ავტორი: ტატო ანთაძე

რატომ ვერ წარმოვიდგენთ სიცოცხლეს ნახშირბადის გარეშე დედამიწასა თუ სხვა პლანეტებზე

რა არის "ნახშირბადის შოვინიზმი" და რატომ შეიძლება უცხოპლანეტელები ბიოლოგიურად ჩვენი მსგავსები იყვნენ

ასტროფიზიკოსები ვარაუდობენ, რომ სამყაროში ორასი მილიარდ-ტრილიონი ვარსვკლავია და კიდევ უფრო მეტი პლანეტა, ამიტომ ერთი შეხედვით მოსალოდნელია, რომ კოსმოსი სავსეა სიცოცხლის ფორმებით. მათი მოძიება არც ისე მარტივი საქმეა, თუმცა მეცნიერთა უმეტესობა ვარაუდობს, რომ თუ სადმე სიცოცხლეს გადავაწყდებით, ის დედამიწაზე არსებული სიცოცხლის ფორმების მსგავსი იქნება.

ამ ვარაუდს, უხეშად რომ ვთქვათ, მეტწილად ერთი ელემენტი — ნახშირბადი განაპირობებს. სამეცნიერო ფანტასტიკაში და პოპულარული მეცნიერების აუდიტორიისთვის ხშირად უცნაურია, რატომ არ შეიძლება სხვანაირი სიცოცხლის წარმოდგენა, რომლის ფუნდამენტური საშენი მასალა შეიძლება, ნახშირბადის გარდა, რამე სხვა იყოს. კოსმოსი დიდი და უცნაურია, ვინ იცის რამდენნაირი სიცოცხლის ფორმა არსებობს. რატომ მაინცდამაინც ნახშირბადი?

ნახშირბადის ატომებს "უყვართ ერთმანეთი"

დედამიწაზე ყველაფერი რაც სუნთქავს, მოძრაობს და მრავლდება, ფუნდამენტურად ნახშირბადისგან არის აგებული. შეიძლება ითქვას, რომ ყველაფერი ცოცხალი ერთი დიდი ნახშირბადის პოლიმერების გროვაა. ჯერ კიდევ სკოლიდან ალბათ გახსოვთ "ორგანული ქიმია", რომელიც მთლიანად ნახშირბადის შემცველი ნაერთების შემსწავლელი მეცნიერებაა. რატომაა ნახშირბადი ასეთი საინტერესო? და რატომ თამაშობს ის ასეთ მნიშვნელოვან როლს ბიოლოგიურ ორგანიზმებში? ამ კითხვებზე პასუხის გასაცემად, ძალიან მოკლედ უნდა განვიხილოთ ნახშირბადის უნიკალური თვისებები.

ნახშირბადს შეუძლია კოვალენტური ბმების დამყარება, რაც იმას ნიშნავს, რომ ნახშირბადის ატომებს შეუძლიათ ერთმანეთს "ჩაკიდონ ხელები" და ერთად შექმნან ნაერთი. ელემენტის ვალენტობა, ძალიან მარტივად, შეგვიძლია გავიგოთ, როგორც ასეთი ხელების რაოდენობა. ნახშირბადს, შეიძლება ითქვას, რომ 4 ხელი აქვს. წყალბადის ერთ ატომს 1 ხელი აქვს და მაშ, ნახშირბადს შეუძლია 4 წყალბადი მიიერთოს.

