Životodárné kapaliny

Život na Zemi vyžaduje pro svoji existenci tři zásadní předpoklady: energii, komplexní organické molekuly, z nichž jsou těla živých bytostí vystavěna, a samozřejmě VODU. Právě voda je rozpouštědlem, v němž se mohou biologické molekuly volně pohybovat a navzájem reagovat. I když některé organismy mohou přežít vyschnutí, bez vody nemohou probíhat jejich základní životní pochody – život se buď zastavuje, nebo přímo zaniká.
Voda je sice bezesporu vhodným rozpouštědlem pro život, nelze však pochybovat o tom, že život na Zemi v ní vznikl prostě proto, že zde byla a je hojně k dispozici. Můžeme se proto oprávněně ptát, zda na jiných planetách nemohou být životodárnými kapalinami i jiná rozpouštědla, než je zrovna kapalná H2O.

Úvod

Je voda pro život nezbytností? To je otázka mnohem komplikovanější, než by se mohlo zdát. Někteří konzervativní autoři by nejraději vodu zahrnuli rovnou do samotné definice života, pak by život bez vody byl vlastně absurdní protimluv. Je ovšem otázka, jak bychom potom označili komplikované systémy založené na nevodné bázi, přesto však schopné metabolizovat, rozmnožovat se, evolučně se rozvíjet a snad dokonce komunikovat s námi. Intuitivně cítíme, že i takové organismy bychom chápali jako formy života, proto bychom vodu do definice života zatahovat neměli. Spíše bychom se měli omezit na obecnější konstatování, že život vyžaduje rozpouštědlo. Pokud vůbec může existovat život bez rozpouštědla, což je velmi pochybné, nemáme o něm doposud jasnější představu a byl by asi velice vzdálen tomu, co si pod pojmem život představujeme.

Život tedy potřebuje kapalinu – ovšem kapalin je nepřeberné množství. Co by taková kapalina měla splňovat? Především by se měla alespoň na některých planetách přirozeně vyskytovat v dostatečném množství a měla by mít vhodné chemické i fyzikální vlastnosti. Právě tady leží druhá obranná linie „antropocentristů“ – mnozí sice uznají, že životu by z principu stačila libovolná kapalina, ale že voda je buď jediná, která splňuje výše uvedené požadavky, anebo že je o tolik vhodnější než jakákoli jiná chemikálie, že vlastně nemá smysl hovořit o alternativách. Zastánci tzv. inteligentního designu se dokonce dovolávají toho, že vlastnosti vody jsou tak „zázračně“ doladěny přímo na míru živých bytostí, že v tom spatřují vyšší záměr.

Bohužel i zde musí exobiologie připustit svoji nevědomost. Voda je rozpouštědlem jediného nám známého typu života, a skutečně se zdá být vhodnou volbou, už jenom proto, že je jednou z nejhojnějších látek v kosmu vůbec. Přesto však není na škodu alespoň v rámci myšlenkového experimentu připustit, že dokonalé „vyladění“ vlastností vody pro potřeby života je pouhým zdáním, vyvolaným jednak zažitými stereotypy v uvažování, jednak oportunismem života, který s přizpůsobivostí sobě vlastní zůročil veškeré klady kapaliny v níž vznikl, a naučil se překonat všechny její nedostatky. Potom můžeme s otevřenou myslí vyrazit do vesmíru (nebo alespoň do nejbližší učebnice chemie) a začít pátrat po dalších vhodných (nikoli však vodných) rozpouštědlech pro alternativní živé systémy. Doposud bylo toto pátrání spíše doménou sci-fi literatury, v poslední době se však začíná nesměle zabydlovat i na stránkách odborných časopisů.

Co od životodárné kapaliny očekáváme?

  • Musí se přirozeně vyskytovat v některém typu prostředí a být tam dostatečně hojná, ať už ve formě oceánů, podzemních rezervoárů nebo alespoň oblačných kapiček.
  • Musí být kapalná v takovém rozmezí teplot, které jí dovoluje stabilní existenci v daném prostředí.
  • Teplota kapaliny by měla být slučitelná s existencí složitých molekul a průběhem (bio)chemických reakcí. Zde ale záleží i na chemické podstatě biomolekul, např. pro silany (křemíkové řetězce) leží teplotní optimum hluboko pod nulou, pro organické látky okolo „pokojové teploty“ a pro silikáty při teplotách stovek až tisíc stupňů.
  • Musí být dobrým rozpouštědlem pro komplexní molekuly.
  • Výhodou je velké skupenské teplo vypařování a tuhnutí a také vysoká tepelná kapacita. Skupenská tepla brání snadnému fázovému přechodu a kapalinu tak stabilizují, tepelná kapacita brání tepelným výkyvům, a to jak v měřítku organismu, tak i celé planety (teplotně-stabilizační vliv oceánů).
  • Musí být na své planetě chemicky stabilní a nesmí ji masově odbourávat chemické ani biologické děje.

