Mire van szüksége egy a földitől eltérő életformának, helyettesíthetők egyáltalán a nálunk működő anyagok, mechanizmusok, a víz valóban csak egy szükséges rossz?

Az összes ismert élőlény, a parányi baktériumtól az emberig két alapvető kémiai összetevőn alapul, a szénen és a vízen. A szénnek megvan az a ritka képessége, hogy összekötve a nélkülözhetetlen elemeket, az élet számára létfontosságú komplex molekulákat alkosson. A közeg pedig, melyben ezek a molekulák lebegnek, nem más mint a víz, melyben az élet összes alapvető kémiai reakciója végbe megy.

Egyetlen más folyadékról sem sikerült még bebizonyítani, hogy képes teljes egészében helyettesíteni a vizet. A Marsra és a Vénuszra küldött szondák megerősítették ezt a nézetet, mivel a kiszáradt, víz nélküli környezetekben mindeddig nem sikerült rábukkanni a kis zöld emberkékre.

Évtizedek óta lebeg a levegőben azon eshetőség, hogy valahol a világegyetemben létezik egy olyan különös életforma, ami ammóniára vagy folyékony metánra szomjazik, sőt a legutóbbi kutatások azt sugallják, hogy a megfelelő környezetben az élet a Földön megszokottól teljesen eltérő kémiából is kialakulhat, ami új alapokra helyezheti a földönkívüli élet utáni kutatást, illetve segíthet az itteni élet eredetének alaposabb megismerésében.

Első nekifutásra azt mondhatnánk, hogy a földönkívüli élet a földihez hasonló lehet, ahogy ezt a tudósok is tették az utóbbi évtizedekben. Valóban ésszerűen hangzik, hogy a víz, a szén és néhány adott molekula, mint a proteinek és a DNS a legjobb választás egy életforma számára. A szén mint fentebb is említettük tökéletes alapul szolgál az összetett biomolekulák számára, a szénatomok láncait egyéb elemekkel, mint oxigénnel, nitrogénnel és hidrogénnel kombinálva pedig megkapjuk az élet nagy molekuláinak gerincét, az aminosavakat, fehérjéket és a DNS-t, továbbá az energia tárolásában, valamint a növények és rovarok szerkezetének kialakításában nagy szerepet játszó poliszacharidokat, a cukor egy összetett formáját.

A szén emellett a világegyetem egyik leggyakoribb eleme a hidrogén, a hélium és az oxigén után, tehát egy élet bőven meríthet belőle tartalékokat. A 93 természetesen előforduló elemből csak a szilíciumot választották ki, mint az élet alapjainak lehetséges alternatíváját, ilyen szilíciumalapú életet sejtenek a Szaturnusz holdján, a Titánon. Szerves molekulák, mint az aminosavak és sejtek által DNS-é, vagy proteinekké alakítható nukleobázisok bizonyítottan megtalálhatók a meteoritokban és igen nagy hőmérsékleti tartományt képesek elviselni -80-tól egészen +160 Celsius-fokig, így talán nem alaptalan a feltevés, hogy a szén bárhol lehet az élet alapja.

Ejtsünk szót azonban a vízről is, nem véletlen, hogy az űrügynökségek olyan nagy erőfeszítéseket tesznek azért, hogy megtalálják a környező bolygókon, égitesteken. A vízmolekulák tökéletesek a hidrogén atomok szállítására más molekulák számára, katalizátorként szolgálva a biológiai reakcióknál, mint például a cukor lebontásánál. Légköri nyomáson a víz elég széles hőmérséklet skálán marad folyékony, a biomolekulák véletlenszerű lebegtetésére alkalmas közeget nyújtva, amíg azok nem találkoznak olyan molekulával, amivel reakcióba léphetnek. A víz legkülönlegesebb képessége azonban a magas felületi feszültség és az alacsony viszkozitás kombinációja, aminek köszönhetően sokkal jobb tároló a nagy molekulák, például a proteinek számára, mint bármely más folyadék, miközben maga körül tudja tartani a kis molekulákat, a cukrokat, amíg el nem fogyasztja azokat.

