Livets stof:
Skal livet være baseret på kulstof?

af Gene McDonald*

Indhold:

Indledning
Forekomst
Processer
Bindinger
Stabilitet
Diversitet
Simpelthen det bedste

Indledning

I generationer har videnskabsfolk, filosoffer, skribenter og kunstnere udforsket kemien bag livets oprindelse og udvikling. Når deres forskning ikke er begrænset af det videnskabelige krav om data, kan de bevæge sig frit gennem en række tænkelige biologier.
    En af favoritspekulationerne om udenjordisk liv, især blandt science fiction skribenter, er, at biokemi andetsteds i universet kunne være baseret på et andet grundstof end carbon (kulstof). Fortællinger om mærkelige væsner, lavet af silicium eller andre grundstoffer, underholder os, men de får os også til at stille et interessant videnskabeligt spørgsmål: skal liv være baseret på kulstof?
    Hvilke grundstoffer der kan bruges som basis for liv afhænger meget af vor definition af liv. Det er ikke nemt at komme frem til en tilstrækkeligt almen definition af liv og vi stiller os sædvanligvis tilfreds med den noget vage brugerdefinition at "liv er som vi kender det på Jorden". Denne definition besvarer øjeblikkeligt kulstof-spørgsmålet bekræftende ved, at definere liv som et system baseret på kulstofkemi.
    For folk, der er interesseret i mulighederne for udenjordisk liv, er denne jordbaserede definition imidlertid for snæver. Plasmaentiteter, strålevæsner, selv-replikerende computer programmer og lermineraler er alle eksempler på fænomener, som nogen modige sjæle har foreslået kunne være "levende". Ingen af disse fænomener er baseret på den kulstofkemi, som ligger til grund for livet på Jorden.
    For at spørgsmålet "Skal liv være baseret på kulstof?" skal være meningsfuldt, er vi nødt til at begrænse vor definition af liv. De fleste biologer ville, af hensyn til den fortsatte diskussion, anerkende og tilslutte sig den følgende definition:

Levende organismer er systemer af kædelignende molekyler som kan

1) organisere sig i tredimensionale strukturer
2) gennemgå kemiske reaktioner (stofskifte)
3) opbevare instruktioner om deres egen replikation
4) bruge den information til at reproducere sig selv og
5) udvikle sig gennem mutation og naturlig udvælgelse

Et system, som kan danne lineære polymere molekyler, der tjener som informationsbærere eller katalysatorer, må nødvendigvis være baseret på et grundstof, der har adskillige vigtige egenskaber, som vi nu vil undersøge.

Forekomst

Grundstoffet bør forekomme i rigelige mængder i universet og i planetmiljøer, så der er store chancer for, at den før-biologiske kemi kan begynde. I vort solsystem er kulstof det fjerde mest forekommende grundstof efter hydrogen (brint), helium og oxygen (ilt). Når vi overvejer hvilke grundstoffer, der bruges i kendte biologiske processer, ser vi, at ilt forekommer omkring 5 gange oftere end kulstof, nitrogen (kvælstof) forekommer 5 gange færre, svovl omkring 20 gange færre og fosfor næsten 1.000 gange færre end kulstof.
    Silicium, den førende science fiction kandidat til at erstatte kulstof i biokemi, forekommer ti gange mindre end kulstof i solsystemet. Bor, en anden kandidat til at erstatte kulstof, er næsten en million gange mindre udbredt end kulstof i solsystemet.
    I Jordens skorpe er silicium ti gange oftere forekommende end kulstof. Faktisk er de fleste klipper lavet af silikater, kombinationer af silicium, ilt og metaller som aluminium, jern, kalcium og magnesium. Bor er ti gange mindre forekommende end kulstof i Jordens skorpe.
    Da vor sol ser ud til at være en helt middelmådig stjerne, kan vi antage, at andre solsystemer vil have lignende sammensætninger (skønt vi ikke har nogen hårde data til at støtte dette synspunkt). Men planetskorpe og forskellige solsystem-materialer er ikke de eneste kilder til stoffer, som udgør den kemi, der er nødvendig ved livets begyndelse. Primitive meteoritter indeholder førbiotiske, kulstofholdige stoffer, som fortæller os, at mange af disse molekyler blev opbygget i skyer af gas og støv mellem stjernerne. Radioastronomer har detekteret mere end 80 molekyler i det interstellare rum. Kulstof findes i mere end 70 af disse molekyler, mens silicium er til stede i færre end 10.