Bod tání, bod varu

Z vlastní zkušenosti víme, že existence kapaliny je možná v určitém rozmezí teplot. Při příliš vysoké teplotě přechází v plyn, při nízké naopak v pevnou látku. Poloha bodu varu (a v menší míře i bodu tuhnutí) závisí na okolním tlaku. Čím je tlak nižší, tím nižší teplotu potřebujeme k uvedení kapaliny do varu a naopak. Při příliš nízkém tlaku (pro vodu je to 610 Pa) splývá bod tuhnutí s bodem varu. Při nižším tlaku je existence kapaliny vyloučená, existuje pevná látka, která  ohříváním toliko sublimuje do plynného skupenství ale nikdy nemůže roztát. Hodnotu tlaku a teploty, při níž se poprvé objeví kapalná fáze, označujeme jako trojný bod. Nad tímto bodem se látka chová tak, jak se sluší a patří – má bod tání a bod varu (posouvající se s tlakem), a podle teploty zaujímá různá skupenství.

Pokud ovšem dále zvyšujeme tlak až k takzvanému kritickému bodu, zmizí rozhraní mezi plynem a kapalinou. Látka nadále se stoupající teplotou plynule snižuje hustotu, ale již neexistuje ostrý předěl fáze kapalné a plynné. Takovou tekutinu označujeme jak nadkritická, podle situace se blíží spíše kapalině nebo spíše plynu, nebo dokonce kombinuje jejich vlastnosti. Příkladem může být třeba voda na hlubokomořském dně. Při normální teplotě se chová docela povědomě, jako voda na zemském povrchu. V hydrotermách však nabývá i teplot několika set stupňů, aniž by vřela, jen výrazně klesá její hustota a stává se pro řadu látek lepším rozpouštědlem. Nadkritická voda (přesahující kritický tlak i teplotu) má zvláštní vlastřnosti, je poměrně málo polární a chová se jako kyselina.

Teploty, které může život vydržet, jsou často spjaté s jeho rozpouštědlem. Uvažujeme-li aktivní organismy obsahující vodu, pak jejich životní děje nemohou probíhat po zamrznutí, a naopak var vody celou buňku nenávratně zničí. I mráz může buňku nezvratně poškodit, vzniknou-li ledové krystaly, které ji probodají nebo roztrhají. Jen speciálně přizpůsobené organismy mohou zmrznout a být rozmraženy bez smrtelných následků.

I když však posuneme hranice kapalnosti, k čemuž dochází poměrně často, zůstanou nám limity jiného typu. Ani ve vysokém tlaku, který posouvá či dokonce zcela eliminuje bod varu, nebyly zatím nalezeny živé organismy při teplotách nad 121ºC. Je to asi proto, že při vyšších teplotách již pozemské biomolekuly nejsou dostatečně stabilní a živá hmota se rozpadá. Extrémní tlaky proto sice mohou dramaticky posunout rozmezí kapalnosti vody, nijak výrazně ale neposouvají teplotní limity života. Naopak i když existují četné „nemrznoucí směsi“ a jiné způsoby, jak uchovat kapalinu při teplotách pod bodem mrazu, živé organismy patrně nejsou schopny být metabolicky aktivní a růst při teplotách ležících pod hodnotou -20ºC, protože průběh chemických reakcí se v mrazu velmi zpomaluje. Tyto limity však nejsou absolutní, a pro život na jiné biochemické bázi by možná ležely úplně jinde.

Jak bylo již naznačeno, život může přežít i tam, kde se kapalina vyskytovat nemůže. Spory bakterií a anabiotické želvušky (zpravidla vysušené) například vydrží extrémně vysoké i nízké teploty mimo rozmezí kapalnosti vody. Zde ale nejde o aktivně rostoucí formy života – v tak extrémních podmínkách lze po omezenou dobu přežívat, nikoli ale žít.

Na jiných planetách můžeme nalézt skoro libovolné kombinace teplot a tlaků, takže nejsme omezeni našimi pozemskými body tání a varu. Jaké látky tu tedy můžeme nalézt v kapalném stavu a dostatečném množství?

H2O

Voda v pozici životodárné kapaliny je právě tím, na co jsme tak dobře zvyklí z naší domovské planety. Voda je – i když to tak možná nevypadá – jednou z nejhojnějších látek ve vesmíru. Tak oblíbená představa laiků (podpořená někdy i špatnými popularizátory vědy) že voda je v kosmu vzácnou a drahocennou substancí má jisté opodstatnění nanejvýš na Měsíci, Merkuru, Venuši a Io, pro všechna ostatní pevná kosmická tělesa je naprosto bludná a nesprávná. Dokonce ani kapalné skupenství vody není zdaleka výsadou naší planety, přinejmenším pět těles sluneční soustavy Europa, Ganymed, Callisto, Enceladus a Titan) se pyšní značnými vodními rezervoáry (i když vesměs nejsou čisté, ale slané) a na mnoha dalších lze kapalnou vodu důvodně předpokládat (Mars, Dione, Triton, Pluto, Eris…).