თუ ორი ნახშირბადის ატომს მივაერთებთ ერთმანეთს ერთმაგი ბმით, ასეთ ბმას საერთო ჯამში ორი ხელი სჭირდება. 1 ხელი ერთი ნახშირბადიდან და ერთიც მეორესგან. ორივეს, ჯამში 8 ხელი აქვს (თითოს 4), აქედან 2 დაკავებულია (ერთმანეთი უჭირავთ), ამიტომ C-C ნაერთს 6 თავისუფალი ხელი დარჩა. ორი ნახშირბადის ატომის ნაერთს, რომლებიც ერთმაგი ბმით არიან დაკავშირებულნი, კიდევ 6 წყალბადის ატომის მიერთება შეუძლია. საინტერესო ისაა, რომ ნახშირბადის ატომებს შეუძლიათ ერთმანეთს ორ-ორი ხელი ჩაჰკიდონ, ან მეტიც, სამ-სამი, რაც ამცირებს თავისუფალი ხელების რაოდენობას, თუმცა აძლიერებს ნახშირბადებს შორის ბმას. ორმაგი და სამმაგი ბმების "გაწყვეტა" ბევრად რთულია.

ჩვენ სხეულში, უჯრედის მემბრანებსა თუ ორგანელებში, ნახშირბადოვანი ბმები განსხვავდება ფუნქციის მიხედვით. სტრუქტურულად მნიშვნელოვანი ნახშირწყალბადები, რომლებმაც წნეხის პირობებშიც კი ფორმა უნდა შეინარჩუნონ, ხშირად ორმაგ-ბმიანია, ხოლო ისეთ ადგილებში სადაც საჭიროა, რომ ბმები გაწყდეს და ახლები შეიქმნას, ნახშირბადებს შორის ხშირად ერთმაგი ბმაა. მაგალითად, ეთილენი ძალიან მნიშვნელოვან როლს თამაშობს მცენარეების ზრდაში და მდგრადობის უზრუნველყოფაში.

ამასთანავე, გარკვეული შეზღუდვები რომ ვუგულებელყოთ, ნახშირბადის ატომებს შეუძლიათ უსასრულოდ გადაებან ერთმანეთს. რეალობაში, ნახშირბადის ატომები ხშირად გიგანტურ მაკრომოლეკულებს წარმოქმნიან და იმის გათვალისწინებით, რომ მათ ორმაგი და სამმაგი ბმების წარმოქმნა შეუძლიათ, ნახშირბადის შემცველი ნაერთების რაოდენობა ექსპონენციურად იზრდება.

ამ დროისთვის, დაახლოებით 10 მილიონი ნახშირბადოვანი ნაერთის შესახებ ვიცით, თუმცა ჰიპოთეტურად ბევრად მეტი არსებობს.

ყველაზე მნიშვნელოვანი ნახშირბადოვანი ნაერთები

ნახშირბადოვანი ნაერთების კიდევ ერთი საოცარი თვისებაა სხვადასხვა ფორმის მოლეკულების წარმოქმნა. მაგალითად, ნახშირბადის მეშვეობით წარმოიქმნება აზოტოვანი ფუძეები, რომელების ერთმანეთზე დაწყობაც შეიძლება და სწორედ ასე წარმოიქმნება დნმ და რნმ.

ამასთანავე, ნახშირბადი ერთგვარ ჩონჩხს წარმოქმნის ამინომჟავებისთვის, რომელთა ჯაჭვებიც თავის მხრივ წარმოქმნის ცილებს, რომლებიც თავის მხრივ წარმოქმნიან კიდევ უფრო დიდ ცილოვან სტრუქტურებს; ორგანელებს, ტრანსპორტულ მოლეკულებს და პრაქტიკულად ყველაფერს უჯრედში. უჯრედები კი, თავის მხრივ, წარმოქმნიან ქსოვილებს ჩვენი და სხვა ცხოველების, ისევე როგორც მცენარეების სხეულებში.

