului si se afla in acelasi grup in tabelul periodic cu carbonul. Elementele care creeaza grupuri functionale organice cu carbonul includ hidrogenul, oxigenul, axotul, fosforul, sulful si metale precum fierul, magneziul si zincul. Siliciul, pe de alta parte, interactioneaza cu foarte putine tipuri de atomi. Mai mult, chiar si cu cele cu care interactioneaza, siliciul creeaza molecule care au fost descrise de biochimistul Norman R. Pace ca fiind “monotone in comparatie cu universul complex al macromoleculelor organice”. Acest lucru se datoreaza faptului ca atomii de siliciu sunt mult mai mari, avand o masa mai mare si astfel au dificultati in formarea de legaturi duble.

Silanul (tetrahidrura de siliciu), care este un compus chimic al hidrogenului si siliciului sunt analogi hidrocarburilor alcaline, este foarte reactiv cu apa si se descompun spontan. Moleculele care incorporeaza polimeri de atomi de siliciu si oxigen, in loc de legaturi directe intre siliciu, sunt mult mai stabile. S-a sugerat ca substantele pe baza de siliciu ar fi mai stabile decat hidrocarburile echivalente intr-un mediu bogat in acid sulfuric, asa cum este intalnit pe multe planete din afara sistemului nostru solar.

Dintre moleculele descoperite in mediul interstelar incepand cu 1998, 84 se bazeaza pe carbon, in timp ce numai 8 se bazeaza pe siliciu. Mai mult, din acesti 8 compusi, doar 4 includ carbonul in ele. Carbonul este mult mai abundent in univers si poate creea o mare varietate de compusi complecsi. Chiar daca Pamantul si alte planete sunt bogate in siliciu si sarace in carbon, viata terestra este bazata pe carbon. Acest lucru poate fi o dovada care arata cat de putin versatil este carbonul in formarea compusilor complecsi.

Chiar si asa, este posibil ca primele organisme sa fi folosit siliciul, potrivit ipotezei lui A. G. Carins-Smith, in care a aratat ca mineralele din apa au jucat un rol esential in abiogeneza: puteau sa replice structurile lor cristaline, au interactionat cu compusii de carbon si au fost precursori ai vietii bazate pe carbon.

Compusii de siliciu pot fi utili din punct de vedere biologic. Polisilanul, compusii chimici de siliciu corespunzatori zaharurilor, sunt solubili in azot lichid, sugerand ca acestia pot juca un rol in biochimie la o temeratura foarte scazuta.

Biochimia bazata pe alte elemente

Boranul, numit si trihidrura de bor, se aprinde spontan daca intra in contact cu aerul, insa ar putea fi mai stabil pe alte planete.

Diferite metale, impreuna cu oxigenul, pot forma structuri foarte complexe si stabile din punct de vedere termic, care rivalizeaza cu cele ale compusilor organici; acizii heteropoli sunt o astfel de familie.

Unii oxizi metalici sunt asemanatori cu carbonul in capacitatea lor de a forma atat structuri ca nanotuburile cat si cristale de diamant. Titanul, aluminiul, magneziul si fierul sunt mai abundente in crusta Pamantului decat carbonul. Viata bazata pe oxid de metal ar putea fi, prin urmare, o posibilitate in anumite conditii, inclusiv cele in care viata bazata pe carbon ar fi putin probabila (de exemplu la temperaturi inalte).

Sulful este, de asemenea, capabil sa formeze catene (mai multi atomi se leaga intre ei formand lanturi). Utilizarea biologica a sulfului ca alternativa la carbon este pur ipotetica, in special deoarece sulful formeaza de obicei numai lanturi liniare, nu ramificate.

Arsenicul ca alternativa la fosfor

Arsenicul este similar cu fosforul din punct de vedere chimic, dar in general este otravitor pentru formele de viata de pe Pamant. Unele alge marine includ arsenic in moleculele organice, cum ar fi in arsenozaharuri si arsenobetaine. Ciupercile si bacteriile pot produce compusi ai arsenului metilic. Reducerea si oxidarea arsenicului au fost observate la microbi (Chrysiogenes arsenatis). In plus, unele procariote pot utiliza arsenicul ca acceptor de electroni in timpul cresterii anaerobe, iar altii il pot folosi ca donator de electroni pentru a genera energie.

S-a speculat ca cele mai vechi forme de viata de pe Pamant ar fi putut utiliza arsenicul in locul fosforului pentru realizarea structurii ADN-ului.

Autorii unui studiu de geomicrobiologie realizat in anul 2010, sustinut de NASA, au aratat ca o bacterie, numita GFAJ-1, colectata in sedimentele din lacul Mono din California, poate folosi arsenicul pentru realizarea structurii ADN-ului atunci cand bacteria este cultivata intr-un mediu fara fosfor. (Link: http://www.nasa.gov)

Solventii – alternative la apa

Viata terestra necesita apa ca solvent. Acest lucru a dus la discutii despre faptul daca apa este singurul lichid capabil sa indeplineasca acest rol. Ideea ca o forma de viata extraterestra s-ar putea baza pe un alt solvent decat apa a fost luata in serios de catre biochimistul Steven Benner. Solventii alternativi includ amoniacul, acidul sulfuric, formamida, hidrocarburile si, la temperaturi si presiuni mult mai mari decat cele de pe Pamant, azotul lichid sau hidrogenul sub forma de fluid supercritic.

Substantele la o temperatura si o presiune mai mare decat punctul lor critic nu mai prezinta distinctie intre faza lichida si faza gazoasa – acesta este un fluid supercritic.

Cercetarea in spatiu

Orice set de reactii interconectate, compatibile cu un mediu geochimic specific, se pot califica drept punct de plecare pentru un metabolism. Desi este posibil sa existe doar o singura solutie, anume, viata asa cum o stim pe Pamant, nu exista niciun motiv sa credem ca nu pot exista si alte forme de viata total diferite.

Instrumente pentru detectarea vietii au fost initial planificate ca parte a incarcaturii roverului Athena, ce a avut ca destinatie planeta Marte, insa au fost ulterior eliminate. Un instrument de analiza a carbonului a fost livrat de Beagle 2, dar aceasta misiune a esuat. Nici Opportunity si Spirit nu au reusit sa confirme prezenta compusilor organici simpli, chiar daca locatiile pe care le-au vizitat ar fi putut sa contina.

Poate ca satelitul TESS ne va arata ca nu suntem singuri in Univers. Arthur Clarke spunea ca „exista doua posibilitati: fie suntem singuri in Univers fie nu suntem. Ambele sunt la fel de inspaimantatoare”.

Bibliografie:
https://www.nature.com
http://www.nasa.gov
https://en.wikipedia.org
– „The universal nature of biochemistry”. Pace, NR (2001). Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 98 (3): 805–8.
– „The Limits of Organic Life in Planetary Systems” by the National Research Council.
Foto: https://wikimedia.org/

LĂSAȚI UN MESAJ