Voda má řadu výhod. Vyskytuje se nejen hojně, ale je také poměrně stabilní chemicky i fyzikálně a je skvělým rozpouštědlem. Je to pozoruhodná a výjimečná kapalina, jakých není mnoho, a je tedy celkem logicky tou, do níž se vkládá nejvíce nadějí ohledně mimozemského života.

Specialitou vody je rozpínání při zmrznutí. To je někdy veliká výhoda. Moře a jezera díky tomu zamrzají odshora a led na jejich povrchu plave, čímž chrání kapalinu pod sebou, izoluje ji a brání v dalším zamrzání. Jen díky tomu naše jezera v zimě nepromrznou až ke dnu, a tentýž jev udržuje stabilní oceány i na ledových měsících.

Plovoucí led je ale dvojsečná zbraň. Sice zpomaluje zamrznutí kapaliny až na samé dno, ale zase efektivně destabilizuje klima! Oceán totiž pohlcuje sluneční záření a snadno se prohřívá, zatímco bílý led je odráží. Vznik ledu proto způsobí prudké ochlazení a tím i další mrznutí, a naopak komplikuje rozmrzání. Extrémní doby ledové ve starohorách (Snowball Earth) asi vznikly právě tímto mechanismem. Naopak na horkých planetách voda komplikuje obyvatelnost díky tomu, že její pára je skleníkovým plynem. Vlhké planety se tak přehřívají daleko snáze než planety suché.

I pro zmrzlé organismy je rozpínání vody prokletím – zamrznou-li, rozpínající se led trhá jejich buňky na kusy a jeho krystaly je doslova ubodají zevnitř. Bytosti žijící v polárních oblastech proto musejí buď udržovat tělní teplotu nad bodem mrazu (např. lední medvědi), mít v těle nemrznoucí směsi, které i při podchlazení nedopustí přechod do pevného skupenství (některé ryby), anebo jsou vybaveny proteiny a sacharidy, které sice zmrznutí dovolí, ale zabrání vzniku smrtících krystalů. To vše jen proto, že voda se mrazem rozpíná.

S rozpínáním souvisí další anomálie vody. Jiné kapaliny totiž s klesající teplotou plynule zvyšují svoji hustotu, a proto nejchladnější vrstvy se drží u dna, nejteplejší na povrchu. Voda (ovšem pouze poměrně čistá, s nízkým obsahem rozpuštěných látek) se chová jinak – nejhustší je při teplotě 4ºC. Pokud jezero sladké vody na podzim zamrzá, udrží se na dně hustá voda o teplotě čtyř stupňů, zatímco směrem k povrchu teplota klesá až k nule na rozhraní s ledovým krunýřem. To je ideální pro přezimování ryb a jiných organismů.

Soli výrazně zvyšují bod varu vody, a naopak snižují bod tání. Běžná kuchyňská sůl může rozpustit led až do cca -20ºC (nasycený roztok). Ještě lepší je CaCl2, chlorid vápenatý, který účinkuje i pod -30ºC.  Otázkou je jejich chování za nízkých tlaků, ale teoreticky je možné, aby silně „slaná“ voda existovala i na nízkotlaké planetě jako je Mars, kde je čistá voda trvale zmrzlá a při zahřátí se ihned vypaří. Zajímavý je v tomto ohledu objev sondy Phoenix, která našla v marsovské půdě chloristany, snižující bod tání až téměř k -70ºC! Chloristany jsou sice oxidační činidla, ale nejsou příliš agresivní, zejména v mrazivých teplotách, a tak by jejich roztoky mohly být dobrým rozpouštědlem pro marsovský život.

Voda má jako životodárná kapalina sice své nectnosti, přesto se zdá být ideální volbou. Přesto se podívejme, co nám nabízejí konkurenční typy rozpouštědel…

Čpavek

Na prvním místě jmenujme amoniak (NH3). Tato látka je sice méně hojná než voda (v kosmu je 10x více kyslíku než dusíku), přesto je však široce rozšířená zejména v chladných částech Sluneční soustavy. Vyskytuje se na obřích planetách, zejména Uranu a Neptunu, i ledových tělesech, třeba na Titanu, Tritonu nebo Plutu, ačkoli zde většinou ve zmrzlé podobě.

