Poza ziemską biologią

Dzisiejszy tekst poświęcę ksenobiologii. Nie chce mi się definiować tego terminu, więc wulgarnie skopiuję definicję z Wikipedii.

Astrobiologia (egzobiologia, kosmobiologia, ksenobiologia) - dziedzina nauki zajmująca się powstaniem, ewolucją, rozpowszechnieniem i przyszłością życia poza Ziemią. Ponieważ dotychczas nie wykryto w kosmosie życia, które nie pochodziłoby z Ziemi, astrobiologia skupia się na badaniach, które mogą zwiększyć szanse jego wykrycia. Bada możliwości przetrwania żywych organizmów w ekstremalnych warunkach, weryfikuje hipotezy dotyczące powstania życia na Ziemi, poszukuje miejsc, w których mogłoby rozwijać się życie w Układzie Słonecznym i poza nim oraz rozwija techniki pozwalające wykryć życie za pomocą obserwacji astronomicznych.
Myślę, że większość z czytelników wie co nieco o biologii komórki, ale na wszelki wypadek zrobię szybkie wprowadzenie.
Komórka jest zbudowana chemicznie z:
- lipidów - które budują błony komórkowe
- cukrów
- białek - które są budulcami wielu elementów komórki, katalizatorami reakcji,
-* kwasów nukleinowych - które przenoszą informację o budowie białek + służą jako substraty w kilku reakcjach
- wody z rozpuszczonymi solami.
Na poziomie organizacji najważniejsze elementy komórki to:
- DNA (u eukariontów osadzone w jądrze komórkowym, u prokariontów zawieszone w cytoplazmie)
- błona komórkowa (i zwykle też ściana komórkowa)
- rybosomów
Odpowiednio:
- element determinujący cechy komórki
- element ochraniający wnętrze komórki
- element pozwalający na syntezę budulców.


Budowa komórki bakterii.

Analiza niezbędnych dostosowań

Element determinujący cechy:
* musi być jednoznaczny (albo w każdej komórce będą pojawiać się śmiertelne mutacje)
* musi posiadać możliwość wiernej replikacji (niezbędne, by życie się rozmnażało)
* musi posiadać możliwość bycia naprawianym (nawet jeśli życie powstanie, szybko by zniknęło w innym wypadku)
* musi posiadać możliwości organizacji w kompleksy względnie trudne do uszkodzenia.
Element ochraniający wnętrze komórki:
* musi być nierozpuszczalny w lokalnych płynach.
* musi być częściowo przepuszczalny, by prowadzić wymianę gazową, czy pobierać pokarm.
Element pozwalający na syntezę budolców:
* musi być możliwość jest pozyskiwania lub syntezy z budulców.
Budulce:
* muszą tworzyć miliardy możliwych związków - niezbędne, by zaistniała porządna ewolucja
* powinny być liniowe (trudno wyobrazić sobie ewolucję innego systemu produkcji białek)
* powinny być względnie niereaktywne
* powinny być rozpuszczalne w lokalnym płynie komórkowym (lub nierozpuszczalne, zależnie od potrzeby).

Co trzeba robić, by żyć?

Cóż, chyba wszystkie definicje życia zakładają, że życie:
- rozmnaża się
- pobiera pokarm lub energię
- wykazuje pewną zmienność

Jaką chemię wybrać?

Wszechświat obfituje w planety. Możemy wybrać sobie od podobnych do Merkurego - spalonych słońcem (BTW świetny film Michałkowa, polecam) skalistych, pozbawionych atmosfery planetek, przez zimne gazowe olbrzymy na skraju, aż do gorących Jowiszy - olbrzym kul gazu, orbitujących niemal tuż nad powierzchnią gwiazdy.

Artystyczna wizja planety typu gorący Jowisz.

Węgiel

Węgiel jest bazą dla życia, jakie znamy. Tworzy cząsteczki mające miliony atomów
Lipidy są nierozpuszczalne, niektóre białka są, tworzy pierścienie, w tym heterocykliczne, setki grup funkcyjnych.
Dodatkowymi zaletami są:
* powszechne występowanie
* reakcja przyłączenia tlenu do węgla wydziela dużo energii i zachodzi łatwo
* CO2 jest gazem, rozpuszczalnym w płynach


Białko niezbędne do transformacji galaktozy, cukru pochodzącego m. in. z trawienia mleka, do glukozy.

Krzem.

W fantastyce naukowej krzem to najbardziej popularna alternatywna chemia.
Niestety, niewielu naukowców traktuje go na poważnie.

