Kroki w nieznane. Tom 4

Andrzej Trepka GNIAZDA ŻYCIA POZA ZIEMIĄ

Egzobiologia przestała być sztuką dla sztuki. Okno na Wszechświat, które na oścież rozwarli pionierzy astronautyki, stawia zagadnienie: gdzie i jakie życie spotkamy poza Ziemią? — w czołówce najdonioślejszych pytań epoki.

Opracowujemy metody nawiązania kontaktu radiowego z pozaziemskimi cywilizacjami, ślemy kierunkowe „porcje informacji” ku wytypowanym gwiazdom — licząc, że na okrążających je planetach mogą się rozwijać psychozoa. Aby nie rozpraszać sił polowaniem na chybił trafił wśród niezliczonych gwiazd Galaktyki — konieczna jest analiza, w jakich środowiskach możemy w ogóle spodziewać się życia.

Coraz częściej astronomowie, omawiając klimat innych planet, ferują ewentualność istnienia tam „życia, jakie znamy”, „życia typu ziemskiego”. Stąd pytanie: czym więc jest życie? Formą istnienia ciał białkowych? Na Ziemi — tak. Gdzie indziej — tylko w wypadku odwrócenia tej definicji; białkiem musielibyśmy wówczas nazwać każdy związek chemiczny tak skomplikowany, że potrafi zrodzić życie, kierować jego metabolizmem oraz wyłonić z siebie substancję spełniającą funkcję matrycy dziedziczności — jak u nas DNA. Przekonywającą definicję dał Isaac Asimov w książce „Life and Energy” (Doubleday, 1962 r.): „Żywy organizm odznacza się zdolnością wytwarzania czasowego i miejscowego spadku entropii za pomocą reakcji katalizowanych enzymatycznie”.

Nie budzi naszego zdziwienia ani różnorodność form życia na Ziemi, ani rozmaitość środowisk, w których ono występuje. Oswoiliśmy się również z tym, że wymarłe gatunki fauny i flory różniły się wyglądem od dzisiejszych. Gdyby nas jednak zrodziła przyroda Marsa, gdzie brak jest otwartych zbiorników wodnych, trudno byłoby nam wyobrazić sobie ryby — zdumiewające stwory opatrzone w skrzela i zdolne oddychać tlenem rozpuszczonym w wodzie. Tak samo przed wynalezieniem mikroskopu nikt nie podejrzewał istnienia bakterii; nawet potem, przez dwieście lat, wydawały się czymś tak dziwacznym, że pasowało do nich przeświadczenie o samorództwie.

Przypuśćmy na chwilę, że jesteśmy mieszkańcami Plutona i bronimy się jak tylko umiemy przed upałami równikowych stref, gdzie Słońce rozpraża powierzchnię globu aż do 250° mrozu (!), przy której nasz płyn ustrojowy — wodór, wrze i uśmierca organizm. Czy wówczas byłby dla nas do pomyślenia świat bujnego życia na Ziemi — planecie zabójczego żaru Słońca, grzejącego tam 1600 razy mocniej?

Kosmicznym cudzoziemcom nasz klimat wyda się potwornie gorący albo przerażająco zimny. Zależy kto nas odwiedzi.

W rozważaniach egzobiologicznych szczególnie ważne są dwa czynniki: chemizm życia oraz temperatura otoczenia. Są one ściśle ze sobą związane. Nasze wyobrażenia o życiu łączymy z koloidami. Przy takim założeniu — pierwiastek lub związek chemiczny, na którym ten koloid się opiera, musi być płynny przynajmniej w obrębie organizmu. Wykluczone jest życie zwierzęcia (na Ziemi) wówczas, gdy woda w jego tkankach zamieni się w lód albo w parę. Stałocieplność ssaków i ptaków umożliwia im wprawdzie przebywanie na mrozie — ale w ustroju żywym woda pozostaje cieczą, więc nic się nie zmienia.

Rozpowszechnił się pogląd, że woda to jakaś substancja wyjątkowa. Dopatrywano się w niej cudownego panaceum życia. Tymczasem jest odwrotnie: otóż życie powstałe w wodzie musiało się przystosować do jej właściwości.