Při pozemském tlaku je to plyn, může být kapalný jen při teplotách hluboko pod nulou (bod varu -33,5ºC, bod tuhnutí -77,7ºC). Při tlaku 300 kPa, trojnásobku pozemského, je však kapalný i nad nulou a kolem jednoho megapascalu už dosahuje rozmezí od nějakých -70ºC po 50ºC. I když tlak jeho kapalnost posouvá směrem k „příjemným“ teplotám, je kapalný amoniak typický pro planety dosti vzdálené od hvězd. V první řadě proto, že ve vnitřní části planetárních systémů je obecně vzácný a není běžnou složkou stavebního materiálu vnitřních planet. Zadruhé vysoký tlak (nutný pro udržení amoniaku při teplotách nad nulou) je produktem husté atmosféry, která nutně přináší i výrazný skleníkový efekt: sám amoniak i metan, který se s ním pravidelně vyskytuje ruku v ruce, jsou silné skleníkové plyny. Aby se taková planeta nepřehřála, musí ležet velice daleko do zdroje tepla.

Kapalný amoniak je lehčí než voda a jeho viskozita je poměrně malá, tepelná kapacita ovšem vysoká. Teplo vypařování je asi poloviční oproti vodě, vypařuje se tedy snadněji. Je to dobré rozpouštědlo (rozpouští třeba prvky Na, Mg, Al, I, S, Se, P ). Funguje v něm alternativní chemie kyselin a zásad, voda je například kyselinou.

Amoniak je sice podobně jako voda polárním rozpouštědlem (naopak třeba tuky, oleje a organická rozpouštědla jsou příklady látek nepolárních, které se s vodou nemísí) , jeho polarita je však menší, stejně jako povrchové napětí. Hydrofobní molekuly, či části molekul se v něm proto shlukují méně ochotně než ve vodě. Protože právě hydrofobní interakce stabilizují naše proteiny a umožňují vznik biomembrán, jedná se o značné mínus pro biologickou užitečnost amoniaku. Speciální typy molekul by však zřejmě mohly plnit biologické funkce i v tomto nevodném rozpouštědle.

Mnoho makromolekul, vč. peptidů a polypeptidů, se může vyskytovat v amoniaku stejně jako ve vodě. Další, jako např. četné lipidy a DNA, stabilní nejsou. Tyto a jiné organické látky však mohou mít své „amoniakové ekvivalenty“. Kdo ostatně říká, že amoniakové bytosti musejí být složeny ze stejných molekul jako my?

Pro biologii má NH3 i další výhody a nevýhody. Záporem je fakt, že amoniakový led neplave, protože jeho objem se zmrznutím nezvyšuje. Nemůže tedy chránit jezera a moře před zamrznutím tak, jak to dokáže led vodní. Tato fyzikální vlastnost by však na oplátku umožnila buňkám přežít zmrznutí bez újmy na zdraví, a to i bez speciálních adaptací.

Další výraznou nevýhodou je, že amoniak nemůže koexistovat s kyslíkem. Teplota vznícení amoniaku je sice až 650ºC, takže teoreticky by byla krátkodobá koexistence kyslíku a amoniaku možná, ale rozhodně spolu nemohou koexistovat v atmosféře, kde by došlo k jejich pomalému či rychlejšímu reagování na vodu a molekulový dusík (N2). Dusík je velmi stabilní a jeho zpětná přeměna na amoniak je prakticky vyloučena. Biosféra na bázi amoniaku a kyslíkatá atmosféra jsou proto neslučitelné – amoniakoví mimozemšťané musejí být anaerobní. Jedinou možnou výjimkou by mohl být případ, kdy by se amoniakové bytosti přizpůsobily kyslíkaté atmosféře tak, že by si amoniak pro potřeby organismu samy syntetizovaly, ačkoli v okolním prostředí by již přítomen nebyl. Dalším nepřítelem amoniaku je jeho fotolýza. Pokud je na povrchu planety či měsíce amoniak v kapalném stavu, nutně se dostává i do atmosféry. Protože bez kyslíku neexistuje ani ozónová vrstva, proniká sem UV záření, které amoniak rozkládá na vodík a dusík, přičemž vodík může planetu opustit. Podobný proces likviduje také metan (např. na Titanu). Tento problém by byl snad méně palčivý u chladných hvězd, které neprodukují tolik UV záření (rudí obři, stárnoucí červení trpaslíci apod.).

Amoniak (čistý i v roztoku) může chemicky reagovat s některými minerály, a vytvářet sloučeniny, třeba amonné silikáty nebo amonné soli (např. síran amonný). V extrémních případech by tyto reakce mohly amoniak zcela zlikvidovat a změnit oceán čpavku na banální oceán slané vody.

Výše zmíněné úvahy se týkají samotného, čistého amoniaku (NH3). Ve skutečnosti se ale amoniak vyskytuje mnohem častěji společně s vodou, s níž se ochotně mísí. Je vlastně dost těžko představitelné, že by se někde amoniak vyskytoval ve zcela čisté formě! Roztok amoniaku a vody nazýváme čpavek, čpavková voda nebo hydroxid amonný.

