Дали извънземните пият вода?

Екип астрономи обявиха тази година, че са открили поне 8 планети в обитаемата зона на техните звезди, където температурите са нито много високи, нито много ниски, за да поддържат живот, подобен на този на Земята. Две от тях, Kepler-438b и Kepler-442b, приличат най-много на нашата планета от всички познати дотук екзопланети.

„Подобна на Земята“ означава, че има добри шансове на една планета да има течна вода – нещо, което е по-вероятно в обитаемата зона. „Следвай водата“ се е превърнало в мото за астробиолозите, които търсят признаци на живот в космоса. Съществува и нова технология за откриване на вода чрез отражението на светлината в атмосферата на дадена екзопланета, чрез която астрономите се надяват да открият живот на други места скоро.

Но задължителна ли е течната вода за наличие на живот?

Така се смята от дълго време. През 1913 биохимикът от Харвард Лоурънс Хендерсън предлага любопитно обръщане на Дарвиновата еволюция, при която организмите оцеляват в средата си чрез адаптация. Хендерсън твърди, че самата среда е изключително „адаптирана“ за поддържане на живот.

Това е доста объркващо. Как може средата да се адаптира?

Хендерсън посочва, че водата е претъпкана с „биоцентрични“ качества, сякаш е направена специално за поддържането на живота. Най-невероятното е фактът, че водата е течност. Другите прости хидридни молекули – метан, сероводород, амоняк, хлороводород – са газове на стайна температура и обикновено атмосферно налягане. Но не и H₂O. Изглежда, има допълнителна допълнителна „лепкавост“, която държи молекулите заедно.

Водата има висок топлинен капацитет (може да абсорбира много топлина, без голямо покачване на температурата), затова теченията могат да преразпределят огромни количества топлина и да правят условията на планетата по-еднородни и стабилни. Нещо повече, повечето течности се свиват и стават по-плътни, когато замръзнат, а ледът се разширява и не потъва. Езерата не замръзват отдолу нагоре, което би направило невъзможно размразяването им, а точно обратното – образува се ледена покривка на повърхността, която изолира водата отдолу.

Водата също може да разтваря голям брой субстанции и по този начин помага за пренасянето на основни хранителни вещества до организмите, които се нуждаят от тях. Без изключителната способност на водата да задържа йони (електрически заредени атоми и молекули), нямаше да съществува фотосинтеза или нервни импулси. Голямото повърхностно налягане на водата прави възможно сокът на растенията да се изкачва на огромни разстояния и по този начин растенията са способни да стоят изправени. И така нататък.

Химичните съставки на една планета – вода, скали, въздух – не мутират и не се възпроизвеждат – според Дарвин организмите се нагласят по тях. В средата на 19 век на няколко британски учени им била възложена задачата да напишат серия от книги, която да показва „Силата, Мъдростта и Добротата на Бог, показана в Сътворението“ – с други думи, преоткриването на Бог чрез науката – предмет, наречен естествена теология. В една от тези книги химикът Уилям Праут пише, че разширяването на водата при температури, близки до замръзване, е пример за божествено провидение.

Хендерсън не бързал много да отдава заслуги на Бог, но признал, че няма да е лесно да намери алтернативно обяснение за очевидното „благоразположение“ на водата. Всичко, което казал, било, че „има прекалено малко факти, за да се надява на обяснение на тези съвпадения, и ако някога те бъдат разбрани, то това ще е в бъдещето, когато чрез изследвания са разбрани из основи свойствата на материята“.

Минал е повече от век, откакто Хендерсън разкрива интересната съвместимост между водата и живота и тайната е все по-завоалирана. Но също така сме разбрали, че тази съвместимост може би не е уникална – хармонията между водата и живота може да е само един пример за забележителната адаптивност.

© Joseph Van Os

От съвременна гледна точка водата не е просто течност, в която биомолекулите изживяват драматичния си живот – тя е активен участник. Деликатна мрежа от слаби химични връзки между водните молекули загръща биомолекулите по такъв начин, че те изглеждат като изтъкан течен гоблен. За да вършат работата си по катализиране на биохимичните реакции, протеините трябва да са доста гъвкави и да променят формата си, докато насочват дадена реакция в правилната посока. Но тези промени във формата преоформят и водата, която пък с нейните колебания и променливост „инжектира“ динамика в протеините.

