TEMA BROJA

Ivan Kremer

Vasiona, ljudi i vanzemaljci / Hemija života van Zemlje

Pokazatelji inteligentnog dizajna

Pitanje postojanja života van naše planete intrigira ljude od davnina. U zadnjih nekoliko stotina godina, razumevanje veličine Univerzuuma i našeg mesta u njemu dobilo je novu dimenziju, a sa time pitanje života van naše planete novu aktuelnost. Međutim, istinski ozbiljan naučni pristup ovom pitanju postao je moguć tek kada je čovečanstvo razumelo biohemijske procese koji omogućuju život kakav poznajemo. Svako ko je bolje upoznat sa strukturom i ulogama biološki važnih jedinjenja, sa kompleksnošću procesa koji se odigravaju, svestan je da su živi organizmi, od bakterija do ljudi, zapravo veličanstvene molekularne mašine. Za neke ljude, lepota i logičnost rešenja primenjenih u biohemijskim procesima, dokazi su inteligentnog dizajna. Za njih, nešto toliko savršeno mora biti rezultat nečije promišljenosti. Za druge, te odlike predstavljaju rezultat prirodnog prilagođavanja i napredovanja, nakon prvog skoka, slučajnog i spontanog stvaranja prvih biomolekula iz neorganskih jedinjenja i organizacije biomolekula u prve mikroorganizme. Za obe grupe ljudi, logičan sled razmišljanja je da nema smisla da se to sve desi samo u jednom malom deliću ogromnog svemirskog mozaika.

Tek danas, kada ljudi konačno razumeju život na našoj planeti na nivou osnovne hemijske strukture, može se sa preciznošću isto to tražiti i na drugim svetovima. Srećom, tokom prethodnih osamdesetak godina, paralelno sa ogromnim napretkom u razumevanju biohemije, napredovale su i instrumentalne metode koje nam omogućuju detekciju hemijskih tragova života. Šlag na tortu predstavlja ubrzano otkrivanje velikog broja tzv. egzoplaneta, planeta van Sunčevog sistema putem orbitalnih svemirskih teleskopa. Najnoviji alat na raspolaganju u ovoj epohalnoj potrazi predstavljaju i algoritmi mašinskog učenja, odnosno upotreba veštačke inteligencije. Pomenuti alat može biti  višestruko koristan u analiziranju pribavljenih podataka iz teleskopa i u svrhe izrade teorijskih simulacija.
Preduslovi za postojanje života kakvog poznajemo, po profesoru hemije i geologije Semjuelu Kunavsu, sa Univerziteta Tafts u Masačusetsu, mogu se svrstati u tri kategorije: fizičko-hemijske, elementalne  i energetske. Fizičko-hemijski preduslovi uključuju uzak temperaturni raspon koji omogućuje postojanje vode u tečnom stanju, postojanje specifične atmosfere i određenu vrednost atmosferskog pritiska, kao i postojanje velike koncentracije raznih jona, rastvorenih u tečnoj vodi, čija glavna uloga u kontekstu preduslova jeste da bude univerzalni rastvarač. Postojanje tečne vode, odnosno ispunjavanje temperaturnog uslova, rezultat je odgovarajuće udaljenosti planete u odnosu na svoju matičnu zvezdu oko koje se obrće. Raspon udaljenosti planete od matične zvezde, koji omogućava opisane uslove, poznat je kao „zlatna zona“ ili nastanjiva zona. Konkretne vrednosti pomenutog raspona zavise i od tipa zvezde oko koje se planeta obrće. Ukoliko je reč o zvezdi slabije jačine emitovanja svetlosti i toplote, recimo crvenom patuljku, zlatna zona nalazi se bliže - ukoliko je reč o zvezdi koja emituje više svetlosti i toplote, zlatna zona nalazi se dalje. Treba napomenuti da se ispunjivost opisanih fizičko-hemijskih uslova može više puta menjati, tokom neverovatno dugog postojanja neke planete i njene matične zvezde.