Na Ziemi woda stanowi warunek niezbędny dla powstania i rozwoju życia. Potocznie przypisuje się tę rolę tlenowi. To opinia uproszczona. Scenerią narodzin życia była atmosfera pozbawiona tlenu; dopiero reakcje przemiany materii drobnoustrojów wyzwoliły ten gaz. Wiele ‘mikroorganizmów może obyć się bez tlenu; dla niektórych (anaeroby) jest on wręcz trujący. Natomiast żadna forma ziemskiego życia nie zniesie zupełnie braku wilgoci.

Woda wprawdzie stanowi tylko tło życia, ale tło niezastąpione (wciąż mowa o biosferze Ziemi). Osocze naszej krwi jest prawie nie do odróżnienia od wody morskiej — w której powstały najwcześniejsze praorganizmy. Może to być bardziej ogólna prawidłowość: płyn ustrojowy opiera się na tej substancji, z której wystartowało życie.

Dlaczego u nas nieodzowna jest do życia właśnie woda? P Współczesna biologia odpowiada bez wahań: dlatego, że przy temperaturach panujących na Ziemi żadna inna ciecz nie nadaje się lepiej do tego celu. Nadto ziemskie oceany są wypełnione wodą, a nie amoniakiem bądź ropą naftową. Życie powstaje w tym, czego jest pod dostatkiem.

Z braku kryteriów porównawczych, problem środowisk, w jakich życie może się rozwijać, jest polem naukowych spekulacji. Nie są one jednak jałowe. Zwłaszcza osiągnięcia biochemii, odkrycie roli kwasów nukleinowych jako kodu dziedziczności i pewne pojęcie o samoorganizacji na najniższym, molekularnym szczeblu — pozwalają ekstrapolować modele życia białkowego na inne, hipotetyczne struktury, zespolone ze specyfiką przyrody rozmaitych planet.

Jak wszystko, co nie jest dostatecznie uściślone — wizje królestw życia przechodzą różne mody. Kilkanaście lat temu okrzyknięto krzem pierwiastkiem „innego” życia. Usiłowano nawet zastępować nim węgiel, w ogóle rugując ten ostatni z tak pomyślanych organizmów — co jest ryzykowne. Ostatnio przyszła moda na amoniak. Zaroiło się od publikacji wykazujących, że skoro Mars jest martwą pustynią (w związku z coraz mniej zachęcającymi wynikami badań tamtejszych warunków), Wenus także (zbyt gorąco) w planetach-olbrzymach.

W ten sposób zajrzano — moim zdaniem wyrywkowo — do dwóch „okienek” temperaturowych, wybierając związki chemiczne mogące służyć dostosowanym do nich formom życia.

Da się stworzyć obraz odwrotny: pewnego ciągu, od temperatur niskich ku wysokim, poprzerywanego „okienkami azoicznymi”. Każde z nich stanowi „strefę cienia”, w której zimniejszy płyn już wyparował, a cieplejszy jeszcze nie roztajał. Zresztą nie muszą to być regiony całkowicie martwe: mogą na nie zachodzić, przynajmniej częściowo lub w ograniczonym stopniu, formy życia sąsiadujące z nimi. Np. najbliższa naszemu środowisku „strefa cienia” rozciąga się od 0 °C (punkt marznięcia wody) do -33 °C (punkt wrzenia amoniaku). Jednak ziemskie życie wytrzymuje ten przedział bądź w stanie anabiozy, bądź nawet aktywnie (ssaki i ptaki). Życiu ze środowiska amoniakalnego przypuszczalnie trudniej byłoby sięgnąć wzwyż, tak jak białkowcy nie przekraczają pułapu wrzenia wody. Prawdopodobnie natomiast istoty amoniakalne, wytworzywszy stałocieplność, dobrze znosiłyby właściwe sobie „mrozy” poczynając od -78 °C (zestalanie się amoniaku) — być może aż do dna „strefy cienia”, tj. -162 °C (punkt wrzenia metanu).

