Przez dziesięciolecia poszukiwanie życia poza Ziemią opierało się na jednej, niezmiennej zasadzie: „podążaj za wodą”. To właśnie woda w stanie ciekłym wyznaczała granice tzw. ekosfery, czyli strefy wokół gwiazd, w której teoretycznie mogą panować warunki sprzyjające powstaniu biologicznych form życia. Jednak najnowsza praca naukowa przygotowana przez zespół badaczy z Massachusetts Institute of Technology (MIT), pod przewodnictwem prof. Sary Seager, oraz naukowców z Uniwersytetu w Cardiff, rzuca zupełnie nowe światło na ten fundament astrobiologii. Badacze sugerują, że życie może nie potrzebować wody, by ewoluować, a jego nowym „rozpuszczalnikiem uniwersalnym” mogą stać się egzotyczne substancje – ciecze jonowe (ILs) oraz głębokie rozpuszczalniki eutektyczne (DES).
Zamiast szukać błękitnych planet przypominających Ziemię, naukowcy proponują, byśmy przyjrzeli się światom, które dotychczas uznawaliśmy za zbyt gorące, zbyt zimne lub zbyt jałowe. Kluczem do zrozumienia tej teorii są unikalne właściwości fizykochemiczne cieczy jonowych. Są to w uproszczeniu sole, które pozostają w fazie ciekłej w zaskakująco niskich temperaturach – zazwyczaj poniżej 100 stopni Celsjusza. Z kolei głębokie rozpuszczalniki eutektyczne to mieszaniny związków, których punkt topnienia jest znacznie niższy niż któregokolwiek z ich oddzielnych składników. Te specyficzne substancje są spajane siłami elektrostatycznymi, takimi jak wiązania wodorowe czy oddziaływania van der Waalsa, co czyni je niezwykle odpornymi na ekstremalne warunki środowiskowe.
Z punktu widzenia astrobiologii najważniejszą cechą tych cieczy jest ich niezwykle niska prężność par. W praktyce oznacza to, że niemal w ogóle nie parują. W przeciwieństwie do wody, która w próżni kosmicznej lub przy rzadkiej atmosferze natychmiast ulatuje, ciecze jonowe mogą przetrwać miliardy lat w formie mikrokropel lub cienkich warstw na powierzchni martwych – wydawałoby się – globów. Dodatkowo, pozostają one płynne w ogromnych zakresach temperatur. Przykładowo, jedna z badanych cieczy jonowych ([NBu3H][HFAC]) zachowuje stan skupienia nawet przy mroźnym -93 stopniach Celsjusza, podczas gdy inne stabilnie funkcjonują w temperaturach znacznie przekraczających punkt wrzenia wody.
Biologia w świecie bez wody
Samo istnienie płynnego rozpuszczalnika to jednak za mało, by mówić o życiu. Kluczowe jest pytanie: czy budulce życia, jakie znamy, potrafią funkcjonować w takim środowisku? Wyniki przeglądu literatury naukowej przeprowadzonego przez zespół prof. Seager są zdumiewające. Okazało się, że aż 71% badanych białek zachowuje swoją strukturę w cieczach jonowych przy niemal zerowej zawartości wody. Co więcej, 65% enzymów utrzymało swoją aktywność katalityczną w tych nietypowych rozpuszczalnikach. Jednym z najbardziej spektakularnych przykładów jest enzym celulaza, który w odpowiedniej cieczy jonowej pozostał stabilny nawet w temperaturze 115 stopni Celsjusza.
Dowody na to, że natura potrafi wykorzystywać te substancje, znajdziemy nawet na naszej planecie. Gatunek mrówek znany jako Nylanderia fulva (mrówka szalona) naturalnie syntezuje ciecz jonową, aby neutralizować jad innych mrówek. Z kolei niektóre „rośliny zmartwychwstające”, zdolne do przetrwania ekstremalnych susz, wytwarzają wewnątrz swoich komórek mieszaniny cukrów i aminokwasów o charakterze rozpuszczalników eutektycznych. Chronią one ich aparat białkowy, gdy woda całkowicie znika z otoczenia. To żywy dowód na to, że ewolucja potrafi przestawić się na „alternatywne paliwo”, gdy standardowe zasoby stają się niedostępne.
Gdzie szukać „jonowego życia”?
Składniki niezbędne do powstania takich rozpuszczalników są powszechne w całym Układzie Słonecznym. Inspiracją dla badań był przypadek z laboratorium prof. Seager, gdzie przez przypadek stworzono ciecz jonową, mieszając kwas siarkowy (dominujący w chmurach Wenus) z organicznymi związkami zawierającymi azot. Mars z kolei obfituje w solanki nadchloranowe i chlorkowe, które choć toksyczne dla ludzi, mogą być prekursorami dla ILs i DES. Nawet komety, przemieszczając się po swoich wydłużonych orbitach, mogą skrywać w swoim wnętrzu kieszenie wypełnione tymi cieczami, służące jako „tygle” dla wczesnej chemii prebiotycznej.
Największy potencjał drzemie jednak w skalistych egzoplanetach, które utraciły swoje oceany miliardy lat temu. Naukowcy sformułowali tzw. „hipotezę zastępowania wody”. Zakłada ona, że w miarę jak planeta powoli traci wodę, tamtejsze życie może ewoluować w stronę syntezy własnych cieczy jonowych, podobnie jak wspomniane mrówki. Z czasem organizmy te mogłyby całkowicie uniezależnić się od wody, przenosząc skomplikowaną chemię organiczną do wnętrza nowych, stabilnych rozpuszczalników. Taka forma życia, przypominająca ziemskie bakterie, mogłaby przetrwać w mikroskopijnych szczelinach skorupy planety niemal w nieskończoność.
Przełom w poszukiwaniach
Choć obecnie nie dysponujemy technologią pozwalającą na bezpośrednie wykrycie tak małych form życia na odległych planetach, publikacja zespołu z MIT otwiera zupełnie nowy rozdział w planowaniu przyszłych misji kosmicznych. Kolejnym krokiem naukowców będą testy laboratoryjne sprawdzające, czy w cieczach jonowych mogą formować się kluczowe struktury, takie jak membrany komórkowe. Jeśli teoria ta zostanie potwierdzona, nasza wizja „strefy zamieszkania” ulegnie drastycznemu rozszerzeniu. Możliwe, że wszechświat tętni życiem tam, gdzie dotąd widzieliśmy tylko martwą pustynię, a my musimy po prostu nauczyć się szukać „innego rodzaju kałuż”.
Źródło: arXiv