Naša planeta nije bila nastanjiva jedan dug period tokom svoje prošlosti. Elementalni uslov predstavlja postojanje elemenata koji grade biološki važna jedinjenja u dovoljnoj količini, pre svega ugljenika, vodonika, kiseonika, azota, sumpora i fosfora. Još 1952. godine su Harold Juri i Stenli Miler eksperimentalno dokazali da pod specifičnim uslovima, za koje su verovali da su bili prisutni na Zemlji u periodu nastanka života, aminokiseline, jedinjenja koja izgrađuju proteine, mogu spontano, uz unošenje energije u sistem električnim pražnjenjima koja simuliraju prirodna atmosferska pražnjenja, nastati iz prisutnih prostijih jedinjenja. Koristili su vodu, amonijak, vodonik i organsko jedinjenje, metan. Pri njihovom eksperimentu, prvobitno je nastalo nekoliko aminokiselina, uz prisutna druga poznata organska jedinjenja.

Nastanak života kao kaskadni proces

Eksperiment je ponovljen 1958. godine, uz dodatak vodonik-sulfida u smesu, s obzirom da se može pretpostaviti da ga je tadašnja Zemljina atmosfera sadržavala u većoj količini, usled učestalih snažnih vulkanskih erupcija. Tom prilikom nastali su raznovrsniji proizvodi, ali nije bilo prijavljeno nastajanje svih 20 osnovnih proteinskih aminokiselina. Naknadna ispitivanja sačuvanih originalnih proizvoda njihovog eksperimenta, početkom 21. veka, ukazala su da su proizveli i više aminokiselina od 20 osnovnih, kao i biološki važno sumporno organsko jedinjenje metionin. Jako je zanimljivo da ispunjenje jednog uslova, verovatno, može tokom vremena rezultirati ispunjenjem i drugih uslova, odnosno proces nastanka života može imati kaskadan karakter.
Prema trenutnim teorijama o nastanku života na našoj planeti, prvobitni mikroorganizmi, koji su živeli na Zemlji, živeli su u anaerobnoj atmosferi. Tek, njihovom evolucijom u prve fotosintetske organizme koji su ispuštali kiseonik kao proizvod svog metabolizma, atmosfera je postepeno postala aerobna i fizičko-hemijski uslovi su dobili oblik kakav danas poznajemo. I energetski uslov je bitan jer je za sve opisane procese potrebno uvođenje energije u sistem. Pomenuti fotosintetski organizmi koristili su energiju sunčevih zraka, a organizmi pre njih razlagali su u njihovoj okolini prisutna neorganska jedinjena, za čije je nastajanje takođe bila potrebna energija. Mnoge planete su svakodnevno bombardovane velikim količinama energije u vidu visokoenergetskog kosmičkog zračenja, s obzirom da nemaju magnetno polje koje bi ih zaštitilo od pomenutog zračenja. Zemljino magnetno polje je indukovano strujom koja teče u otopljenom jezgru planete. Postojanje zaštitnog magnetnog polja, ili pak nekakvog drugačijeg mehanizma zaštite, još jedan je fizičko-hemijski uslov za postojanje života kakvog znamo. Dakle, iako energetski uslov zahteva unos energije iz svemira u sistem, prevelika količina energije može sterilisati planetu uništavajući sva komplikovanija jedinjenja koja nastaju.

