Ulepione z gliny i prochu

W astronomii często używa się terminów typu „planeta sprzyjająca życiu” albo „strefa zamieszkiwalna”. Pojęcia te definiuje się przy założeniu, że życie pozaziemskie ma pewne kluczowe cechy wspólne z ziemskim. Z punktu widzenia astrobiologii – czyli nauki zajmującej się hipotetycznymi pozaziemskimi formami życia – kluczową sprawą jest wydestylowanie z całości wiedzy biologicznej charakterystycznych cech życia ziemskiego, które stanowią jego „znak rozpoznawczy”. Świętym Graalem astrobiologii jest więc zestaw kryteriów, które nawet z wielkiej odległości odróżniają planetę zamieszkaną przez „życie typu ziemskiego” od planety martwej.

Kosmici tacy jak my
Ziemia, oglądana na tle Układu Słonecznego, posiada kilka wyjątkowych cech, pośród których najczęściej podkreśla się obecność na powierzchni planety dużej ilości ciekłej wody oraz tlenu cząsteczkowego w atmosferze. Inną specjalnością naszej planety jest tektonika płyt, czyli przedziwny taniec częściowo od siebie niezależnych fragmentów skorupy ziemskiej – wszystkie inne ciała skaliste w Układzie Słonecznym pokryte są sztywną, jednolitą, martwą skorupą. Czy współwystępowanie tej „ciekawostki” z innymi szczególnymi zjawiskami ziemskimi to przypadek – pozostaje jedną z wielkich tajemnic nauki.

Rolę wody i tlenu w astrobiologii doskonale podsumowuje „Mapa drogowa astrobiologii NASA” („NASA Astrobiology Roadmap”) – wydany w 2008 r. dokument kreślący teoretyczne ramy procesu poszukiwania życia w kosmosie. Obecność ciekłej wody jest tam wymieniana jako kluczowy czynnik decydujący o możliwości powstania życia. Woda stoi zresztą u podstaw uznanej definicji „strefy zamieszkiwalnej”: jest to (cienka!) strefa wokół danej gwiazdy, w której ilość docierającej z owej gwiazdy energii promieniowania pozwalałaby na występowanie wody w stanie ciekłym. „Wolny” tlen – a więc występujący w postaci O2, a nie np. w cząsteczce wody H2O albo dwutlenku węgla CO2 – wymienia się natomiast jako jedną z kluczowych „biosygnatur” – czyli cech, które pojawiają się w wyniku działania organizmów żywych.
Już na tym etapie można mieć poważne wątpliwości. Jak się wydaje, ok. 700 mln lat temu Ziemia zaznała wyjątkowo silnej epoki lodowcowej i była przez pewien czas niemal całkowicie zamarznięta (tzw. Ziemia-śnieżka, ang. Snowball Earth). Życie miało przetrwać ten okres w warstwie niezamarzniętego oceanu skrytego pod globalną skorupą lodu. Hipotetyczny obserwator przyglądający się Ziemi przez teleskop jako żywo nie uznałby jej za „zamieszkiwalną” według kryteriów NASA.

Wolny tlen jest z kolei obecny w atmosferze Ziemi „dopiero” od ok. 2,3 mld lat, a wszelkie wcześniejsze formy życia były beztlenowe. Gdyby nie szczęśliwa mutacja, która spowodowała, że jedna z żyjących wówczas grup bakterii (przodków dzisiejszych cyjanobakterii) zaczęła jako produkt uboczny emitować tlen, to kto wie, czy dziś nie istniałaby na naszej planecie cywilizacja w pełni beztlenowych inteligentnych istot, dla których tlen stanowiłby śmiertelną truciznę? Istoty tego typu, przyglądając się przez teleskop odległej planecie o tlenowej atmosferze, prawdopodobnie uznałyby to miejsce za toksyczną, niezdatną do zamieszkania pustynię.

Serce z kamienia
Życie ziemskie z chemicznego punktu widzenia zależy od kilku prostych cegiełek: przede wszystkim aminokwasów, cukrów i nukleotydów, których zasadnicza struktura opiera się na atomach węgla. Po złączeniu większej liczby tych cegiełek otrzymuje się zaś kolejno: białka (m.in. enzymy, ale też białka strukturalne, jak kolagen i keratyna), węglowodany (np. skrobia albo celuloza) oraz kwasy nukleinowe (RNA i DNA). Najprostsza wyobrażalna komórka żywa, wciąż zachowująca podobieństwo do znanych nam organizmów, to mikroskopijna kuleczka tłuszczu, wewnątrz której powstaje kilka podstawowych typów białek pod dyktando informacji zakodowanych przez kwasy nukleinowe.

