Μπορεί να δημιουργηθεί μορφή ζωής με βάση το πυρίτιο;

Στο επεισόδιο του Star Trek, «The Devil in the Dark» (1967), εμφανίζεται το Horta, μια μορφή ζωής με βάση το πυρίτιο

Όλες οι μορφές ζωής που εμφανίζονται στη Γη βασίζονται στο άτομο του άνθρακα. Οι ζωντανοί οργανισμοί αποτελούνται από κύτταρα που είναι φτιαγμένα από χημικές ενώσεις του άνθρακα: υδατάνθρακες, πρωτείνες, νουκλεικά οξέα κλπ.

Το πυρίτιο και ο άνθρακας βρίσκονται στην ίδια ομάδα (IV) του περιοδικού συστήματος και διαθέτουν στην εξωτερική τους στιβάδα 4 ηλεκτρόνια. Τα ηλεκτρόνια της εξωτερικής στιβάδας των ατόμων είναι υπεύθυνα για τις χημικές ιδιότητες των στοιχείων.

Πράγματι, ο άνθρακας και το πυρίτιο έχουν κοινές χημικές ιδιότητες, όπως το να κάνουν δεσμούς με το οξυγόνο ή να σχηματίζουν μακριές αλυσίδες όπου εναλλάσσονται με το οξυγόνο. Οι σχηματισμοί αυτοί ονομάζονται πολυμερή και στην απλούστερη περίπτωση ο άνθρακας σχηματίζει την πολυακετάλη και το πυρίτιο τις σιλικόνες. Θα μπορούσε άραγε να υπάρξει κάποια μορφή εξωγήινης ζωής ή να δημιουργηθεί τεχνητά στο εργαστήριο μια μορφή ζωής που στη θέση του άνθρακα να βρίσκεται το πυρίτιο;

Η απάντηση είναι καταφατική … στα μυθιστορήματα ή στις ταινίες επιστημονικής φαντασίας. Εκεί εμφανίζονται τέτοιου είδους μορφές ζωής, για παράδειγμα η πυριτιδική μορφή ζωής Horta που εμφανίζεται στο Star Trek.

Όμως σύμφωνα με τη χημεία μια τέτοια περίπτωση είναι απίθανη.

Όταν ο άνθρακας οξειδώνεται – ενώνεται με οξυγόνο, δηλαδή καίγεται – σχηματίζεται διοξείδιο του άνθρακα που είναι αέριο, ενώ όταν οξειδώνεται το πυρίτιο προκύπτει διοξείδιο του πυριτίου που είναι στερεό όπως η άμμος. Και αυτός είναι ένας από τους βασικότερους λόγους που το πυρίτιο δεν μπορεί να υποστηρίξει τη ζωή. Το διοξείδιο του πυριτίου σχηματίζει ένα στερεό πλέγμα όπου το άτομο του πυριτίου περιβάλλεται από 4 άτομα οξυγόνου. Οι πυριτικές ενώσεις που περιέχουν τα σύμπλοκα SiO₄^-4  υπάρχουν σε διάφορα πετρώματα, όπως άστριοι, ζεόλιθοι, μαρμαρυγίες ή στον τάλκη. Και τέτοιου είδους στερεά συστήματα δημιουργούν προβλήματα σε ένα ζωντανό οργανισμό.

Οι ζωντανοί οργανισμοί θα πρέπει επίσης με κάποιο τρόπο να συλλέγουν, να αποθηκεύουν και να χρησιμοποιούν ενέργεια. Η ενέργεια προέρχεται από το περιβάλλον. Κι όταν εισέρθει στον οργανισμό θα πρέπει να απελευθερωθεί η κατάλληλη ποσότητα ενέργειας όπου και όταν είναι απαραίτητη.  Σε έναν κόσμο όπου η βάση της ζωής είναι ο άνθρακας, το βασικό στοιχείο αποθήκευσης ενέργειας είναι ένας υδατάνθρακας της μορφής Cx(H₂O)y. Αυτό το καύσιμο «καίγεται» σε ελεγχόμενα βήματα χρησιμοποιώντας τους ρυθμιστές ταχύτητας, τα επονομαζόμενα ένζυμα.