Podstawowymi wadami krzemu i jego związków są:
* nierozpuszczalność w wodzie i niemal każdym prostym.
* proste związki krzemu to albo gęste płyny. Te bardziej skomplikowane to ciała stałe.
* niestabilność dużych związków
* bardzo łatwo się wytrącają, nawet gdy zostały rozpuszczone
* reakcje wytwarzające jakiekolwiek są silnie endoenergetyczne.
Przy czym to wymaga komentarza. Jeśli zostawimy w próbówce trochę rozpuszczonych związków węgla, amoniak itd., dodamy jakieś źródło energii (np. lekkie podgrzewanie, wyładowania elektryczne, czy coś takiego), to za kilka tygodni będziemy mieć
pełno aminokwasów, oligopeptydów, kwasów karboksylowych itd.
Jeśli zrobimy to samo z krzemem... Prawdopodobnie nic się nie zmieni - w przypadku krzemu powstawanie bardziej zaawansowanych związków wymaga bardzo dużych ilości energii.
* SiO2 jest ciałem stałym.
Oddychanie tlenem, praktycznie najwydajniejsza forma oddychania, jest niemożliwe lub skrajnie utrudnione.

Związek krzemu. Łał.

Fosfor i siarka (jako podstawa białek)

Te pierwiastki mogą tworzyć nawet bardzo duże struktury... Posiadają one jednak pewną wadę - są stabilne dopiero pod olbrzymim ciśnieniem i wysoką temperaturą. W warunkach, w których nie są stabilne raczej inne wiązania, co sprawia, że o ile duże kompleksy, często rozgałęzione, mogą powstawać, to nie ma się tam nawet co przyłączać.

Siarka S8.

Siarka (jako analog tlenu)

I to jest naprawdę przyzwoity kandydat na alternatywną biologię.
Siarka łączy się z wodorem tworząc rozpuszczalny w wodzie gaz.
Nie jest to jednak tak naprawdę alternatywna biologia - oddychanie tlenem jest wynalazkiem stosunkowo młodym, wcześniej były wykorzystywane inne formy oddychania beztlenowego.
Siarką oddychają też współczesne organizmy - są to bakterie z rzędu Desulfuromonadales. Oddychają one... Właściwie, wszystkim, co może przyjmować elektrony - siarką, azotanami, jonami uranu, żelaza, kobaltu... Przyjmuje elektrony? UŻYJMY TEGO.

Czyli co nam zostaje?

Chyba tylko węgiel i woda. Z dodatkiem fosforu, azotu i wielu innych pierwiastków.
Oczywiście, w teorii jest możliwe, że istnieją związki krzemu stabilne w jakichś dziwnych warunkach... Niestety, nie ma żadnych przesłanek na rzecz istnienia takich.

OK. Twierdzisz, że życie musi być oparte na węglu i podobnych substancjach, co występujące w naszych ciałach. Czym się będzie różniło?

Sądzę, że życie pozaziemskie będzie korzystało z informacji genetycznej w postaci kwasów nukleinowych, białkach jako enzymach i szkieletach, lipidach lub białkach jako błonie komórkowej i cukrach jako podstawowym źródle energii.

Co zostawia nam olbrzymie pole do spekulacji na temat wyglądu tego życia.
Znamy ponad 150 aminokwasów występujących w przyrodzie... I wiemy, że mogą istnieć ich dziesiątki tysięcy.
Znamy też kilkadziesiąt zasad azotowych zdatnych do użycia w DNA lub RNA.
Podstawowym cukrem nie musi być glukoza - mogą to być fruktoza, galaktoza, maltoza lub wiele innych.

Tialazyna - trujący analog lizyny.

Ksantyna - przykładowy nukleozyd.

Zakładając, że kod genetyczny może mieć 3 lub 4 nukleotydy w kodonie, 2-8 różnych zasad, które mogą kodować 20-50 aminokwasów (wartości są zdroworozsądkowe, nie wynikiem obliczeń)...
OK, liczba możliwych kombinacji kodu genetycznego jest absurdalnie wielka.
Nawet liczba możliwych przyporządkowań 20 aminokwasów + sygnałów STOP i START, do 64 możliwych kodonów to...
Uh, oh, dr West. Dobra. Załóżmy 22 kodony, 22 sygnały. Liczba, która nam wychodzi to 22!=1124000727777607680000 kombinacji.
A zostały nam jeszcze 42 sygnały do przyporządkowania (bo mogą się powtarzać)...

Jak widzimy, liczba możliwych kombinacji jest szalenie wysoka, to, że życie pozaziemskie opierałoby się na podobnych zasadach, nie oznacza, że byłoby w jakikolwiek kompatybilne biochemicznie z naszym.