Poszukiwanie alternatywnych form życia można rozpocząć od próby odtworzenia tych elementarnych funkcji komórki przy użyciu kompletnie odmiennego typu cegiełek.

Zadania takiego podjął się Thomas Cairns-Smith, który w latach 80. w książce „Genetic Takeover” przedstawił tzw. hipotezę ewolucji mineralnej. Zgodnie z opisanym tam rozumowaniem związki organiczne są skrajnie mało prawdopodobnymi prekursorami życia – są rzadkie w kosmosie, a ponadto wymagają bardzo szczególnych warunków fizykochemicznych i łatwo ulegają degradacji. Znacznie bardziej interesującymi kandydatami są minerały. Choć kojarzą nam się zwykle ze sztywnymi, niezbyt inteligentnymi kryształkami, to istnieją grupy minerałów o zaskakująco złożonym charakterze.

Uwagę Cairnsa-Smitha przykuły zwłaszcza tzw. minerały ilaste. Po nasączeniu wodą to po prostu glina, stosowana m.in. do tworzenia ceramiki. Porcelana na przykład powstaje na bazie minerału ilastego o nazwie kaolinit.

Minerały ilaste w skali atomowej to delikatne, elastyczne blaszki, zaś w skali mikroskopowej – najróżniejszego typu nitki, włókna, płatki, membrany, kuleczki i ziarenka. Bogactwu ich struktur odpowiada też wielka różnorodność zachowań. Potrafią się skurczać i rozkurczać, zmieniać geometrię, chłonąć i oddawać wodę, wymieniać się jonami, a nawet w szczególnym sensie... rozmnażać.

Otóż płatki niektórych minerałów ilastych potrafią się rozrastać tylko do pewnych rozmiarów, powyżej których przypadkowe ruchy wody skutkują ich rozdarciem na mniejsze fragmenty. Cairns-Smith zaproponował scenariusz, zgodnie z którym w pierwotnym „ciepłym błocie” mogły się wykształcić proste systemy zdolne do przechowywania informacji i reprodukcji, w których kluczową rolę grają nitki i blaszki minerałów ilastych, oplatających kryształki innych minerałów. Tworzyłyby swego rodzaju „żywe błoto”.

Następcą Cairnsa-Smitha na Uniwersytecie w Glasgow jest dziś Lee Cronin, który podejmuje próby wcielania w życie scenariusza ewolucji mineralnej.

„Twierdzę, że wszystkie światy [planetarne] mogą ożywać, tylko robią to w zupełnie inny sposób. We Wszechświecie może istnieć życie oparte na żelazie lub krzemie – a my po prostu nie potrafimy go sobie wyobrazić” – mówił Cronin w wywiadzie dla „The Guardian”.

W prowadzonym przez niego laboratorium o nazwie Cronin Group trwają prace nad wytworzeniem prostych struktur ożywionych, które ze względu na swoją nieorganiczną budowę są w stanie funkcjonować w środowiskach, gdzie znane z Ziemi organizmy żywe nie mogłyby przetrwać.

„Zaczynamy tworzyć komórki nieorganiczne, wewnątrz których zachodzą złożone reakcje chemiczne” – opowiadał Cronin. „Obecnie staramy się sprawić, aby komórki te rozmnażały się i ewoluowały, czyli aby w laboratorium odtworzona została biologia nieorganiczna. Powiedzmy, że pracujemy z tworem, który umiera lub rozkłada się w warunkach bardzo kwaśnych – modyfikujemy więc go, aż jest w nich w stanie przetrwać. Następnie przenosimy go do bardzo gorącego środowiska i sprawiamy, że jest on w stanie przeżyć również i tam. Później trafia do środowiska bardzo zasolonego i sytuacja się powtarza. Po umieszczeniu go w trzech tych środowiskach pod rząd otrzymujemy materiał, który potrafi przetrwać w środowisku bardzo kwaśnym, gorącym i skrajnie zasolonym”.

Żywa sadza
W poszukiwaniu alternatywnych form życia nie trzeba całkowicie porzucać wzorców znanych z Ziemi. Wspomniany „węglocentryzm” życia ziemskiego nie wziął się znikąd. Każdy atom węgla może tworzyć aż cztery odrębne wiązania i z równą swobodą łączy się z kolejnym atomem węgla, co z tlenem, azotem, wodorem czy siarką. Z drugiej strony, chętnie miesza się z żelazem, tworząc stal, albo z krzemem – tworząc węglik krzemu, czyli karborund, jeden z najtwardszych minerałów znanych ludzkości. Węgiel to więc dżoker w chemicznej talii.