Processer

Et livdannende grundstof bør kunne deltage i biogeokemiske processer. Biologer og geokemikere er blevet klar over, at biologiske grundstoffers processer mellem atmosfæren, oceanerne, skorpen og biosfæren er altafgørende for udviklingen af økosystemer. Kvælstof deltager i biogeokemiske processer på Jorden gennem fire gasser: molekylært kvælstof (N₂), nitrogenmonoxid (NO), nitrogendioxid(NO₂) og ammoniak (NH₃). Kulstof kan bæres gennem sådanne processer af methan (CH₄) og carbondioxid (kultveilte) (CO₂), den vigtigste kulstofbærer på jordplaneterne. Kultveilte er en gas ved planeters overfladetemperatur og opløselig i vand, så den er et meget mobilt stof i miljøet. Siliciumdioxid (SiO₂), de fleste af os kender det som sand, er uopløseligt i vand og er et fast stof ved planettemperaturer. Siliciumdioxid er også kemisk ikke-reagerende sammenlignet med sin kulstof analog. Enhver form for silicium proces, mage til den kulstofproces, der virker på Jorden i vore dage, ville således være praktisk taget umulig.

Bindinger

Et livdannende grundstofs atomer burde være i stand til at danne mindst tre bindinger. I vort system, med lineære biopolymerer hvori atomer kæder sig sammen og danner "rygraden" i et molekyle, behøver hvert led to bindinger til forbindelsen med resten af molekylet. Mindst en yderligere binding er nødvendig til forbindelsen med de atomer, som danner en sidegruppe, der udfører en funktion som opbevaring af genetisk information eller kemisk katalyse. Brint, ilt og ethvert andet grundstof, der kun kan danne en eller to bindinger, udelukkes således fra brugen som rygrads atom.
    Grundstoffets atomer burde ikke danne mere end fire bindinger. To sidegrupper på hvert rygradsatom er sandsynligvis det maksimalt tilladte antal. Tre eller flere sidegrupper ville fylde rummet omkring hvert rygradsatom og derved forhindre dannelsen af bindinger med andre rygradsatomer og forhindre kædedannelse. De ekstra kemiske grupper, der ville stikke ud fra rygradens sider, ville også gøre krydsforbindelser mellem kæderne mere sandsynlig, hvilket ville resultere i en struktur, der mere ville ligne et netværk end en lineær polymer. Et netværk ville ikke være velegnet som informationsbærende molekyle. En lineær struktur virker godt, fordi den giver en indlysende retning og rækkefølge i en genetisk kode.
    Kvælstof, fosfor og bor danner normalt tre bindinger, men sommetider fire. Svovl danner normalt to bindinger og silicium normalt fire, men begge kan deltage i op til seks bindinger. Kulstof, derimod, danner fire og kun fire bindinger i neutrale molekyler. Dette konsistente bindingsmønster gør det meget lettere at danne polymerer af kulstof end af de fleste andre grundstoffer.