Chování čpavkového roztoku je výrazně komplikovanější než chování jeho dvou složek. Tak například body tání a varu silně závisí na tom, jaké je složení tohoto roztoku, a vůbec nejde o přímočarý vztah! Tento roztok může být navíc kapalný i při teplotách, kdy by obě jeho složky samy o sobě dávno zmrzly. Nejnižší teplotou, pří níž může kapalný čpavek existovat, je tzv. eutektický bod. Nastává až při teplotě -98,5ºC. V tomto případě jde o 33% roztok čpavku ve vodě (eutektická směs). Pokud máme slabší roztok a ochlazujeme ho, tak se postupně začne vytvářet vodní led, a roztok se zahušťuje, dokud nedosáhne eutektického složení. Pokud je naopak počáteční kapalina bohatší amoniakem, je situace složitější: s ochlazováním koncentrace amoniaku klesá a postupně se usazují různé typy čpavkových ledů: napřed čistý amoniakový led, poté hemihydrát, hydrát a nakonec dihydrát, až opět dojdeme k eutektické směsi. Pouze eutektická směs tedy mrzne naráz, s dosažením bodu tuhnutí, ostatní směsi mrznou postupně a mění při tom své složení. Podobně komplexní vztahy platí i pro vypařování. Na planetě obsahující vodu a čpavek by tedy zřejmě docházelo k dost složitým změnám koncentrace během odpařování, kondenzace (deště), mrznutí a tání, důsledky tohoto stavu pro koloběh kapalin a biosféru je značně obtížné domyslet.

Podobně jako amoniakový, ani čpavkový led neplave a nemůže tak izolovat oceány a chránit je před zamrznutím. Uvážíme-li však nízkou teplotu tání eutektického čpavku, je úplné zamrznutí takového oceánu extrémně nepravděpodobnou záležitostí! Za některých okolností však může led (či směs ledů) na čpavkovém roztoku plavat, tato situace evidentně nastává na Titanu (ledová kůra měsíce plave na oceánu bohatém na čpavek).

Viskozita kapalin silně závisí na teplotě. Teplý čpavek je podobně málo viskózní jako voda, velmi chladná směs kolem eutektického bodu je však vysoce viskózní, takže by nám připomínala spíše med nebo hustou kaši.

Co by znamenal čpavkový roztok pro biologii? Mnohé nevýhody amoniaku jsou u jeho směsí daleko méně citelné nebo se neobjevují. Kombinace těchto dvou rozpouštědel by byla tudíž pro život vhodnější než amoniak samotný. Její chování je sice silně zásadité, ale nikoli mimo toleranci některých extrémofilů – takže otázka nezní proč, ale proč ne!

Podíl amoniaku v hmotnostních% Bod varu/°C Bod tuhnutí/°C
(udává, při jaké teplotě se začne objevovat pevné skupenství a koncentrace se začne posouvat k eutektické hodnotě)
0 100 0
5,02 80,6 -6,7
10,28 68,9 -14,4
15,84 56,7 -26,1
21,6 43,9 -43,3
25,48 35,0 -56,1
33,32 18,9 -100,0
57,1 ? -86
80,5 ? -92,5
100 -33,5 -77,7

Nepolární rozpouštědla

Nepolární látky známe z vlastní zkušenosti jako kapaliny, které se nemísí s vodou a jsou „mastné“. Příkladem může být olej nebo organická rozpustidla (benzín, ředidla apod.). Od polárních rozpouštědel se svými vlastnostmi výrazně liší. Život na jejich základě by musel být tedy biochemicky velmi odlišný od nás, ještě více než ten amoniakální.

Nepolární látky se sice považují za méně vhodné než ty polární, ale je faktem, že pro některé typy metabolismů by byly vhodnější. Nepolární sloučeniny mohou rozpouštět např. pevnou síru, což voda neumí, a též plyny, jako je vodík či metan, rozpouštějí mnohem efektivněji. Naopak nabité nebo polární molekuly (třeba soli nebo cukry) se v nich rozpouštějí špatně nebo vůbec.

I nepolární rozpouštědlo (snad s malou příměsí iontů či rozpouštědla polárního) by bylo schopno vytvářet micely nebo biomembrány „naruby“ – hydrofobní částí ven a hydrofilní dovnitř. To je celkem dobrá zpráva pro exotické mimozemšťany, můžeme si v něm totiž dobře představit určitou obdobu buněčné struktury udržované hydrofobními a hydrofilními interakcemi.

Jako zajímavost zasluhuje zmínku i možný hybridní, polárně-nepolární život. Ten by neměl podobu buněk, ale kapének (emulze) – například kapének nepolárního rozpouštědla (uhlovodíku, oleje) ve vodě, nebo naopak vody v uhlovodíku. Kapénka udržovaná povrchovým napětím by tu vlastně suplovala buněčnou membránu.