იმისთვის, რომ ბიოლოგიური ორგანიზმები არსებობდნენ, მათი ქიმიური საფუძველი უნდა იყოს ერთი მხრივ სტაბილური, ანუ უჯრედები უპრაკუნოდ არ უნდა იშლებოდნენ და მეორე მხრივ ბმებს უნდა შეეძლოს გაწყვეტა, რათა შესაძლებელი იყოს კონფორმაციული ცვლილებები. მაგალითისთვის, უჯრედებს აქვთ ეგრეთ წოდებული რეცეპტორი ცილები, რომლებსაც უმაგრდებათ სასიგნალო მოლეკულები. რეცეპტორ ცილას და სასიგნალო მოლეკულას შორის კავშირის დამყარების შემდეგ, რეცეპტორი "ეუბნება" უჯრედს, რომ უნდა დაიწყოს, მაგალითად ინსულინის წარმოება, ან რაღაც არააქტიური ცილა უნდა გააქტიურდეს.

ამ ზოგადი მონახაზით იმის ჩვენება მსურს, რომ ფუნდამენტურად, გარკვეული ბიოლოგიური პროცესების აქტივაცია/შეწყვეტა, იქნება ეს ინსულინის, სეროტონინის თუ ადრენალინის გამოყოფა, დამოკიდებულია ქიმიურ რეაქციებზე.

ამ მხრივ, ნახშირბადი იდეალური ელემენტია ბიოლოგიური სიცოცხლისთვის. ის საკმაოდ მდგრადია, თუმცა არა ზედმეტად. მას შეუძლია მრავალნაირი ბმების დამყარება და მაკრომოლეკულების შექმნა.

ნახშირბადის წარმატების საიდუმლო — წყალი

პირველი კითხვა, რომელიც შეიძლება გაგიჩნდეთ, შემდეგია: რატომ არ შეიძლება არანახშირბადოვანი სიცოცხლის წარმოდგენა? სანამ უცხოპლანეტელების განხილვას დავიწყებდეთ, ღირს აღვნიშნოთ, რომ წყალი ძალიან მნიშვნელოვან როლს თამაშობს სიცოცხლისთვის დედამიწაზე და ამასთანავე, წყალი და ნახშირბადი, როგორც ჩანს, ძალიან კარგი წყვილია.

იმის გათვალისწინებით, რომ წყლის მოლეკულები პოლარულია, უჯრედებს შეუძლიათ თავიანთი შიგთავსი "დაიცვან". უჯრედის თხევად-მოზაიკური მოდელი ამის ნათელი მაგალითია, სადაც ფოსფო-ლიპიდების ფოსფორის შემცველი ჰიდროფილური (წყლის მოყვარული) წყლისკენ არის მიშვერილი, ხოლო ჰიდროფობური "კუდები" (ნახშირწყალბადების ჯაჭვები) მის შიგნით. ზედმეტი დეტალები რომ თავიდან ავირიდოთ, ალბათ ინტუიციურია თუ ბევრ ისეთ მოკელულას ჩაყრით წყალში, რომლებსაც ერთი მხარე ჰიდროფილური აქვთ, ხოლო მეორე ბოლო ჰიდროფობული, მოლეკულები ისე "დაეწყობიან", რომ ჰიდროფილური ნაწილი წყალს ეხებოდეს, ხოლო ჰიდროფობური — არა. ასეთი სტრუქტურების წარმოქმნას ენერგიის დახარჯვა არ სჭირდება და მაშ უჯრედები "ფორმას" დიდწილად ავტომატურად იღებენ.

იმის გათვალისწინებით, რომ წყალი დედამიწაზე უხვად არის, ტემპერატურა კი ისეთია, რომ ნახშირბადოვან ჯაჭვებს არ "წყვეტს", ეს ყოველივე იდეალურ გარემოს ქმნის ნახშირბადოვანი სიცოცხლის აღმოცენებისთვის.

რატომ არა სილიციუმი?

სამეცნიერო ფანტასტიკაში ხშირად ვხვდებით არანახშირბადოვან სიცოცხლის ფორმებს. ასეთ სცენარებში, ყველაზე ხშირად, ნახშირბადი, როგორც სიცოცხლის ფუნდამენტური ელემენტი, ჩანაცვლებულია სილიციუმით. ამის მარტივი მიზეზი ისაა, რომ ზედაპირული დაკვირვებით, სილიციუმი თითქოს ძალიან ჰგავს ნახშირბადს. მასაც შეუძლია კოვალენტური ბმების დამყარება და მასაც "ოთხი ხელი" აქვს.