Mindezen pozitívumok mellett sokan erősen megkérdőjelezik a víz szükségességét az élet számára, mondván, a földi élet vízfüggősége pusztán a véletlen műve. Dirk Schulze-Makuch, a Washington Állami Egyetem asztrobiológusa szerint a földi élet kénytelen volt alkalmazkodni a vízhez, mivel ez az egyetlen olyan folyadék bolygónkon, ami szinte kimeríthetetlen. Egy melegebb bolygón ugyanilyen alkalmasak lennének az élet ellátására a kénsav-óceánok, míg a hidegebb környezetekben a metanol, ammónia vagy akár a metán.

Annak ellenére, hogy az USA és Európa vízalapú élet után kutat a Marson, egyre több bizonyíték utal arra, hogy az életnek nincs szüksége vízre. Az ipari kemikáliákat előállító mérnökök elsőkézből tapasztalhatják, hogy a nélkülözhetetlen biológiai katalizátorok szénhidrogén folyadékokban is képesek kifejteni hatásukat. A víz nem minden tulajdonsága egyedi; több más folyadék, mint például a hidrogén-fluorid, a kénsav, az ammónia, de még a hidrogén-peroxid is szállítja a a sejtek tápanyag-emésztéséhez nélkülözhetetlen kémiai reakcióit segítő hidrogéniont, akárcsak a víz. Márpedig több jel is arra mutat, hogy a marsi talajban hidrogén-peroxid-alapú mikrobák lakoznak, míg a Vénusz felhői kénsavfogyasztó társaiknak kedvezhetnek.
"Pár évtizeddel ezelőtt még az a nézet uralkodott, hogy az enzimek egyáltalán nem működnek a vízen kívül más közegben" - magyarázta Douglas Clark, a Berkeley Egyetem biokémikusa a New Scientist magazinnak. "Bizonyos körülmények között az enzimek azonban nagyon is aktívak tudnak lenni más folyadékokban is, ami akkor igen meglepte a tudóstársadalmat"

Clark számos ipari oldószerrel is kísérletezett, többek közt acetonnal, dietil-éterrel, toluénnel és hexánnal is. Eredményei szerint egyes enzimek ugyanolyan hatékonyan működnek a felsorolt oldószerekben mint a vízben, bár azt a kutató is elismerte, hogy enzimjeiben akad néhány vízmolekula, tehát teljes egészében még nem sikerült elszakadni a víztől. Emellett az enzimeket sóval kell kezelni a megfelelő működés elérése érdekében, a só ionjai ugyanis egy töltéssel ellátott környezetet biztosítanak, ami pótolja a víz szinte teljes hiányát, tehát még nem tökéletesek, azonban azt sem szabad elfeledni, hogy ezek az enzimek 4 milliárd évnyi vizes evolúciónak a termékei.

A Caltech kutatói szintén bebizonyították, hogy bizonyos enzimek könnyedén képesek elvonatkoztatni a víztől. A kutatócsoport véletlenszerű mutációkat eszközölt a szubtilizin élesztő enzimen, majd a mutánsokat dimetilformamid koncentrátumba helyezték. Az enzimnek mindössze öt környi kiválasztódásra volt szüksége ahhoz, hogy új változata az eredetivel szemben 500-szoros aktivitást érjen el a fenti folyadékban. Az enzim aminosavjai csupán 5%-ban változtak.

Az élet számára alkalmas folyadékok közül talán a szén-dioxid a legfurcsább. A Földön gáz halmazállapotban fordul elő, de ha feltornásszuk a nyomást 90 atmoszféráig, ami a Neptunuszon vagy a Vénuszon tapasztalható, a CO₂ egy kvázi-folyadékállapotba zuhan, amit a kémikusok szuperkritikusnak neveznek. Ha ezt a szuperkritikus CO₂-t egy edénybe helyezzük, akkor ugyanolyan nehéznek tűnik, mint a víz, ha viszont belevetnénk magunkat egy ilyennel telített medencébe, akkor olyan érzésünk lenne mintha a levegőben úsznánk, mivel molekulái nem kötődnek olyan szorosan egymáshoz, mint a legtöbb folyadéké. A mérnökök ebben a folyadékban is letesztelték az enzimeket, melyek ugyanolyan hatékonysággal működtek mint hexánban vagy éterben.