Panspermija i meteoriti

Što se azotnih baza, glavnih sastojaka nukleinskih kiselina, polimera koji sadrže zapise neophodne za sintezu proteina, kao i sve ostale životne procese, njihova spontana sinteza pod simuliranim svemirskim uslovima, eksperimentalno je izvedena 2015. godine, pod okriljem NASA-e. Kao polazna supstanca korišćeno je heterociklično jedinjenje pirimidin, s obzirom da je njegovo prisustvo dokazano u meteoritima palim iz svemira. Poznato je da su određene količine policikličnih aromatičnih ugljovodonika, tzv. PAH-ova, prisutne u međuzvezdanom prostoru, posebno u delovima svemira u kojima je jače kosmičko zračenje, kao što su regioni formiranja zvezda, odnosno molekularni oblaci. U tim regionima se iz PAH-ova, sa takođe prisutnim azotom, verovatno može, pod uticajem zračenja, formirati i pirimidin. Moguće je da su i same azotne baze nastale na ovaj način u svemiru i naknadno dospele na našu planetu putem udara objekata iz svemira. Ukoliko bi se ovo ispostavilo kao tačno, to bi značilo da takvi molekuli mogu na isti način dospeti i na druge planete. Slično ovoj ideji, panspermija, hipoteza da je život nastao negde drugde u svemiru i dospeo na našu planetu pretpostavlja da su već formirani mikroorganizmi dospeli putem udara meteorita. Dok za pravu pretpostavku panspermije dokaza nema, scenario gde su organski molekuli poput pirimidina, ili pak već formiranih azotnih baza, kao i aminokiselina, dospeli na Zemlju udarom objekata iz svemira čini se vrlo moguć. Ova hipoteza se nekad naziva i pseudo-panspermija, ili molekularna panspermija. Buduća proučavanja svemirskih objekata Sunčevog sistema, kao i daljinska proučavanja egzoplaneta putem svemirskih teleskopa obezbediće više korisnih podataka kako bismo jednog dana možda saznali potpunu istinu o nastanku života na našoj planeti, kao i na drugim mestima. Do tada, ostaje nam da pravimo pretpostavke na osnovu dosadašnjih saznanja i maštamo.
Uz malo mašte, nije teško pretpostaviti da život može biti zasnovan na drugačijim aminokiselinama od onih koje su osnovne za građenje proteina koji čine organizme na Zemlji. U najmanju ruku, te aminokiseline mogu imati drugačije bočne ostatke koji će rezultirati i raznim, drugačijim 3D strukturama, a samim tim, za nas novim biološkim ulogama proteina, kao i odlikama kakve život na Zemlji ne poznaje. Primera radi, iako preovladava mišljenje da bi razvijanje čula poput čula vida trebalo da bude univerzalno, moglo bi postojati čulo vida koje uključuje širi spektar od vidljive svetlosti, npr. infracrveni deo, ili čak radiotalasni. Uz malo više mašte, možemo zamisliti gradivne blokove proteina, koje nisu aminokiseline, već njihovi analozi, povezani drugačijim vezama od peptidne. Takav scenario daje još raznovrsnije mogućnosti.

Zamene za vodu, ugljenik...

Ekstremnija verzija ovakvog scenarija jeste organska hemija koja nije zasnovana na ugljeniku, već nekom drugom elementu, i shodno tome gradivni blokovi polimera koji grade organizme, zasnovani na tom elementu. U takvom scenariju bi možda i voda kao rastvarač bila zamenjena nekim drugim jedinjenjem. Najpoznatiji od elementa koji se u literaturi pominje kao kandidat da menja ugljenik u alternativnoj hemiji života jeste silicijum. U slučaju biohemije zasnovane na silicijumu, prema fizičaru Džeraldu Fajnbergu, sa Univerziteta Kolumbija, i Robertu Šapiru, profesoru hemije sa Njujorškog univerziteta, ulogu rastvarača imale bi otopljene silikatne stene. U toj biohemiji učestvovali bi i kiseonik i možda aluminijum.
Razlog prvog mesta silicijuma na listi kandidata alternativnih ugljeniku jesu njegove hemijske sličnosti sa ugljenikom. One su logične, s obzirom da se silicijum i ugljenik nalaze u istoj grupi Periodnog sistema. Silicijum, poput ugljenika, može da gradi četvorovalentna jedinjenja i shodno tome postoji silicijumov analog metana (CH4), silan (SiH4). Vodonici u silanu mogu biti zamenjeni ugljovodoničnim alkil grupama (R), tako da postoji čitava klasa jedinjenja takođe zvana silani, opšte formule SiR4, slična ugljovodonicima. Oni se mogu polimerizovati u duge lance polisilana. Polisilanoli, silicijumski analozi ugljenih hidrata, odnosno šećera, jedna su od retkih jedinjenja koja su dobro rastvorna u tečnom azotu. Sa druge strane, hipotezi o živim organizmima čija se biohemija zasniva na jedinjenjima silicijuma, u prilog ne idu određene činjenice poput toga da atom silicijuma ima veći poluprečnik od ugljenika i zbog toga obrazuje slabije kovalentne veze - osim u slučaju veze sa kiseonikom. Takođe, pomenuti silani, posebno silani dugih lanaca se pri kontaktu sa vodom razlažu jer reaguju sa njom. Usled svega navedenog, može se zaključiti da je hemija ugljenika prirodno kompleksnija od hemije silicijuma. Silicijum je i desetostruko manje rasprostranjen u svemiru od ugljenika. Ipak, silicijum spada u 30 najrasprostranjenijih elemenata u svemiru. Tragom optimizma u vezi uključivanja silicijuma u organska jedinjenja, hemijski inženjer Arnold Frensis, sa Kalifornijskog tehnološkog instituta, čuvenog Caltech-a, sa svojim timom uspeo je da modifikuje određene enzime iz bakterija da sintetišu organska jedinjenja sa silicijumom. Logika iza poduhvata Arnolda i njegovog tima je da, ako takvi enzimi mogu biti napravljeni od strane ljudi dirigovanom evolucijom, priroda ih takođe negde može stvoriti.