Współczesna nauka nie jest w stanie podać rozpiętości granic, w jakich życie potrafi prosperować. Nie umiemy ustosunkować się do takich ekstremów fantastycznych wizji, jak organizmy falowe, polowe, żyjące obłoki pyłu kosmicznego itp. Twierdzenie, że one istnieją, jest na pewno nienaukowe. Ale tak samo nieuzasadnione byłoby stawianie tamy możliwościom przyrody — bo znamy je w sposób niepełny i przymierzamy do warunków współbrzmiących z naszym światem. Najłatwiejsze wydaje się określenie temperatur, w których życie „już” albo „jeszcze” jest do pomyślenia. Mamy tu przynajmniej jakiś punkt zaczepienia, choć tylko z jednego krańca drogi: to zero bezwzględne — bariera nieprzekraczalna, bo dopiero począwszy od niej zaczyna się ruch cząsteczek, a więc ciepło.

Zakres temperatur możliwych, lub realnie istniejących, jest kolosalny. Pobieżne spojrzenie sugeruje, że teoretycznie górną granicę stanowi skrajne zbliżenie się intensywności ruchu termicznego elementarnych cząstek do prędkości światła. Ponieważ jednak w fizyce Einsteinowskiej masa ciała wzrasta przy prędkościach relatywistycznych, zmierzając ku nieskończoności — nie istnieje szczyt gorąca. Praktycznie zaś, taką granicą jest 6 miliardów stopni. Skoro wnętrze gwiazdy osiągnie tę temperaturę, wybucha ono jako Supernowa.

Stojąc na gruncie życia choćby o tyle zbliżonego do ziemskiego, że mają je warunkować koloidalne struktury — nie możemy wspinać się ku szaleństwom gwiezdnych żarów, gdzie nie tylko nie utrzymają się żadne związki chemiczne, ale nawet atomy zmieniają swój „ubiór” miliony razy na sekundę. Przy takim założeniu pułap scenerii życia nie powinien przekroczyć kilkuset stopni Celsjusza.

Poniższa tabela prezentuje najbardziej prawdopodobne płynne osnowy życia w przytoczonym zakresie temperaturowym:

Warto zwrócić uwagę, że w dowolnie wybranej temperaturze tylko jedna z tych pięciu substancji będzie cieczą.

Wkraczając w coraz cieplejsze regiony — rozszerza się przedział pozostawania danego ciała w stanie płynnym. Gdy sięgniemy jeszcze gorętszego pułapu, ten zakres procentowo zmów zacznie maleć. Zbyt pochopne byłoby jednak wnioskowanie, iż życie powinno osiągnąć pełnię swej bujności w siarce, na drugim miejscu w wodzie, a zimniejsze ciecze są mniej przydatne do tego celu. Niezależnie od innych subtelności, nieraz jeszcze nie odkrytych — wszelkie reakcje w niskich temperaturach przebiegają powolnie, co łagodzi te dysproporcje. Trzeba zauważyć, że na planetach zimnych (typu Plutona) — wahania temperatur, dobowe i roczne, są bez porównania mniejsze niż na globach silnie nagrzewanych przez swoją gwiazdę-słońce.

Nasuwa się pytanie: dlaczego pięć substancji wyróżniłem spośród wielu innych, które w omawianym przedziale temperatur także występują jako ciecze?

Zacznijmy od dolnej granicy. Wydaje się logiczne, że przy zerze absolutnym wszystko stwardnieje z kretesem. Tymczasem wyjątek stanowi hel: pod ciśnieniem atmosferycznym wprawdzie skrapla się przy 4,2° K, ale w ogóle się nie zestala. Chociaż w uproszczeniu podaje się, że przy zerze bezwzględnym ustaje wszelki ruch termiczny — mechanika kwantowa uzasadnia istnienie tam szczątkowego ruchu atomów. To wystarczy, aby utrzymać hel w stanie ciekłym.

Czy mógłby on stanowić ten najniższy, najzimniejszy poziom życia? Nie. Gazy szlachetne trzeba tu wykluczyć. Wprawdzie w 1962 r. udowodniono, że krypton, ksenon i radon ulegają pewnym reakcjom chemicznym ale to w naszym przypadku jest bez znaczenia.

Zbyt dużo miejsca zajęłyby rozważania, dlaczego powstanie życia opartego na innych pierwiastkach, bądź związkach chemicznych, jest niemożliwe lub bardzo wątpliwe. Poprzestanę ma uzasadnieniu, że w „recepturze życia” te pięć substancji dobrze pasuje na płyn ustrojowy.