Dosti běžnou látkou je oxid uhličitý. Jeho trojný bod leží až v pětinásobku našeho tlaku, proto u nás může existovat jen jako plyn anebo uměle vyrobený „suchý led“, používaný ke chlazení. Jeho teplota varu překračuje -20ºC až nad 1MPa, a nulu až nad 2MPa. Je tedy myslitelný jen ve velmi vysokých tlacích a relativně nízkých teplotách. Až těsně pod kritickým bodem se rozmezí jeho kapalnosti blíží sto stupňům. Je nepolární, ale ve vodě i přesto mírně rozpustný. Je velmi obecný na různých planetách, proto existence oceánů z této látky není zcela vyloučená.

Nadkritický CO2, s vlastnostmi na pomezí plynu a kapaliny, najdeme třeba na Venuši. U povrchu je atmosféra sice viskozitou blízká plynu, ale přesto natolik stlačená, že se může do jisté míry chovat jako rozpouštědlo, a to dokonce natolik dobré, že se tento vliv musí brát v úvahu při volbě materiálů pro kosmické sondy, jimž hrozí nejen upečení a rozdrcení, ale také rozpuštění. Umožnilo by snad takové prostředí vznik jakéhosi superexotického života?

Další zajímavé látky jsou uhlovodíky. Tím nejjednodušším je metan (CH4). Rozmezí jeho kapalnosti je ovšem malé a hluboko pod nulou. I kritický bod leží osmdesát stupňů pod nulou. Existovat by v něm proto mohl pouze velmi exotický typ života se speciální nízkoteplotní biochemií, například na bázi silanů. O něco lépe je na tom jeho chemický „bratranec“ etan (C2H6). Jeho bod tání je podobný, ale rozmezí kapalnosti činí celých sto stupňů. Při tlacích nad dva megapascaly je kapalný i nad nulou. U metanu a etanu je určitá výhoda, že známe místo, kde tvoří dočasné toky i trvalá jezera a moře – je jím Saturnův měsíc Titan. Teplota je tam ovšem opravdu nízká, kolem -180ºC, která by dovolovala jen velmi exotický typ života.

Metan a etan nejsou rozhodně jedinými uhlovodíky, složitější zástupci této chemické rodiny mohou být kapalinami i při teplotách vyšších, jak ostatně víme z vlastní zkušenosti – příklady uhlovodíků kapalných i při pokojové teplotě najdeme v každé drogérii nebo v nádrži svého vozu. Planety bohaté na uhlík rozhodně nebudou mít nouzi o rozpouštědla při jakékoli teplotě až k hodnotám několika set stupňů, kde uhlovodíky začínají být chemicky nestabilní.

Ligeia MareMoře metanu

Rozlehlé moře kapalných uhlovodíků (Ligeia Mare) v severní polární oblasti Titanu. Nejspíše jde o směs metanu, etanu, propanu a rozpuštěného dusíku. Metan na Titanu vytváří i mraky, z nichž prší a následně stéká říčními koryty do jezer a moří.

Naopak extrémně vysoké teploty vyžaduje jiné rozpouštědlo: kapalná síra. Taje při 115ºC a vře při 444ºC, vyskytuje se tedy jen v podmínkách vskutku pekelných. Nenechme se ale mýlit: i známé organismy mohou žít při teplotách blízkých bodu tání síry (do 121ºC), a některé odolné organické molekuly (například halogenované) mohou vydržet i teploty výrazně vyšší. V síře tedy není vyloučen ani život na bázi uhlíku, ale snad by byla slučitelná i s exotičtějšími typy molekul.
Vlastnosti roztavené síry se mění podle teploty. Při zahřívání je nejprve zlatožlutá a její viskozita se snižuje k minimu při 155ºC, ale v zápětí prudce roste a barva se mění na krvavě rudou! Změna barvy i viskozity je způsobena polymerizací (řetězením) molekul síry. Viskozita je maximální při 195ºC a při vyšší teplotě zase klesá. Protože extrémně viskózní polymerní síra není optimálním rozpouštědlem, život v kapalné síře by se asi musel omezit na jedno z teplotních „oken“ kde je síra kapalnější.
Źivot na bázi kapalné síry by mohl existovat na Io, kde mohou při vuklanických ústích existovat sirná jezera a v podzemí nádrže roztavené síry. Mohla by se vyskytovat i na Venuši, ačkoli na většině povrchu je na ni příliš horko a rychle se odpařuje. Ve vyšších polohách anebo chladnějších obdobích ale vyloučena není.

