Kaip gali atrodyti nežemiška gyvybė?

Teksto autorius dr. Gintautas Bagdžiūnas.

Kai galvojame apie ateivius, dažniausiai įsivaizduojame Holivudo sukurtus humanoidus arba monstrus, nes tikime, kad gyvybei Visatoje būtinos tokios pat sąlygos kaip Žemėje. Sugriaukime šį mitą, pažvelgę į pasaulį chemiko akimis. Tuomet mums atsiveria visiškai kitokie pasauliai: nuo deimantinių planetų su skystų angliavandenilių upėmis iki uolienų neturinčių geležies rutulių ar brangakmeniais nusėtų aliuminio oksido planetų. Užuot apsiribojus tik vandeniu, mokslas šiandien tiria gyvybės galimybes egzotinėse terpėse. Tokiose kaip skystas metanas, amoniakas, acetonitrilas ar superkritiniai skysčiai. Tai nėra vien fantazijos. Giliai Žemės vandenynų dugne, Okinavos įduboje, atrasti mikroorganizmai, puikiai klestintys superkritinio anglies dioksido ežeruose. Vadinasi, ląstelės sugeba prisitaikyti prie sunkiai įsivaizduojamų sąlygų. Visata yra milžiniška cheminių variacijų laboratorija, o gyvybė – universalus būdas kovoti su entropija.

Gyvybės formos kine ir gyvenime
Net patys keisčiausi kino monstrai – nuo „Svetimo“ iki „Grobuonies“ – turi aiškiai atpažįstamus biologinius bruožus: jie kvėpuoja, kraujuoja mums toksišku ir ėdriu krauju, turi skeletą, po kelias galūnes ir medžioja naudodami akis ar infraraudonųjų spindulių jutiklius. Tačiau šie padarai tėra mūsų pačių atspindys. Tuo tarpu nežemiška gyvybė gali būti į mus visiškai nepanaši, gyventi labai trumpai arba labai ilgai, būti gigantiška arba mikroskopinė.
Pavyzdžiui, Jupiterio tipo dujų milžinų atmosferose, kur nėra kieto pagrindo, o audros drasko atmosferą tūkstančių kilometrų per valandą greičiu, evoliucija galėjo sukurti gigantiškus debesų dydžio sutvėrimus. Tuo tarpu šaltose kosmoso uolose galbūt auga mažos silicio grūdelių kolonijos, kurių medžiagų apykaita tokia lėta, kad vienas jų „įkvėpimas“ trunka šimtmečius. Tokie mikroskopiniai organizmai giliai po ledu ar uolienomis energiją imtų ne iš saulės, o iš radioaktyviųjų cheminių elementų skilimo, magnetinio lauko ir savo sandara primintų gyvus mikroprocesorius.

Egzotiškosios planetos
Ką jau žino mokslininkai, ieškantys tokių nežemiškų pasaulių galaktikoje? Kai kurie atradimai stulbina. Anglies (deimantų) planetose deguonis sunaudojamas dujų gamybai, o mineralų karkasą pradeda formuoti anglies junginiai – karbidai ir gryna anglis. Šių planetų pluta ir mantija būtų sudarytos iš grafito, silicio karbido ir titano karbido. Tačiau įdomiausia dalis slepiasi giliau: dėl milžiniško slėgio planetos viduje stori grafito sluoksniai kristalizuotųsi į tūkstančių kilometrų storio gryno deimanto mantiją. Šių planetų atmosfera būtų sudaryta iš CO, metano ir kitų angliavandenilių, o vandens čia nerastume, nes tyvuliuotų skystų angliavandenilių jūros ir upės. Jei tokioje deimantinėje planetoje vystytųsi gyvybė, ji turėtų išmokti kvėpuoti dujomis, sudarytomis iš anglies junginių, o jos ląstelių membranos turėtų būti pritaikytos gyventi ne vandens, o skystų angliavandenilių, panašiuose į mūsų naftą, telkiniuose.
Aliuminio oksido pasauliai – teoriniai planetų tipai, kurie formuojasi aplink žvaigždes, turinčias neįprastai mažą geležies ir silicio kiekį, bet daug lengvųjų elementų. Tokių planetų mantija sudaryta iš aliuminio oksido, žinomo kaip mineralas korundas. Kadangi jis su tam tikromis chromo ar geležies priemaišomis sukuria rubinus ir safyrus, šių planetų kalnai ir uolos tiesiogine prasme būtų sudaryti iš brangakmenių. Tokių planetų aplinka – tikras termodinaminis iššūkis gyvybei. Aliuminio oksido uolienos chemiškai neįtikėtinai inertiškos. Tokiose planetose tektoniniai procesai (vulkanų išsiveržimai, plokščių judėjimas), kurie Žemėje palaiko anglies-silicato ciklą ir stabilizuoja klimatą, vyktų visiškai kitu ritmu arba neprasidėtų išvis. Gyvybė turėtų ieškoti kitų būdų planetos energijai subalansuoti. Planetų įvairovė rodo, kad astrobiologija privalo atsisakyti geopolitinio egocentrizmo.