Mimo tak różnorodnej panoramy hipotetycznych biosfer, jakie prezentuję — nie wykraczam poza struktury oparte na węglu. Szczególna właściwość kreuje go bowiem na najznakomitszą osnowę tkanek organizmów żywych: zdolność sczepiania długich atomowych łańcuchów i pierścieni, dzięki czemu mogą powstawać takie cząsteczki-olbrzymy jak białka, składające się nawet z milionów atomów. Pod tym względem najbardziej podobnymi pierwiastkami są bór i krzem, które nie rokują wielkich nadziei na podstawowe tworzywo komórek pozbawionych węgla (bór nigdzie nie występuje dość obficie, o krzemie zaś będzie jeszcze mowa).

Cztery pierwsze pozycje w tabeli (wodór, metan, amoniak i woda) mogą być tłem dla życia opartego na związkach tego typu, jakie występują w tkankach ziemskich żywych organizmów — chociaż z istotnymi modyfikacjami.

Istnieje wzgląd, który nakazuje zaliczyć do jednej wspólnej grupy struktury odpowiednie dla życia w środowisku wodoru i metanu, a do drugiej — w amoniaku oraz w wodzie. Chodzi o to, że woda reprezentuje substancje polarne — ładunki elektryczne w jej cząsteczkach są rozłożone niesymetrycznie. Polarny jest również amoniak, a niepolarne — metan i wodór.

Ciecze polarne rozpuszczają wyłącznie inne ciała polarne i odwrotnie. Dlatego w wodzie (i w amoniaku) rozpuszczają się białka, kwasy nukleinowe, także cukier, sól — ale nie lipidy (tłuszcze i oleje). Te rozpuszczają się za to w wodorze i w metanie.

Przystańmy w miejscu tabeli, gdzie czujemy się na swoim podwórku: w królestwie wody. Potem zejdziemy w mroźniejsze regiony, a na zakończenie przyjrzymy się krainom świecącego żaru.

W państwie wody — „życie jest formą istnienia ciał białkowych”, jak to stwierdził Engels. Przez nadchodzące stulecia chyba niczego nie dorzucimy do tego poglądu: zbyt gruntownie znamy chemizm różnorodnych procesów realnych w środowisku wodnym, aby się nagle okazało, że mogą tam powstawać jakieś wielkocząsteczkowe koloidy nie oparte na kombinacjach węgla z wodorem, tlenem i azotem. Wprawdzie z dwudziestu aminokwasów dałoby się stworzyć znacznie więcej rodzajów odrębnych białek niż ilość atomów w obszarze Wszechświata dostępnym naszym obserwacjom. Wyobraźmy też sobie bogatą kolekcję nieznanych odmian aminokwasów. Będą to wciąż jednak białka w ścisłym tego słowa znaczeniu.

Współczesne badania biochemiczne nie znajdują podstaw do przypuszczeń, że amoniak mniej nadaje się na płyn ustrojowy aniżeli woda. Zdaniem wybitnego autorytetu egzobiologii, radzieckiego astronoma J.S. Szkłowskiego — „w oparciu o amoniak można zbudować analogony «zwykłych» aminokwasów, a następnie dowolnie złożone odpowiedniki wszystkich możliwych związków białkowych”. Dalej Szkłowski stwierdza bez niedomówień: „Zupełnie prawdopodobne jest występowanie «amoniakalnych» analogonów kwasów nukleinowych, puryn i pirydyn. Całkiem możliwe są też «amoniakalne» analogony DNA i RNA z właściwym dla nich kodem dziedziczności.” („Wszechświat, życie, myśl”, PWN 1965, str. 241). Woda tylko dlatego wydaje się nam sposobniejsza do tej roli — bo życie „wodne” znamy, „amoniakalne” zaś pozostanie hipotezą do czasu odkrycia go na Jowiszu lub gdzie indziej.

W środowisku amoniakalnym, odpowiednikiem utleniania jest przyłączanie jonów azotowych lub azotowo-wodorowych, a końcowym produktem przemiany materii — amoniak i cyjan (zamiast wody i dwutlenku węgla). A więc organizmy amoniakalne, o ile istnieją — piją amoniak i oddychają azotem. Reakcje życiowe bynajmniej nie muszą się opierać na spalaniu tlenu.