Dok nije bilo kiseonika

Osim silicijuma, drugi elementi poput bora, sumpora, arsena, pa čak i nekih metala pojavljuju se kao hipotetički kandidati za život zasnovan na alternativnoj hemiji. Jedinjenja bora sa vodonikom, borani, iako jako eksplozivni u kiseoničnoj atmosferi kakvu poznajemo, u redukujućoj atmosferi mogu biti stabilni. Međutim, ni bor nije preterano rasprostranjen u svemiru tako da su, statistički, šanse za razvoj života zasnovanog na polimerima izgrađenim od bora - niske. Što se sumpora tiče, iako je u mogućnosti da gradi velike molekule dugog lanca, problem predstavlja visoka reaktivnost zbog koje, poput silana dugih lanaca, i oni mogu biti lako hemijski razloženi. Tu je i činjenica da sumpor radije gradi linearne lance, nasuprot račvastih. U prilog sumporu jedino ide činjenica da je ulazio u metabolizam određenih bakterija prisutnih na Zemlji pre čak 3,5 milijarde godina kao akceptor elektrona, što ga čini delom životnih procesa pre kiseonika.
Sumpor-redukujuće bakterije anaerobni su organizmi, nastali u razdoblju Zemljine istorije, dok atmosfera nije uključivala kiseonik. Koriste elementarni sumpor umesto kiseonika i redukuju ga do vodonik-sulfida, pri tome održavajući svoje vitalne životne procese poput rasta, čuvanja energije i respiracije. Arsen se pominje zbog svoje sličnosti sa fosforom kao kandidat za zamenu fosfora u analozima nukleinskih kiselina. Jedan rad iz 2008. godine pretpostavlja da su, u ranom periodu razvitka života i na Zemlji, postojali organizmi sa DNK koja sadrži arsen umesto fosfora. Tome u prilog ne ide činjenica da su arsenatni estri, koji bi činili kičmu lanaca takve DNK, podložniji hidrolizi od fosfatnih, prisutnih u našoj DNK. Uprkos tome, u jednoj studiji iz 2010. godine, sponzorisanoj od strane NASA-e, pominju se bakterije koje, u slučaju da im se uskrati fosfor pri uzgajanju, formiraju molekule analoge DNK sa arsenom na mestu fosfora, odnosno molekule DNK koji sadrže ostatke arsenata umesto fosfata. Čak je predložen i mehanizam koji koriste za prevazilaženje opasnosti od hidrolize veza preko arsenatnih ostataka u njihovoj alternativnoj DNK. Taj problem možda rešava prisustvo polihidroksibutirata (PHB-a) ili drugih jedinjenja koja efektivno smanjuju koncentraciju molekula vode, tako da onda ona neće biti prisutna u dovoljnoj količini da hidrolizuje estarske veze u lancima DNK sa arsenatnim ostacima. Treba pomenuti da su mnogi drugi naučnici kritikovali nalaze ove studije.
Poznato je da arsen i njegova jedinjenja ulaze u metabolizam nekih nama poznatih organizama. Neke alge npr. sadrže šećere koji uključuju i atome arsena, a neki mikroorganizmi poseduju metabolizam koji uključuje redukciju arsenata i oksidaciju arsenita. Možda najčudnija alternativa aminokiselinama i proteinima sastavljenim od njih jesu kristalne strukture sa više različitih metala i kiseonikom. Metali prisutni u takvim strukturama mogli bi biti titan, aluminijum, magnezijum, pa čak i gvožđe. Svi pomenuti metali zastupljeni su u Zemljinoj kori, tako da bi mogli biti zastupljeni i na drugim planetama.

A neplanetarni i nehemijski oblici?