სილიციუმის ქომაგებისთვის სამწუხაროდ, ამ ორ ელემენტს შორის მსგავსებები მხოლოდ ზედაპირულია. პეტკოვსკის, ბეინსის და სიგერის გავლენიან 2020 წლის კვლევაში, On the Potential of Silicon as a building block for Life მსგავსებები და განსხვავებები კარგად არის განხილული და ნაჩვენებია თუ რატომ არის ნაკლებად სავარაუდო სილიციუმზე დაფუძნებულ სიცოცხლეს გადავაწყდეთ (თუმცა ეს სრულიად შეუძლებელი მაინც არაა). აქ, ერთგვარ მოკლე შეჯამებას გთავაზობთ.

მიუხედავად იმისა, რომ სილიციუმი ოთხვალენტიანია (ოთხი გაწვდილი ხელი აქვს), სილიციუმი "სწორხაზოვანი" ბმების ნაცვლად, ტეტრაედრულ ბმებს წარმოქმნის.

ეს იმას ნიშნავს, რომ სილიციუმისთვის რთულია დიდი მოლეკულების წარმოქმნა, რადგან ბმები ბევრად არასტაბილურია. შესაბამისად, მოსალოდნელია, რომ თუ სადმე სილიციუმზე დაფუძნებული სიცოცხლე არსებობს, ის საკმაოდ პატარა იქნება.

ამასთანავე, მიუხედავად იმისა, რომ სილიციუმის ატომებს ერთმანეთთან შეუძლიათ ბმის დამყარება, ასეთი ბმები ენერგეტიკულად უფრო "მომთხოვნია", ვიდრე მაგალითად ბმის დამყარება ჟანგბადთან. ამიტომ თუ ერთ ადგილას გაქვთ სილიციუმი და ჟანგბადი, მომენტალურად წარმოიქმნება სილიციუმის დიოქსიდი (ყველაზე ხშირად ქვიშა). მეორე მხრივ, ნახშირბადი ჟანგბადთან ერთად წარმოქმნის აირს (ყველაზე ხშირად ნახშირბადის დიოქსიდი) და ამ ბმის "გატეხვა" ბევრად მარტივია.

და რაც მთავარია, სილიციუმი მაინცდამაინც არ მეგობრობს წყალთან. თუ ლაბორატორიულად დაამზადებთ სილიციუმის პოლიმერს, წყალში ის მომენტალურად დაიშლება. თუ გავითვალისწინებთ, რომ დედამიწაზე ჰაერში ჟანგბადია (რომელიც მომენტალურად სილიციუმის დიოქსიდს წარმოქმნის) და ძალიან ბევრი წყალი გვაქვს (რომელიც მომენტალურად შლის სილიციუმს), გასაკვირი არ არის, რომ სილიციუმზე დაფუძნებული სიცოცხლე აქ არ არსებობს.

რატომ იქნებიან უცხოპლანეტელები ჩვენნაირები (ალბათ)?

სილიციუმი სიცოცხლის ფუნდამენტად დედამიწაზე ვერ გამოდგება ზემოხსენებული მიზეზების გამო. თუმცა, რატომ არა სხვა პლანეტებზე? ამ შემთხვევაშიც, შანსები მცირეა, ამის მიზეზი კი ვარსკვლავებში უნდა ვეძებოთ.