Tlen i azot decydują o polarności cząsteczki białka. Stąd przewaga azotu w „białku amoniakalnym” niczego nie zmienia: pozostaje ono w dalszym ciągu polarne i rozpuszcza się w amoniaku.

Schodząc niżej po szczeblach zimna, kandydatem na płyn ustrojowy jest metan, a dolnym kresem wszelkich możliwości — wodór.

Rozważania o życiu w metanie lub wodorze już na początku natrafiają na zasadniczą trudność: obie te ciecze są niepolarne.

W kręgu znanych nam substancji, odgrywających istotną rolę w ciele zwierząt i roślin, niepolarne są lipidy. Czy one mogą stanowić fundamentalny budulec żyjących układów, zastępując białka i kwasy nukleinowe? Wydaje się, że tak. Dysponujemy empirycznym dowodem, że w pewnych wypadkach osiągają wyjątkową złożoność: w ludzkim mózgu występują tłuszczowe cząsteczki-olbrzymy, których rola dotąd nie została wyjaśniona.

Ta szansa jest zasługą zawartości atomów węgla, zawsze skorych do tworzenia dowolnie długich łańcuchów. Póki nie stwierdzimy, że gdzieś w Kosmosie kwitnie życie oparte na innym pierwiastku, mamy prawo nazywać węgiel jedynym swoistym „eliksirem życia”. To nie jest ciasny krąg możliwości: umiejętność łączenia się atomów węgla z innymi atomami w skomplikowane związki organiczne sprawia, że białka, jakie znamy, są zapewne tylko jednym z wariantów — próbka dostosowaną do fizykochemicznych warunków planet typu Ziemi.

Dosięgliśmy prawie dna zimna. Nawet w tak szokującym otoczeniu, o życiu mogą decydować substancje zupełnie swojskie, zbliżone do znanych nam tłuszczów.

W miarę tego, jak przenosimy się w strefy gorąca — portret zatraca znajome rysy. To dlatego, że koloidy ziemskich organizmów ulegają szybkiemu rozpadowi już we wrzącej wodzie.

Umówiliśmy się w tych rozważaniach, by ograniczyć poszukiwania form życia do związków węgla. Trzeba pomyśleć, jakie kombinacje jego atomów z innymi pierwiastkami dadzą struktury dostatecznie trwałe w wysokich temperaturach, by nie ulec zniszczeniu, zarazem wystarczająco nietrwałe dla nieustannego przebiegu metabolizmu.

Na globach gorących związki wodoru musiały się rozpaść, a on sam ulotnić w przestrzenie międzyplanetarne. Tymczasem zastąpienie wodoru natrafia na poważną trudność: jego atom jest najmniejszy ze wszystkich. To sprawia, że każdy łańcuch węglowy, dowolnie skomplikowany, może się ciasno otoczyć atomami wodoru.

Temu zadaniu podoła jeszcze tylko jeden pierwiastek: fluor. Od dawna o tym wiedziano, ale w tamtych czasach egzobiologią (jeszcze bezimienną) zarządzali fantaści, a uczeni niechętnie eksperymentowali z fluorem, gdyż odstręczała jego wybuchowa aktywność. Chemie fluoru opracowano dopiero podczas drugiej wojny światowej w związku z badaniami nad sześciofluorkiem uranu, nieodzownym przy produkcji bomb atomowych.

Wtedy poznano grupę węglofluorów pod wieloma względami przypominających węglowodory. Daleko im do przejawiania „elastyczności” i uniwersalności białek. Nie wynika to z „gorszych” właściwości fluoru, tylko z zadań, jakie chemia fluoroorganiczna stawia przed sobą. Podobne do nich takie związki wodoroorganiczne jak polietylen czy polistyren także nie naprowadziłyby przybyszów z obcych nam warunków biochemicznych na myśl, że istnieją połączenia węgla z wodorem przydatne dla konstruowania żywych organizmów.

Fluoroproteiny (tak chyba nazwiemy dotąd nie poznane „białka fluorowe”) w ziemskich temperaturach przejawiałyby znikomą aktywność. Natomiast na planetach typu Wenus przypuszczalnie byłyby zdolne podtrzymywać procesy życiowe nie gorzej niż białka w naszym kręgu biosferycznym.