Látka Vzorec
Hustota kapalné (kg/m3) Hustota pevné (kg/m3) Tt (1 bar)
Tv (1 bar)
Trojný bod T Trojný bod P(Pa)
Kritický bod T Kritický bod P(MPa)
Voda H2O 1000 917 0 100 0,01 610 374,15 22,13
Amoniak NH3 682 820 -77,7 -33,3 -77,6 6 079 132,4 11,65
Oxid uhličitý CO2 770 1562 -78 (subl.) -57 (v 0,52 MPa) -56,60 518 000 31,1 7,38
Metan CH4 415 ? -182,5 -161,6 -182,50 ? -82,10 4,639
Methanol CH3OH 791,8 ? -97 64,7 ? ? 239,90 8,080
Ethan C2H6 572? ? -181,76 -88,6 -183,20   31,85 4,878
Formamid HCONH2 1133 ? 3 210 ? ? ? ?
Formaldehyd CH2O ? ? -92 -21 ? ? ? ?
Sirovodík (sulfan) H2S ? ? -85,5 -60,7 ? ? ? ?
Chlorovodík HCl ? ? -112 -85 ? ? 51,40 ?
Fluorovodík HF ? ? -83 19,5 ? ? ? ?
Oxid siřičitý SO2 1455 ? -72,7 -10 -75,5 1 650 157,00 7,87
Sirouhlík CS2 1270 ? -110,08 46,3 ? ? 227,00 7,36
Síra S8 1819 1920-2070 115,2 444,6     1041 20,7
Peroxid vodíku H2O2 1463 ? -0,43 150,2 ? ? ? ?
Kyselina sírová 100% H2SO4 1840 ? 10,4 287,9 (340 rozkl.) ? ? ? ?
Kyselina sírová 65%   1500 ? -64 ? ? ? ? ?
Kyselina sírová 35%   1265 ? -62 135 ? ? ? ?
Kyselina sírová 10%   1070 ? -4 99 ? ? ? ?
Tekutý dusík N2 807 ? -210 -195,79 -210 12 530 -146,96 3,398
Tekutý vodík H2 67,8   -259,14 -252,87 -259 7 042 -240,18 1,293

Sloučeniny síry

Sirouhlík je nepolární rozpouštědlo, ovšem neexistuje důkaz, že by se někde mohl přirozeně vyskytovat.

Sirovodík bývá také někdy uvažován jako nízkoteplotní rozpouštědlo, i on je však vzácný a ve většině prostředí je jen minoritní složkou (např. v atmosférách obřích planet).

Oxid siřičitý SO2 se může vyskytovat za podobných fyzikálních podmínek (teploty, tlaky) jako amoniak. Je více polární než amoniak, ale méně než voda. Vyskytuje se v podobě podzemních rezervoárů na Io. Otázkou je stabilita organických molekul.

Koncentrovaná kyselina sírová je viskózní kapalina s širokým rozmezím kapalnosti, bohužel rozkládá většinu organických molekul, byla by slučitelná pouze s exotickou biochemií. Podle některých autorů by byla vhodná pro bytosti na bázi silikonů.

Problémem sirných látek by mohla být hojnost výskytu. Vesmírný poměr kyslíku a síry (a tedy i vody ku sloučeninám síry) je asi 48:1, což pro síru vyznívá opravdu nepříznivě. Na plynných obrech jsou sice hojné sloučeniny sirovodíku a na Venuši mraky kyseliny sírové, ale ani v jednom případě nepředstavují vhodné prostředí pro vznik života. Jedinou výjimkou je Jupiterův měsíc Io, kde jsou ne sice oceány, ale alespoň jezera (nebo podzemní rezervoáry) kapalné síry a oxidu siřičitého.

Úplně jinou otázkou je život v silně kyselých vodných roztocích (nejspíše kyseliny sírové), ten známe i na Zemi a celkem dobře se mu zde daří. Je pravděpodobné, že v kosmu existují četná prostředí založená na silně okyselené vodě, a snadno mohou být domovem pro život (i když nevíme, zda by kyselina umožnila i jeho vznik). Nepřítelem kyseliny sírové je však její vlastní chemická agresivita – snadno reaguje s mnoha horninami, např. bazalty, čímž se neutralizuje a dává vznik síranovým solím. Kyselina se proto vyskytuje spíš ve formě krátkodobých jezer než trvale kyselých oceánů.

Nádrže kyseliny sírové jsou nejpravděpodobněji k nalezení na vulkanicky aktivních planetách s malým množstvím vody. Podle některých interpretací je však koncentrovaná kyselina obsažena také v podledovém oceánu Europy. Zanikající planetární oceány, ať už vymrzají nebo se vypařují, jsou nutně velmi slané nebo kyselé, popř. obojí, protože se v nich koncentrují rozpuštěné látky. Mohlo se to týkat např. Marsu, a ještě spíše Venuše. Tato planeta totiž ztrácela do kosmu kvanta vodíku, čímž vznikal kyslík, reagující s dusíkem a sírou na kyselinu sírovou a dusičnou. Okyselení či zasolení vod zpomaluje odpar a mohlo by zánik oceánů přibrzdit.

Roztoky kyseliny sírové mohou hostit dva typy organismů: Na Zemi jsou to bacidofilní akterie pocházející z téměř neutrální oceánské vody, které se naučily v kyselině žít, ale uvnitř buněk si udržují více či méně neutrální prostředí. Naopak hypotetičtí „domorodci“, kteří povstali přímo v okyseleném roztoku, by měli tělní tekutinu stejně kyselou jako jejich prostředí. Ať žije Vetřelec!