A megfelelő folyadék azonban csak egy része a történetnek, a földi élet - leszámítva néhány vírust - dezoxiribonukleinsavat (DNS) használ az organizmusok felépítéséhez és működtetéséhez szükséges információ kódolásához. Vajon erre létezhet-e valamilyen alternatíva? Tárolható-e másként is a genetikai információ?

A DNS egy kettős spirál, úgy néz ki mint egy megcsavart létra. A létra minden foka egy molekulapárt, bázisokat képvisel, melyekből négy típus létezik, A (adenin), C (citozin), G (guanin) és T (timin), ezek alkotják az összes genetikai kód ábécéjét. A létra tartását dezoxiribóz cukrok biztosítják, melyeket töltéssel rendelkező foszfátcsoportok kötnek össze.

A biológusok módszeresen megváltoztatták a DNS-molekula különböző részeit, hogy felderítsék, szerkezetének mely részei szükségesek a megfelelő működéshez. Számos olyan részt sikerült azonosítaniuk, melyek megváltoztatása nem okoz kárt a molekulában, például a dezoxiribóz helyettesíthető más cukrokkal, illetve a bázisoknál is alkalmazhatók eltérő molekulák. Itt azonban véget is érnek a lehetőségek, állítja Steven Benner, a szintetikus biológia szakértője. Kísérletei kimutatták, hogy a foszfát csoport lecserélése egy töltés nélküli helyettesítőre katasztrófához vezet. A DNS-szál instabillá válik és összeomlik. Sokáig találgatták a foszfát szerepét, sokáig vitatták fontosságát, a kísérlet azonban kimutatta nélkülözhetetlenségét.

A töltés tartja szilárdan a DNS-t azáltal, hogy egy vízmolekulákból álló tartóállványt szervez lánca körül, nélkülük a DNS könnyedén egy gombolyaggá válik. Íme, máris újra nélkülözhetetlennek tűnik a víz, legalábbis az általunk ismert életnél. Ennek köszönhetően egy idegen DNS-e, illetve annak megfelelője, ami víz helyett ammóniát vagy mondjuk metánt alkalmaz, teljesen eltérő szerkezetet követel meg a stabilitás megtartásához. A foszfát helyett is valami másra volna szükség, szénhidrogén- vagy benzénmolekulákra, véli Jack Szostak, a Harvard molekuláris biológusa.

Többen is hiszik, hogy az élet, akárhol lakozzon is, genetikáját tekintve gyakorlatilag egyforma. Elképzelhetők kisebb különbségek, a biológiai kiválasztódás azonban rendkívül erős, melyből csak a legjobb kerülhet ki, tartja Norman Pace, a Coloradói Egyetem biokémikusa. A tudósok szerint az igazi különbségek elsősorban az egyszerű mikrobáknál ütköznének ki, egy igazán komplex földönkívüli élet már jóval több hasonlóságot mutatna a földivel. Peter Ward asztrobiológus szerint a komplexitáshoz idegrendszerre van szükség, az idegrendszernek pedig oxigénre.

A neuronok rendkívül energiaéhesek és bár az energiakinyerő molekulák a Földön képesek CO₂ vagy vasásványok használatára az oxigén helyett, ezek legjobb esetben is csak fele annyi energiát adnak mint az oxigén, sőt időnként még az 5%-ot sem érik el. Egy világ, melyben a gerincesekéhez hasonló életforma kialakulhat leginkább oxigénlégkört és meleget igényel, utóbbi a gyors metabolizmushoz szükséges, itt azonban már nagyon valószínű hogy a víz is jelen lesz.

Hol keressünk hát életet a Naprendszeren belül, tette fel a kérdést Douglas Fox, a New Scientist szerkesztője. Schulze-Makuch és kollégái a Titán felszínét tartják a legelképzelhetőbb helyszínnek. Szerintük a felszínen élhetnek mikrobák, melyek a magasabb légrétegben a napfény által termelt etén gázzal táplálkozhatnak és metánt bocsátanak ki, sejtjeik folyékony metánnal vagy etánnal lehetnek teliek. Ez jelentős eltéréseket mutat a földi élethez viszonyítva, éppen ezért mielőtt szondát küldenénk a holdra az élet felkutatására, először gyarapítani kellene a nem-biológiai kémiai reakciókról szerzett ismereteinket, hogy meg tudjuk majd különböztetni azokat az élet természetes jeleitől.