Αυτά τα μεγάλα και περίπλοκα μόρια κάνουν τη δουλειά τους με μεγάλη ακρίβεια μόνο επειδή έχουν μια ιδιότητα που ονομάζεται χειραλικότητα. Το ένζυμο βοηθά δυο ενώσεις να αντιδράσουν μεταξύ τους όταν τα σχήματά τους ταιριάζουν όπως το κλειδί στην κλειδαριά ή τα χέρια σε μια χειραψία. Πολλές ενώσεις του άνθρακα είναι δεξιόμορφες ή αριστρόμορφες. Για παράδειγμα η φύση επέλεξε τον ίδιο υδατάνθρακα με 6 άτομα άνθρακα να αποθηκεύει ενέργεια τόσο στο συκώτι μας (στη μορφή ενός πολυμερούς που ονομάζεται γλυκογόνο)  και στα δέντρα (στη μορφή ενός πολυμερούς που ονομάζεται κυτταρίνη).

Γλυκογόνο και κυτταρίνη διαφέρουν κυρίως στην χειραλικότητα ενός ατόμου άνθρακα, το οποίο σχηματίζεται όταν ο υδατάνθρακας πολυμερίζεται ή σχηματίζει αλυσίδες. Η κυτταρίνη έχει την πιο σταθερή μορφή από τις δυο δυνατότητες, το γλυκογόνο την επόμενη πιο σταθερή. Επειδή οι άνθρωποι δεν έχουν ένζυμα για να διασπάσουν την κυτταρίνη στον στοιχειώδη της υδατάνθρακα, δεν μπορούμε να την χρησιμοποιήσουμε ως τροφή. Όμως χαμηλότερες μορφές ζωής, όπως τα βακτήρια, μπορούν.

Με λίγα λόγια, η χειραλικότητα είναι το χαρακτηριστικό που παρέχει μια ποικιλία βιομορίων με την ικανότητά τους να αναγνωρίζουν και να ρυθμίζουν τις βιολογικές τους διαδικασίες. Και το πυρίτιο δεν σχηματίζει πολλές ενώσεις που να εμφανίζουν χειραλικότητα. Έτσι, είναι δύσκολο σε μια μορφή ζωής που βασίζεται στο πυρίτιο να επιτύχει τις ρυθμίσεις που καταφέρνουν τα ένζυμα στους ζωντανούς οργανισμούς που βασίζονται στον άνθρακα.

Πολλοί χημικοί προσπάθησαν να κατασκευάσουν χημικές ενώσεις του πυριτίου ανάλογες με αυτές των ενώσεων του άνθρακα στους ζωντανούς οργανισμούς. Οι περισσότερες από αυτές απλά δεν μπορούν να σχηματιστούν. Τα δεδομένα της θερμοδυναμικής επιβεβαιώνουν ότι αυτές οι χημικές ενώσεις είναι συνήθως πολύ ασταθείς ή πολύ ενεργές.

Ένα μικρό βήμα για το πυρίτιο

Σύμφωνα με το περιοδικό Science ερευνητές, με επικεφαλής την Φράνσις Αρνολντ, καθηγήτρια της Σχολής Χημικών Μηχανικών του Τεχνολογικού Ινστιτούτου της Καλιφόρνια, ανακοίνωσαν την εξέλιξη ενός βακτηριακού ενζύμου που αντικαθιστά στους υδρογονάνθρακες τον άνθρακα με πυρίτιο.

Χρησιμοποίησαν ένα θερμόφιλο βακτήριο που αντέχει τις υψηλές θερμοκρασίες που περιέχει το ένζυμο κυτόχρωμα c, το οποίο σε σπάνιες περιπτώσεις, μπορεί να αντικαταστήσει τον άνθρακα των υδρογονανθράκων με πυρίτιο. Οι ερευνητές κατάφεραν να ενισχύσουν εργαστηριακά αυτή τη λειτουργία στο συγκεκριμένο μικρόβιο, έτσι ώστε αυτό να παράγει υδρογονάνθρακες που περιέχουν πυρίτιο, με ρυθμό 2.000 φορές μεγαλύτερο σε σχέση με το φυσικό κυτόχρωμα c.

Προς το παρόν, αυτοί οι υδρογονάνθρακες που περιέχουν πυρίτιο δεν έχουν κάποια χρησιμότητα ούτε στη βιομηχανία, ούτε στα ίδια τα βακτήρια που παράγουν αυτές τις χημικές ουσίες. Ίσως, όταν η διαδικασία εξελιχθεί, σύμφωνα με την ‘Άρνολντ, τέτοια εξελιγμένα μικρόβια θα μπορούν να παράγουν πολύπλοκα υλικά με βάση το πυρίτιο. Δυστυχώς όμως στο βάθος δεν διαφαίνεται το ζητούμενο: η δημιουργία μορφών ζωής με βάση το πυρίτιο.

πηγές: scientificamerican.com – sciencemag.org

BY PHYSICSGG