Czemu akurat białka? Cóż, wiązanie peptydowe, powstające między aminokwasami, jest względnie trwałe, powstaje spontanicznie, a same aminokwasy, mimo posiadania takich samych końcówek (inżynierom i majsterkowiczom zalecam się zastanowić, jak bardzo jest to przydatne przy składaniu białek), bardzo różnią się właściwościami.


Fragment białka z zaznaczonym na niebiesko wiązaniem peptydowym.

Lipidy (i ogólniej - tłuszcze) mają pewną naturalną właściwość - niejako domyślnie tworzą kropelki - hydrofobowe długie łańcuchy węglowe skierowane są na zewnątrz. Do tego są trudno rozpuszczalne także w innych związkach. Trudno znaleźć coś o podobnych właściwościach.


Łańcuchy węglowe starają się unikać kontaktu z wodą - tworząc warstwy.

Czemu akurat kwasy nukleinowe? Tutaj w sumie nie widzę lepszej propozycji - nie znamy żadnego związku, który miałby podobne właściwości. Możliwe, że istnieją takie białka, zdolne do samoreplikacji - ale takich nie znamy.

Wielokomórkowce

Wielu naukowców skłania się ku hipotezie, że wszechświat jest pełen życia... Jednokomórkowego.
Prawdopodobnie życie na Ziemi pojawiło się około 3.8 miliarda lat temu... I dopiero 800 milionów lat temu powstały pierwsze organizmy wielokomórkowe.
Zwróćmy uwagę, że istnieje wiele jednokomórkowych eukariontów... Istnieje też bardzo wiele owadów itd. Ale organizmów kilkukomórkowych jest względnie mało w stosunku do większych i mniejszych.
Jakie z tego wnioski płyną...?

Rośliny

Myślę, że autotrofy obcego życia prawdopodobnie będą posiadać kolor dostosowany do lokalnego słońca i atmosfery. Co ciekawe, nie istnieją czarne barwniki fotosyntetyczne, co wskazuje, że z jakichś powodów nie jest to optymalne.

Pewnie też drzewa - tę formę przyjmują niezależnie wszystkie rośliny, które zdobyły dominację w środowisku.


Chloroplasty. Źródło.

Zwierzęta

Jak wyglądałyby zwierzęta obcych światów?
Niestety, muszę rozczarować fantastów. Jak dowodzi przykład Ziemi, ewolucja lubi konwergencję.

Dwa gatunki ssaków, rozdzielone od siebie przed 125 milionami lat (są ze sobą dalej spokrewnione niż człowiek i waleń) - w czasach współczesnych niemal identyczne.
źródło grafiki.

Wydaje się więc, że jeśli planeta przypominałaby Ziemię - gatunki byłyby podobne.

A może egzoszkielety i owadowate?

Egzoszkielety są zbyt malo wytrzymałe, by utrzymać duże zwierzę. W teorii jest możliwe osiągnięcie przez istoty podobne do owadów sporych rozmiarów - jednak

Ile tych kończyn?

Liczbą optymalną są cztery dla endoszkieletu. Czemu? Zwierzę musi posiadać jakąś osłonę narządów wewnętrznych - żebra. Jedna para nóg to za mało na początek. Trudno mi wyobrazić sobie ewolucję sześcionożnego zwierzęcia - jak to wyglądałoby? Jak długie musiałoby być zwierzę?

Dziesiątki paszczy na całym ciele...?

Utrzymanie każdej paszczy to konieczność mycia zębów, wykształcenia ich, utrzymywania dodatkowego przełyk, mięśni itd. A jak często np. wilkowi przydałaby się dodatkowa paszcza?

Zielona skóra?

Może być, czemu nie?

A jak szukać życia poza Ziemią?

Najprostszą metodą jest szukanie śladów widmowych tlenu w świetle przechodzącym przez atmosferę planety. Ale na to trzeba znacznie lepszych teleskopów niż mamy.

Ewentualnie, można szukać też przez próbki, wykrywanie śladów węgla, pewnych cząsteczek w atmosferze, czy widm magnezu (występującego w chloroplastach).

Potencjalne miejsca w Układzie Słonecznym...?

• Wenus - za gorąco jak na życie oparte na węglu i wodzie.
• Ziemia - życie obecne, cały czas nie odkryto życia inteligentnego.
• Mars - myślę, że niskie ciśnienie, niskie nasłonecznienie i niemal ciągle ujemna temperatura uniemożliwiają istnienie życia.
• Europa - ciepło, gruba warstwa lodu... Jednak nie wiemy, czy istnieją tam gorące źródła, które trwają na tyle długo, by życie powstało.
• Tytan - życie w jeziorach węglowodorów? Jakoś nie wierzę.

Zobacz też:
- Ciekawostki o genetyce molekularnej.
- Poza dziedziczenie jądrowe.