Inną możliwością jest wprzęgnięcie w służbę „gorącego” życia atomów krzemu. Jak wspomniałem, przed kilkunastu laty modne było fantazjowanie o krzemoorganicznych potworach z Merkurego (wtedy Wenus wydawała się dla nich zbyt zimna). „Białko krzemowe” na ogół wyobrażano sobie jako wielkocząsteczkowe związki, w których węgiel został zastąpiony krzemem.

Ponieważ krzem jest czterowartościowy (tak samo jak węgiel), rzeczywiście łączy się on z wodorem dając silany, które tworzą długie łańcuchy w obrębie skał i znoszą temperaturę czerwonego żaru. Atomy krzemu występują tam na przemian z atomami tlenu i są obudowane ze wszystkich stron atomami wodoru. Jednak te związki wydają się mieć strukturę za mało subtelną, aby ewoluując w jakichkolwiek warunkach zdołały osiągnąć szczebel życia.

Warto rozważyć efekt zastąpienia atomami krzemu dwóch spośród czterech obecnych w tym łańcuchu atomów tlenu, z przyczepionymi tak samo atomami wodoru: otrzymamy silikony, odgrywające coraz donioślejszą rolę w przemyśle tworzyw sztucznych.

Właśnie tu można poszukiwać wielkiej szansy krzemu. Wydaje się, że na planetach gorących silikony, raz powstałe, w ciągu miliardów lat potrafią tak skomplikować swoją budowę, aby spełnić rolę, jaka na Ziemi przypadła białku. Jeśli krzem jest gdzieś we Wszechświecie budulcem życia, to chyba nie zamiast węgla, lecz w połączeniu z nim.

Nasuwa się jeszcze inny obraz. A gdyby wprowadzić pewną korekturę: atomy wodoru zastąpić atomami fluoru? Przyroda mogła zrealizować takie zadanie. Jest ono logiczne z dwóch względów: w klimacie gorących światów brakuje wodoru, a ponadto fluor daje większą plastyczność takim strukturom.

Pominęliśmy dotąd sprawę płynu ustrojowego domniemanych organizmów węglofluorowych, silikonowych bądź fluorosilikonowych. W czym to gorące życie się kąpie — dosłownie i w przenośni?

Wśród cieczy pasujących do węglofluorowych koloidów, na pierwszy plan wysuwa się siarka. Aktywna, w ilościach śladowych wchodząca w skład ziemskich organizmów, może być tłem życia tam, gdzie poprzednio omówione ciecze zamieniły się w gaz. Płynna już nieznacznie powyżej punktu wrzenia wody — pozostaje nią w trzystustopniowym przedziale rozpiętości, mogąc towarzyszyć takim roztopionym metalom, jak ołów i cynk. W skwarze planet typu Wenus powinna być jednym z dominujących pierwiastków. Na pospolitość siarki we Wszechświecie wskazuje jej udział w meteorytach: np. chondryty węglowe zawierają przeważnie od 6 do 14 % siarczku żelaza, a jest tam także siarka w stanie wolnym oraz związana w postaci siarczanów i węglowodorów.

Struktury silikonowe bądź fluorosilikonowe — w których również siarka musi występować w pokaźnych ilościach mogą pływać w olejach krzemoorganicznych o własnościach odpowiednich dla życia bytującego w wysokich temperaturach, nawet przekraczających punkt wrzenia siarki (445 °C). Czy dotarliśmy do kresu temperatur dogodnych dla rozwoju życia? Chyba nie. Jednak sięgając wzwyż, tracimy mocny grunt pod stopami. Rozważania stają się coraz bardziej niepewne, drogi wyboru coraz mniej jednoznaczne, widnokrąg rozszerza się i przesłania go mgła fantazji. Możemy być przekonani, że jeśli istnieje gdziekolwiek życie w temperaturze 255 stopni mrozu — to pływa ono w wodorze; w naszych warunkach prawie na pewno jedyną jego szansę stanowią białka zanurzone w wodzie. Natomiast, o ile jakieś istoty bytują w 600 stopniach upału, możliwości jest wiele i wszystkie wydają się nam mocno wątpliwe — zapewne dlatego, że dotychczas nie przeprowadza się odpowiednich badań laboratoryjnych. Byłyby to w ścisłym znaczeniu eksperymenty egzobiochemiczne, a ta gałąź wiedzy dopiero oczekuje swoich narodzin.