„Хидратиращата обвивка“ на водните молекули може да се наглася изключително добре към структурата и движението на биомолекулите, които обгражда. © Matthias Heyden, Max Planck Institut für Kohlenforschung, Mulheim

Подобна игра може да бъде учудващо прикрита. Например изследователи от университетите Рур (Бохум, Германия) и Уайсман (Израел) открили, че когато протеин избере целевата си молекула (субстрат) при подготовка за трансформирането ѝ, близките водни молекули, изглежда, се забавят, сякаш се уплътняват, за да задържат субстрата на място. Има и прибавяния и загуби на енергия и ентропия, свързани с промените на водородните връзки и свободата на движение на водните молекули, което може да задвижи известен брой крайно селективни биохимични процеси.

Това включва свързването на ензим с неговия субстрат, когато водата се изхвърля от процепите, за да направи място за субстрата; преминаването на новосъздадена протеинова верига в компактната форма на ензим; събирането на протеини в биомолекулярна машина с много части; събирането на мастните липидни молекули в клетъчни мембрани. Всички тези процеси са възможни благодарение на факта, че потапянето във вода някак създава сила на привличане между хидрофобните части на молекулите.

Водните молекули често действат като удължители на повърхността на протеините, като помагат на ензимите да транспортират малки молекули. Веригите водни молекули в каналите на ензимите действат като „протонни жици“, които могат да провеждат водородни йони, което позволява на клетките да местят водородните атоми до нови молекули или да събират концентрация на водородни йони, която може да произвежда енергия, точно както работят хидравличните турбини.

„Водна жица“, направена от верига от водородно свързани водни молекули (синьо) се оплита около водопреносния протеинов канал (аквапорин). Всяка водна молекула е 0.3 милиардни от метъра напречно. © Emad Tajkhorshid

Всичко това показва, че ролята на водата е много по-сложна от това, което си е представял Хендерсън. Но до каква степен това се отнася само за водата и доколко животът зависи от такива свойства? Някои от възможностите на водата, като хидрофобното привличане, имат аналози и при други разтворители – ако са разтворени, молекулите нямат почти никакво влечение към разтворителя, склонни са да се свързват една с друга. И провеждането на водородни йони през водните „жици“ е много важно за живота на Земята, но не е задължително да е незаменимо за биохимията на други планети.

Друг начин да се зададе въпросът е: Какво, ако водата е по-скоро обикновена течност, а не вода? Физикохимиците Рут Линден-Бел (университета в Белфаст, Северна Ирландия) и Пабло Дебенедети (Принстън, Ню Джърси) изследвали модели на „обърната вода“, при която основното нещо, което прави водата необикновена (особеното подреждане на водородните връзки), е променяно продължително. Колко промени са позволени, преди водата да загуби невероятните си свойства?

Не всички характеристики на водата помагат на живота – някои са си очевидни пречки.

Един от най-простите теоретични модели на водата третира водородните връзки като електростатични: привличане между слабо положително заредени водородни атоми и отрицателно заредени електрони на молекули кислород.  Това привличане диктува съответното геометрично подреждане на молекулите на водата и действа над силите на Ван дер Ваалс. При простите течности – течен аргон или въглероден диоксид – само силите на Ван дер Ваалс крепят молекулите свързани.

Водородните връзки във водата (пунктир) свързват водните молекули в тетраедрична форма (ляво). В течна форма (дясно) тези връзки създават голяма мрежа. Кислородните атоми са червени, а водородните – бели. © Отляво, Philip Ball; Отдясно, Matthias Heyden, Max Planck Institut für Kohlenforschung, Mulheim

Линден-Бел и Дебенедети създали компютърен модел, в който относителните сили на електростатичното свързване на водорода и силите на Ван дер Ваалс, могат да бъдат променяни по желание. Те нарекли веществото „невода“. Открили че аномалиите не са резултат от величината на силите. По-скоро редът, който се създава от свързването на водородните атоми и силите на Ван дер Ваалс, взети заедно.

Когато редът се променя и в двете крайности, се вижда най-лошото и от двата свята. Молекулите са по-лошо подредени и по двата начина. С други думи, водата е качествено различна от другите течности, на които им липсва водородна връзка. Но всъщност водата не е единствената молекула, която има водородни връзки – амонякът и хлороводородът също имат.