Nie powinno zatem dziwić, że znane z biologii związki organiczne nie są jedyną sztuczką, do której zdolny jest ten pierwiastek. Istnieje bogata grupa związków zwanych wielopierścieniowymi węglowodorami aromatycznymi – być może mało przyjaźnie, zatem od angielskiego akronimu PAH nazwijmy je PAH-ami. Należą do nich m.in. toksyczne dla ludzi substancje występujące w dymie papierosowym: antracen, fenantren czy benzopiren. PAH-y są to więc chemiczne składniki sadzy, które w skali atomowej przypominają niewielkie płytki zbudowane z kilku sklejonych ze sobą sześciokątnych pierścieni węglowych.
PAH-y, jak się okazuje, występują obficie w przestrzeni galaktycznej i są jednym z głównych składników pyłu kosmicznego. Pozostawione same sobie, układają się w stosiki. Niekiedy regularne, a kiedy indziej przypominające chaotycznie rozrzucone karty. W latach 90. XX w. powstała tzw. hipoteza „świata PAH”, zgodnie z którą PAH-y stanowiły jeden z pomostów na drodze do życia. Jeden z twórców tej hipotezy, australijski chemik Nicholas Platts, wysunął propozycję, wedle której pierwsze związki chemiczne pełniące funkcję informacyjną, czyli praprzodek DNA, organizowały się właśnie na brzegach PAH-owych stosików.
Ponieważ jednak związki te występują powszechnie w galaktyce, nic nie stoi na przeszkodzie, żeby w innych obszarach kosmosu stanowiły zalążek zupełnie innego typu życia.

– Model świata PAH z pewnością nie przewiduje, że znane z biologii ziemskiej zasady azotowe [z których składa się DNA – red.] są w jakimkolwiek sensie wyjątkowe – mówi Platts w rozmowie z „Tygodnikiem”. – Rolę taką mogą spełniać dowolne małe cząsteczki i nie możemy lekką ręką, czy wręcz z arogancją, wykluczać innych związków zawierających np. siarkę, albo innych płaskich cząsteczek.

Co ciekawe, istnieją w Układzie Słonecznym środowiska, w których występują wyrafinowane sieci reakcji chemicznych oparte właśnie na związkach siarki. Miejscem takim jest powierzchnia Io: gorącego, wulkanicznego satelity Jowisza. Czyżby na Io mogło kwitnąć życie oparte chemicznie na siarce i sadzy?
Platts rozważa jednak nawet bardziej egzotyczne możliwości.

– Potrafię sobie wyobrazić, że to, co astronomowie identyfikują jako „niezidentyfikowane pasma w podczerwieni” [unidentified infrared bands; mowa tu o charakterystycznych „sygnaturach” wykrywanych w przestrzeni międzygwiazdowej, związanych najprawdopodobniej z pewną nieznaną grupą związków węgla – red.], to w rzeczywistości takie właśnie stosiki PAH-ów, stanowiące rusztowanie dla jakichś protogenetycznych oligomerów... – mówi w rozmowie z „TP”. – Choć w niskich temperaturach panujących w tym środowisku wszelkiego typu struktury czy procesy życiowe zachodziłyby w skalach czasowych znacznie dłuższych od tego, do czego przyzwyczaiło nas nasze doświadczenie z układami biologicznymi.

Życie nieziemskie
Wcześniej tak odważne ewentualności, jak formy życia właściwe dla ośrodka międzygwiazdowego, rozważał m.in. astrofizyk Sir Fred Hoyle, który, obok wybitnych prac naukowych na temat procesów jądrowych zachodzących w gwiazdach, napisał również powieść science fiction „The Black Cloud”. Opisywana była w niej myśląca chmura czarnego pyłu galaktycznego. W pewnym momencie nawiązany zostaje kontakt pomiędzy ludźmi a ową inteligentną chmurą. Wyraża ona wtedy zaskoczenie, że życie może powstać w tak dziwnym i niespodziewanym miejscu jak powierzchnia planety... ©

Dr ŁUKASZ LAMŻA jest kosmologiem i popularyzatorem nauki, członkiem Centrum Kopernika Badań Interdyscyplinarnych, redaktorem działu naukowego „TP”. Ostatnio opublikował książkę „Granice kosmosu – granice kosmologii” (CCPress, 2015).