Gyvybė Jupiteryje įmanoma?
Dar 1976 m. garsus astrobiologas Carlas Saganas kartu su fiziku Edwinu Salpeteriu kūrė modelius, norėdami išsiaiškinti, ar Jupiterio tipo atmosferoje galėtų funkcionuoti ekosistema. Remdamiesi termodinamikos ir aerodinamikos dėsniais, jie išskyrė tris teorines organizmų klases, kurios galėtų išgyventi dujų milžino debesyse. „Skoninkai“ (angl. Sinkers) – mikroskopiniai organizmai, primenantys Žemės vandenynų planktoną. Jie pasyviai dreifuoja atmosferos srovėse. Didžiausias iššūkis – išgyventi turbulenciją ir nenusileisti į giliuosius, karštus atmosferos sluoksnius, kur slėgis ir tūkstantinė temperatūra juos akimirksniu sunaikintų. „Plūduriai“ arba „Balionai“ (angl. Floaters) gigantiški, dešimčių metrų ar net miestų dydžio sutvėrimai. Tokie gyvi dujų balionai pumpuotų iš savo vidinių ertmių sunkesnes dujas ir pildytųsi lengvesnėmis – vandeniliu arba heliu, taip palaikydami pastovų aukštį švelnesnio slėgio atmosferos zonose. Šios būtybės maitintųsi „skoninkais“ arba tiesiogiai sugertų organines molekules, kurias atmosferoje sintezuoja žaibų išlydžiai ir ultravioletinė spinduliuotė. Trečioji grupė pavadinta „Medžiotojais“ (angl. Hunters). Tai greiti, manevringi plėšrūnai, naudojantys reaktyvinę jėgą (išpūsdami dujų sroves), judėti per debesis ir medžioti milžiniškus „plūdurius“. C. Sagano ir E. Salpeterio idėja yra puikus teorinis biofizikos pratimas, įrodantis, kad gyvybė galėtų sukurti mechanizmus plūdrumui dujinėje aplinkoje palaikyti. Tačiau realiomis dujinių milžinų sąlygomis tokios ekosistemos atsiradimas ir ilgalaikis išlikimas mažai tikėtinas dėl nepalankių termodinamikos, atmosferos dinamikos dėsnių ir kieto pagrindo trūkumo.