Kao kandidati za alternativni rastvarač, odnosno medijum za razvoj života, nasuprot vodi, pominju se amonijak, fluorovodonik, metan i drugi ugljovodonici, vodonik-sulfid, kao i već pomenuti silicijum-dioksid, odnosno otopljeni silikati. Amonijak, poput vode može biti i donor i akceptor protona, što je verovatno bitna karakteristika za odigravanje hemijskih reakcija u rastvoru. Što se tiče metana kao rastvarača, razvijen je čitav računarski model ćelijske membrane koja bi funkcionisala u tečnom metanu, na način na koji naše fosfolipidne ćelijske membrane funkcionišu u vodi. Ime te hipotetičke ćelijske membrane je azotosom, a sačinjena je od akrilonitrila. Titan poseduje metansku atmosferu, a akrilonitril je u značajnijoj količini detektovan u atmosferi Titana, 2017. godine. Fluorovodonik je poput vode jako polaran, što ga čini dobrim rastvaračem koji rastvara veliki broj jedinjenja. Vodonik-sulfid je sumporni analog vode, ali je manje polaran od nje, pa je i slabiji rastvarač.
Najmaštovitije teorije o prirodi života van Zemlje, drugačijeg od onog kakvog poznajemo, uključuju i neke neplanetarne oblike, kao i nehemijske oblike. Hipoteza o neplanetarnom, ali ipak hemijski zasnovanom životu uključuje čestice prašine reda veličine mikrometra, ili pak nanometra, suspendovane u plazmi. Takve čestice bi se u plazmi naelektrisale, ali se ne bi raspale nego, ako je verovati određenim računarskim modelima, bi mogle da se samoorganizuju u kompleksne helikularne strukture koje bi imale odlike živih bića. Još maštovitija je hipoteza o kosmičkim ogrlicama satkanim od kosmičkih struna koje povezuju magnetne monopole unutar zvezda i, pod uticajem gravitacije, zauzimaju razne oblike i grade kompleksne strukture.

Nisu potrebni „ugljenični šovinisti“

Iako je zanimljivo razmišljati i diskutovati na temu ovako egzotičnih i radikalno drugačijih alternativa, činjenica da su zakoni fizike iz kojih proizlaze i hemijske karakteristike elemenata i jedinjenja univerzalni, ipak je verovatnije da ista dobitna kombinacija ima veće šanse za uspeh i drugde. Slično tome, sa biološke tačke gledišta, čulo vida, ili postojanje udova predstavlja logično rešenje. Tome u prilog ide činjenica da je na Zemlji, u različitim organizmima, sa veoma udaljenim zajedničkim precima, u različitim razdobljima, potpuno nezavisno došlo do istih evolutivnih rešenja. Ne treba biti ni ugljenični šovinista, kako je pokojni Karl Segan govorio. Možda do istih evolutivnih rešenja, istih bioloških uloga i analognih procesa može doći sa monomerima na bazi nekog drugog elementa. Tome u prilog ide činjenica da neki proteini koji imaju gotovo istu 3D strukturu i obavljaju istu biološku ulogu u različitim organizmima, imaju delimično drugačiju primarnu strukturu, odnosno na nekim mestima druge aminokiseline. To je moguće jer te druge aminokiseline imaju slične fizičko-hemijske osobine kao one aminokiseline koje zamenjuju, pa njihovi bočni ostaci u moru interakcija koje dikturaju uvijanje lanca, odnosno 3D strukturu proteina, naposletku daju istovetni rezultat i omogućuju obavljanje iste uloge kao u drugoj verziji proteina u drugom organizmu. Slično tome monomeri na bazi drugog elementa bi trebalo da mogu da grade svoje proteine koji bi trebalo da mogu da služe za iste biološke uloge poput onih koje naši proteini obavljaju.
Detaljno proučavanje atmosfera i površina objekata u Sunčevom sistemu koje u predstojećim decenijama i vekovima čeka čovečanstvo, uz sofisticiranu analizu podataka o sastavu atmosfera egzoplaneta koje pribavljaju svemirski teleskopi i primenu modela potpomognutih veštačkom inteligencijom, pre ili kasnije iznedriće odgovor na najzanimljivija pitanja koja smo ikada kao vrsta postavili. Nije samo od praktičnog značaja da zasigurno znamo da postoji život na mnogim svetovima u ogromnim prostranstvima svemira, već je i od duboko filozofskog značaja da znamo da nismo toliko jedinstveni. Još dublji filozofski značaj ima odgovor na pitanje: kako smo nastali, ma koji odgovor to bio. Saznanje da, van svake sumnje, život može postojati van Zemlje i da, van svake sumnje, život može biti zasnovan na malo drugačijoj biohemiji, otpočeće jednu novu eru u ljudskom postojanju gde će univerzalnost biti značajno širi termin.

Ivan Kremer

Kompletni tekstove sa slikama i prilozima potražite u magazinu
"PLANETA" - štampano izdanje ili u ON LINE prodaji Elektronskog izdanja
"Novinarnica"