Разликата се дължи на това, че водата може да формира обширни триизмерни мрежи, заради тетраедричния си модел на свързване, докато другите вещества могат да образуват само вериги. Триизмерната водородна мрежа е и причината ледът да има по-малка плътност от течната вода, нещо, което не се отнася за амоняка и хлороводорода.

Но нека погледнем геометрията. Ако променим ъгъла на свързване на H₂O молекулата, така че водородните връзки да не са точно тетраедрични, или направим връзките по-дълги – дали уникалните свойства на водата ще изчезнат? Когато Линден-Бел и Дебенедети опитали да направят това с „неводата“, открили, че аномалии като максимална плътност преди точката на замръзване все още присъстват, стига промените да не са много големи.

Линден-Бел и Дебенедети променяли дължината на връзките (ляво) и ъгъла на свързване (дясно), за да видят какво ще стане. © Philip Ball

Не всички уникални характеристики на водата помагат на живота. Всъщност водата е доста реактивна. Единичните електрони на кислородните атоми са привлечени от части на молекули с положителни заряди и там те могат да разкъсат връзките им в процес, наречен хидролиза. Въглеродните атоми в пептидните връзки са податливи на този тип атака, давайки възможност на водата да разделя протеините.

„Това не е голям проблем за съществуващите организми днес, защото те притежават ензими, които поправят щетите, нанесени от водата“, казва Стивън Бенер, член на фондацията за приложна молекулярна еволюция. Но е било важно за началото на живота, когато протобиологичните молекули е трябвало да се образуват и да издържат във водата без помощта на тези ензими. „Ако водата е билата направена от Бог, за да бъде перфектният биоразтворител, то Бог не си е свършил добре работата“, казва Бенер.

Той не вижда причини, защо разтворители като амоняка, формамида (CHONH2) или течните въглеводороди като тези на Сатурновата луна Титан да не могат да поддържат различни видове биохимия. В крайна сметка много от органичната химия в лабораториите се извършва чрез други разтворители, не вода (често, защото водата е прекалено реактивна). Бенър е заинтересуван от идеята, че въглеводородните океани на Титан може да поддържат хидрофобен живот. Той и колегите му направили експерименти, за да видят дали могат да създадат „генетичен полимер“, който може да кодира информация подобно на ДНК и РНК, който да може да действа в подобни течности.

Те открили, че молекулите, подобни на вериги, наречени полиетери, се разтварят доста добре в течен пропан (C₃H₈) при температури от -70^оС. Бенер казва, че полиетерите могат да служат за генетични бази от данни в подобен разтворител.

Но на Титан е доста по-студено от това – въглеводородните океани, които се състоят основно от метан и етан, имат температура около -178 ^оС. При такива екстремни условия полиетерите не се разтварят особено добре. Бенер заключава, че течният метан на Титан е „прекалено студен, за да разтваря каквото и да било нужно за свойствата на живота“. Но той казва, че това не е защото въглеводородите са лоши разтворители и водата е добър, а защото водата е по-топла и веществата се разтварят по-добре в по-топли течности.

Друга обещаваща алтернатива на водата е формамид, който може да бъде получен или от въглероден оксид и амоняк, или от циановодород и вода – всички тези прости молекули може да се открият в междузвездното пространство. „Формамидът прилича много на водата, в отношение на силата на разтваряне“, казва Бенер. При налягане от една атмосфера формамидът се топи при 2^оС и кипи при 210 ^оС.  И няма свойството на водата да разкъсва полимерите.

Ако всичко това е вярно, значи има и други вещества, които да поддържат живота другаде във Вселената, тогава интимната връзка между водата и живота ще се отнася само за Земята. Земните организми са използвали напълно това, което водата може да предложи.  Изглежда иронично, че сме преувеличили важността на водата в астробиологията и в същото време сме омаловажили важността ѝ за Земята.

Сега нека помислим за математика. Според днешните статистики почти всяка звезда в нашата галактика си има поне по една планета, а една от пет звезди имат подобни на Земята планети в обитаемата зона. Това прави поне 11 милиарда планети само в Млечния път, а има поне 100 милиарда галактики във видимата Вселена. Можем ли наистина да настояваме, че водата е единственият вариант?

Статията е публикувана в Nautilus.