ელემენტები, რომლებსაც პერიოდულ ტაბულაში ხვდებით, კოსმოსში ვარსკვლავებში მიმდინარე პროცესების შედეგად გამოიტყორცნება. ვარსკვლავის ზედაპირებზე ჰელიუმის ატომების ალფა ნაწილაკები, რიგი პირობების გამო წარმოქმნის ბერილიუმს, რომელიც ძალიან არასტაბილური ნაერთია, თუმცა თუ ალფა ნაწილაკების დუეტს კიდევ ერთი ალფა ნაწილაკი დაემატა, ბერილიუმი გადადის ეგრეთწოდებულ "ჰოილის მდგომარეობაში", რომელიც შემდგომ წარმოქმნის ნახშირბადს.

სწორედ ამ პროცესების შედეგად გაიტყორცნება ნახშირბადი მთელ კოსმოსში და იმის გამო, რომ აღნიშნული ფენომენომენი ვარსკვლავების ზედაპირზე საკმაოდ ხშირია, ნახშირბადი მეექვსე ყველაზე გავრცელებული ელემენტია მთელ სამყაროში, სილიციუმი კი მხოლოდ მეთექვსმეტე.

იქ სადაც სილიციუმია, თითქმის ყოველთვის ნახშირბადიც არის. იქ სადაც ნახშირბადი და სილიციუმი ერთმანეთს "ეჯიბრებიან" სიცოცხლის ფორმების წარმოქმნისთვის, ნახშირბადი ყოველთვის გაიმარჯვებს იმ მიზეზების გამო, რომლებიც წინა თავში ვახსენეთ.

ცხადია, შეგვიძლია წარმოვიდგინოთ პლანეტა, სადაც სილიციუმის ნაერთები სტაბილურ მდგომარეობაშია, ანუ იქ სადაც წყლის მაგივრად სხვა გამხსნელია, დავუშვათ გოგირდმჟავა. ასეთ გარემოშიც კი სილიციუმის ნაერთები არასტაბილური იქნება თუ გოგირდმჟავის ტემპერატურა დაბალი არ არის და თუ გოგირდმჟავის ტემპერატურა დაბალია, მაშინ სილიციუმის ნაერთების "გახლეჩვა", რაც საჭიროა ბიოლოგიური პროცესებისთვის, რთულდება, სტაბილურობის ხარჯზე. ამასთანავე, როგორც აღვნიშნეთ, სილიციუმი ვერ წარმოქმნის "სწორხაზოვან" ბმებს, არამედ ქმნის ტეტრაედრულ სტრუქტურებს და სწორედ ამის გამო, სილიციუმს არ შეუძლია წარმოქმნას ისეთივე დიდი მაკრომოლეკულები, როგორც ნახშირბადს.

იმის გათვალისწინებით, რომ ნახშირბადის შემდეგ, სილიციუმს აქვს ყველაზე დიდი (თუმცა რეალურად ძალიან მცირე) შანსი წარმოქმნას სიცოცხლე, მეცნიერები ვარაუდობენ, რომ უცხოპლანეტური სიცოცხლის ფორმები, დედამიწაზე არსებული ფლორის და ფაუნის მსგავსნი იქებიან. ამ პოზიციას, კარლ სეიგანმა "ნახშირბადის შოვინიზმი" უწოდა. გასაკვირი არ არის, რომ სეიგანი, სხვა უამრავი ასტრობიოლოგის და ასტროფიზიკოსის მსგავსად, "ნახშირბადის შოვინისტი" იყო იმიტომ, რომ კითხვას, "რატომ არის სიცოცხლე ნახშირბადოვანი" რეალურად ძალიან მარტივი პასუხი აქვს: იმიტომ, რომ ასე უფრო მარტივია.

ჩვენი სამყარო ერთგვარი ენერგიის მინიმუმის პრინციპით მოქმედებს. ანუ, ყველაფერი ბუნებაში, მაქსიმალურად ენერგოეფექტურად ხდება. ცხადია, ეს არ გამორიცხავს სხვანაირი სიცოცხლის ფორმების არსებობას და ასტრობიოლოგების დიდი ნაწილი სწორედ ამ შესაძლებლობებს იკვლევს.