Další exoti

 brightRiver
Život na bázi roztavených silikátů by znamenal pro vědce velké překvapení – a extrémně nedostupný objekt zkoumání!(Obrázek ze stránek Project Rho)

Jsou i jiné možnosti. Hovoří se třeba o metanolu. Ten je na Zemi kapalný v rozmezí -94ºC až +65ºC. Společně s formaldehydem by se mohl vyskytovat ve vodných a amonnných roztocích kryomagmat na velmi chladných ledových tělesech. Tyto organické látky se však pravděpodobně nikde nevyskytují v podobě čisté, koncentrované kapaliny, nebo alespoň ne v potřebném rozsahu.

Někteří autoři preferují formamid (HCONH2). Je to polární rozpouštědlo, podobně jako voda, a evidentně přeje syntéze biologických molekul – k organické hmotě je šetrnější než voda sama. Zároveň ale reaguje s kyslíkem i vodou, a jde o složitou molekulu, takže je otázka, zda se někde dost hojně vyskytuje.
Uvažován bývá i peroxid vodíku (H2O2), resp. jeho roztoky, a to hlavně v souvislosti s Marsem. Má sice tendenci oxidovat organické molekuly, ale za určitých podmínek (specializovaná biochemie, nízké teploty) by to nemusel být nepřekonatelný problém. Peroxid se chová jako výborná nemrznoucí směs, jeho eutektický vodný roztok může existovat i při -56ºC. I když zamrzne, nerozpíná se a nevytváří krystaly, tudíž nepoškozuje buňky. Navíc je hygroskopický, nesnadno vysychá, naopak pohlcuje vodní páru z ovzduší. To všechno by byly v suchém a mrazivém prostředí Marsu neocenitelné výhody. Peroxidoví marťané by ovšem nesnesli kontakt s čistou vodou a zejména zvýšenou teplotu, proto by nejenže nebyli odhaleni standardními experimenty zaměřenými na detekci života (viz např. Vking), ale s největší pravděpodobností by uhynuli!

Dalo by se uvažovat i o jiných látkách, ale většina z nich je buď vzácná a tudíž jako oceánotvorný prvek vyloučená, anebo existují jen ve velmi extrémních tlacích a teplotách. Ke kryogenním rozpouštědlům můžeme počítat tekutý dusík, vodík a hélium. Život na jejich bázi, je-li vůbec možný, by byl asi biochemicky exotický, např. na bázi silanů. V nitrech obřích planet najdeme i vodík pod nadkritickým tlakem a o vysoké teplotě, který má vlastnosti kapaliny, jemž by snad mohl být rozpouštědlem i pro některé organické molekuly, dovoluje-li jejich existenci teplota.

Na žhavém konci teplotního spektra najdeme lávu, tedy roztavené křemičitany a jiné sloučeniny o teplotě 700 – 2000ºC, které také mohou vykazovat komplexní vnitřní strukturu a snad by se z nich mohlo za správných podmínek vyvinout něco svým způsobem živého (i když někteří astrobiologové poukazují na to, že silikátové řetězce v lávě nejsou dost stabilní, aby se mohly stát biologickými molekulami). Existuje též láva karbonatitová, s obsahem uhličitanů a vzácných prvků, o teplotě „pouze“ 500-600ºC, která je na Zemi vzácná, ale možná běžná na Venuši. Ale i to je asi pro většinu odborníků moc silná káva.

Jak vidíme, život či něco podobného je představitelný ledaskde – ona lidská představivost, jak známo, nezná hranic. A co realita? V této oblasti výzkum ještě ani pořádně nezačal, nečekejme tedy odpovědi. Vězme však, že Vesmír sám má ještě mnohem větší fantazii než my, a že i v této oblasti nás může mimozemský život ještě řádně překvapit.

Odkazy

http://www.daviddarling.info/encyclopedia/A/ammonialife.html – život na bázi amoniaku.

http://en.wikipedia.org/wiki/Alternative_biochemistry – wikipedický článek.

http://www.spaceref.com/news/viewpr.html?pid=21613 – život na bázi peroxidu vodíku.

http://www.projectrho.com/rocket/rocket3aa.html – „příručka o mimozemšťanech“ pro autory tvrdé sci-fi.

Is there a common chemical model for life in the universe? Steven A Benner, Alonso Ricardo and Matthew A Carrigan. http://www.ffame.org/sbenner/cochembiol8.672-689.pdf – odborný článek o exotických biochemiích a rozpouštědlech.

Příspěvek byl publikován v rubrice Mimozemský život a inteligence. Můžete si uložit jeho odkaz mezi své oblíbené záložky.

Napsat komentář

Vaše emailová adresa nebude zveřejněna. Vyžadované informace jsou označeny *