Alternatyvos vandeniui
Ieškant alternatyvų vandeniui, astrobiologų akiratyje dažniausiai atsiduria trys tirpikliai, galintys sukurti terpę gyvybės chemijai: skystas amoniakas, skystas metanas arba kiti angliavandeniliai ir superkritinis CO2. Kiekviena iš šių terpių pasižymi unikaliomis fizikinėmis savybėmis, tačiau jos susiduria su vienu didžiausių evoliucinių iššūkių. Žemės gyvybei pasisekė – vanduo yra viena iš labai retų anomalijų gamtoje, kurios kietoji fazė (ledas) yra mažesnio tankio nei skystoji. Kai vanduo šąla, jo molekulės dėl vandenilinių ryšių išsidėsto į taisyklingą, mažesnio tankio kristalinę gardelę, todėl ledas plūduriuoja vandens paviršiuje. Šis reiškinys apsaugo Žemės ežerus ir vandenynus nuo visiško užšalimo iki pat dugno, sukuriant saugų skystą ir stabilios temperatūros prieglobstį po ledu.
Kaip elgiasi kitos cheminės medžiagos? Skystas amoniakas egzistuoja žemoje temperatūroje nuo -77 °C iki -33 °C. Nors amoniakas taip pat formuoja vandenilinius ryšius, bet užšaldami amoniako kristalai skęsta. Tai reiškia, kad amoniako vandenynas, prasidėjus planetinei žiemai, pradėtų šalti nuo dugno į viršų, sušaldydamas bet kokią ten egzistuojančią gyvybę. Tiesa, jei amoniakas sumaišytas su vandeniu (kaip palydovų Europos ar Encelado gelmėse), toks mišinys gali elgtis kaip paprastas ledas. Titano ežerų pagrindas yra metanas – visiškai nepolinis tirpiklis. Jis skystas esant -182 °C temperatūrai. Sušalęs metanas yra tankesnis už skystą ir skęsta. Jei Titane staiga stipriai nukristų temperatūra, jo angliavandenilių jūros sukietėtų nuo dugno. Bet kadangi šio palydovo ežeruose visada yra ištirpusio azoto dujų, kristalizuojantis metanui, azoto burbuliukai gali įstrigti lede ir laikinai iškelti jį į paviršių. Superkritinė CO2 būsena apskritai neturi klasikinės skysčio/kietojo kūno ribos, nes tai hibridinė agregatinė fazė. Tačiau jei temperatūra ir slėgis nukristų žemiau kritinio taško, CO2 virstų sausuoju ledu, kuris žymiai tankesnis už skystąjį CO2 ir iškart nusileistų į dugną arba šaltų nuo dugno.
Tai liudija, kad bet kokiame pasaulyje, kur gyvybės pagrindas nėra vanduo, ekosistemos būtų neįtikėtinai jautrios klimato svyravimams. Planetos, kuriose tyvuliuoja amoniako ar metano jūros, privalo pasižymėti itin stabiliu vidiniu termoreguliavimu (pavyzdžiui, geoterminiu šildymu), kad apsaugotų gyvybę nuo mirtino vandenynų užšalimo. pasižymi germanis, bismutas, galis, silicio dioksidas.

Apie fantazijos ribas
Atradimai egzoplanetose rodo, kad gyvybės esmė gali būti ne konkrečios molekulės, bet gebėjimas kovoti prieš entropiją, saugoti informaciją ir keistis energija su aplinka. Jei šį principą gali užtikrinti skystas metanas stingdančiame Titane, superkritinis anglies dioksidas ant Veneros paviršiaus ar metalų ar silicio ežerai vandenilio atmosferoje, gyvybė gali rasti plyšį išgyventi. Didžiausias laukiantis iššūkis žmonijai – ne techninis prietaisų tobulinimas, o mūsų mąstymo rėmų išplėtimas. Ateities astrobiologinės misijos, analizuodamos tolimų planetų atmosferų spektrus ar leisdamos zondus į poledinius vandenynus, gali susidurti su biožymenimis, kurių iš pradžių net nelaikysime gyvybės cheminiais signalais. Kai atrasime pirmuosius nežemiškos gyvybės įrodymus, labiausiai mus gali nustebinti, kokie gražūs ir radikaliai svetimi jie yra. Tai bus galutinė pamoka, kad esame tik viena iš daugelio gyvybės modelių, sukurtų universaliosios Visatos chemijos ir fizikos.
Daugiau apie tai sužinosite Mokslo festivalyje, rugsėjo 15 d. 10 val. apsilankę Bagdžiūno paskaitoje „Kaip gali atrodyti nežemiška gyvybė?“, kuri vyks VU Gyvybės mokslų centro R101 auditorijoje (Saulėtekio al. 7, Vilnius).