Exotické druhy života na exoplanetách

 Dodnes nevíme, jak přesně vznikl život. Vědci ale zformulovali několik logických podmínek, které musí být splněny pro vznik života podobného tomu našemu.  (délka blogu 8 min.) 

Fyzikální síly, které působí ve vesmíru a které definují vzájemné chování různých prvků, jsou univerzální. To znamená, že i když známe jen jeden druh života (náš vlastní), můžeme vycházet z toho, že podobně vznikl i jinde ve vesmíru - i tam totiž fungují stejné fyzikální a chemické zákony a nacházejí se tam podobné chemické sloučeniny, které vzájemně reagují podobným způsobem.

Organická chemie

Všechny známé formy života jsou založeny na uhlíku a uhlíkové chemii, kterou nazýváme organickou. Dříve se uvažovalo také o jiných chemických prvcích, například křemíku. Faktem ale zůstává, že žádný jiný chemický prvek v podmínkách, jaké panují na Zemi, neumožňuje vznik tak bohaté a komplexní chemie - nevytváří dostatečné množství různorodých chemických sloučenin. 

Navíc se náš typ života skládá  právě z těch prvků, které jsou ve vesmíru nejčastější a vznikají prakticky v každé větší hvězdě. Svou chemií tedy nejsme nijak výjimeční - právě naopak. 

Teorie říká, že život vzniká jako následek samoorganizace hmoty. Uhlík vytváří obrovské množství nejrůznějších sloučenin. Z některých takto spontánně vznikajících chemikálií se tvoří další složité chemikálie, které mají schopnost se samy organizovat. Mohou se pak dokonce naučit reprodukovat, zpracovávat své okolní prostředí a vytvářet své vlastní kopie. 

Potřebné podmínky

Pro existenci života je tedy nutná obrovská chemická rozmanitost, která je vygenerovaná jen malým počtem chemických prvků. V našem případě je to uhlík, vodík, kyslík a síra s příměsemi, které později přebírají v živém organismu speciální úlohy. 

Chemické sloučeniny, díky kterým později vznikne živá hmota, musí mít dostatečně dlouhou životnost. Nesmí se rozpadat během pár vteřin. Musí být stabilní nebo alespoň metastabilní - stabilní v určitých fyzikálních podmínkách. Naše DNA například zůstává funkční v konkrétním intervalu teplot, které jsou na Zemi běžné. 

Chemikálie musí být v kapalném stavu nebo musí být přístupné v kapalině. Není to náhoda, že život vznikl v mořích a oceánech mladé planety. Difuze, tedy zpřístupnění chemických látek totiž v pevné hmotě probíhá daleko pomaleji než v kapalině. 

Další speciální podmínkou je mechanismus, který dovoluje ukládat a znovu uvolňovat energii. Tu totiž potřebuje živá hmota k udržení své funkčnosti. Na naší vlastní planetě se rostliny naučily ukládat energii do glukózy, zatímco anaerobní bakterie upřednostňují sloučeniny síry. 

Aniž bychom museli zacházet do dalších detailů, je pro vývoj života také nutný nějaký mechanismus dědičnosti. Tuto roli převzala v našem typu života DNA, možný je ale podle vědců i jednodušší polymer. 

Exotický život

Co když ale může život vznikat i v jiných podmínkách, než jaké panují na Zemi? Základní podmínkou tu pořád ještě musí být dostatečné množství dostupné energie. Živé organismy budou koneckonců na zdroje energie odkázané - perpetuum mobile v našem vesmíru nefunguje. Život se tedy musí vyvinout v oblasti, kde je dostatek energie. 

Zdá se, že ve vesmíru existuje kromě uhlíku ještě jeden prvek, který je schopen vytvářet obrovské množství komplexních sloučenin - i když jeho chemie funguje pouze ve velice exotických podmínkách. 

Vědci nalezli extrémně bohatou chemii sloučenin dusíku a vodíku. Dovolil to rozvoj počítačové technologie a počítačových simulací. 

O možných variantách chování dusíku se spekulovalo už dříve - na jejich fyzický výzkum ale nebyly ani podmínky ani dostatek zdrojů. A to přesto, že vysoký tlak, při kterém mají takové sloučeniny existovat, už umí lidstvo vytvořit delší dobu. Zkoumat takové sloučeniny jednotlivě a nesystematicky by se ale dalo přirovnat k rytí lesa při hledání lanýžů naslepo. Můžete si vzít rýč a jít do lesa rýt jehličí. Navečer budete zrytá určitá plocha lesa, není ale jisté, že lanýže najdete. 

Pomocí počítačů dnes mohou vědci simulovat chování chemických sloučenin dusíku (existujících při vysokém tlaku a teplotě) cíleně a systematicky. Mohou vybírat ty, které mají optimální vazby s různými chemickými prvky a mají tedy také zajímavé chování. Svým způsobem tedy ryjí v lese jen tam, kde se dá očekávat existence lanýžů. 

Život na základě dusíkatých sloučenin, existujících pod vysokým tlakem

Ve vesmíru se nalézá velké množství dusíku a vodíku. Planety Uran a Neptun se například skládají přibližně z 8 % čpavku, tedy nejjednodušší sloučeniny vodíku a dusíku, který je stabilní dokonce i v našich podmínkách. 

Tyto planety mají mimochodem mnohem více dusíku než kolik máme na své vlastní planetě uhlíku, který vytváří živé organismy. Tím se splňuje podmínka dostatečného množství materiálu. 

Dusíkaté sloučeniny mají nízký bod tání a varu, který v našich podmínkách způsobuje, že se dusík nebo třeba čpavek nacházejí ve formě plynu. Se zvyšujícím se tlakem (stejně jako teplotou - například v nitru obřích planet) se ovšem body tání a varu zvyšují, takže se zde tyto sloučeniny mohou nacházet v tekutém stavu. Tím se splňuje podmínka tekutiny, nutná pro dostatečnou mobilitu chemických sloučenin a jejich difuzi. 

Ukazuje se také, že sloučeniny dusíku s vodíkem budou dostatečně stabilní na to, aby mohly vytvořit živou strukturu. Problém nebude ani v rozmanitosti dusíkatých sloučenin. V podmínkách vysokého tlaku a teploty jich může existovat obrovské množství. Jejich chemické vlastnosti nezaostávají za organickou pozemskou chemií - naopak. 

Přesto zatím vědci nemohou dát definitivní odpověď na otázku, jestli může existovat život uvnitř takových planet jako jsou například Uran nebo Neptun. Zatím se neví, jestli jsou například metastabilní sloučeniny v těchto podmínkách dostatečně trvanlivé. Logicky nemohou vědět, které konkrétní sloučeniny by měli zkoumat v počítačových simulacích. Mohou jen potvrdit, že životnost dusíkatých sloučenin by měla být lepší než je tomu u samotných uhlíkatých organických látek. Mělo by to být způsobeno silnějšími kovalentními vazbami dusíku a vodíku, které takové sloučeniny vykazují. Můžeme se ale jistě těšit na další zajímavé objevy. 

Zdroje: https://www.nature.com/articles/s41467-018-03200-4, https://www.nature.com/articles/s41467-023-37384-1, https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202207469, https://arxiv.org/pdf/0906.2569.pdf , https://idw-online.de/de/news799381