Stabilitet

Atomerne i et livdannende grundstof burde danne stabile kemiske bindinger med hinanden. Det er nødvendigt, at biologiske molekyler er så stabile, at de kemiske bindinger, der holder dem sammen, ikke brækker fra hinanden, når de udsættes for små temperaturstigninger. En silicium-silicium binding er kun omkring halvt så stærk som en kulstof-kulstof binding, så under skiftende temperatur forhold ville en polymer med silicium rygrad være meget mindre stabil end en med kulstof rygrad.
    For at gøre tingene værre er silicium-ilt bindingen mere end to gange så stærk som en silicium-silicium binding. Da ilt forekommer i store mængder i jordplaneters miljø, ville dannelsen af silicium-ilt kæder være mere sandsynlige end silicium-silicium kæder. Mens silicium-ilt polymerer er meget mere stabile end kulstof forbindelser, selv ved høje temperaturer, er de så lidt reaktive, at deres evne til at katalysere kemiske reaktioner, som er essentielle i livsprocesser, er meget begrænset.
    Andre alternativer til kulstof har også stabilitetsproblemer. Bor og kvælstof kan kombineres til dannelse af molekyler som borazin (B₃N₃H₆), et ringformet molekyle, der har kemiske egenskaber fælles med det velkendte organiske molekyle benzen (C₆H₆). Benzen er temmelig stabil under de fleste planetare forhold; borazin er imidlertid eksplosivt lysfølsomt.

Diversitet

Et livdannende grundstof skulle være i stand til nok kemisk mangfoldighed til at danne både en molekylær rygrad og de funktionelle sidegrupper. Et grundstof, som kan gøre begge dele, tillader det enklest mulige stofskifte ved hvilket, en organisme opbygger de biomolekyler, der behøves for at opretholde dens liv. Der er tusindvis forskellige molekyler, som kun består af kulstof og brint. Når man inkluderer ilt, kvælstof, svovl og fosfor bliver antallet af kendte molekyler, der indeholder kulstof, adskillige millioner og kemikerne opbygger nye hvert år. Molekyler, der er dannet af disse grundstoffer, har former og kemier, som kan bære information og udføre et bredt spektrum af katalytiske funktioner. Intet andet grundstof kommer i nærheden af kulstofs potentiale for strukturel og kemisk mangfoldighed.
    Desuden kan kulstof danne dobbeltbindinger. Som et alternativ til at lave en enkelt binding med hver af fire andre atomer, kan et kulstofatom danne en dobbeltbinding med ét atom og enkeltbindinger med to andre atomer.
    Dobbeltbindinger mellem kulstofatomer er vigtige. Hvis der findes adskillige dobbeltbundne kulstofatomer nær hinanden i et molekyle, kan de dele elektroner ved et fænomen, som kaldes resonans. Et molekyle med en resonant elektronstruktur kan absorbere ultraviolet eller synligt lys. Klorofyl, der absorberer lys, som planter bruger i fotosyntese og retinol, som tillader vore øjne at detektere synligt lys, er eksempler på biomolekyler, der indeholder sådanne strukturer. I laboratoriet har man opbygget nogle få forbindelser indeholdende silicium-silicium dobbeltbindinger, men de er meget mindre stabile end kulstof-kulstof dobbeltbindinger.

Simpelthen det bedste

Kombinationen af egenskaber fundet i kulstof gør det til det bedste grundstof til at tjene som basis for liv, som vi kender det, liv, som i kemisk opbygning er lig det jordiske liv og bebor et lignende planetmiljø. Når vi leder efter udenjordisk liv i solsystemet og hinsides, bør vi huske på, at vore instrumenter er konstrueret til at detektere liv baseret på kulstof. Det er den type liv vi kender. Hvis radikalt anderledes biokemier findes et eller andet sted derude, vil det måske være meget vanskeligt for os at genkende dem som liv. Eftersøgningen af kulstofbaseret liv burde imidlertid holde videnskabsfolkene travlt beskæftiget i de kommende år.

*Gene McDonald er forsker ved Astrobiology Group på Jet Propulsion Laboratory.

Fra The Stuff of Life: Must Life Be Carbon-Based, The Planetary Report, Marts/April 1998, pp. 16-17.

15. juni, 2000.

Indhold
Livets stof: Hvorfor vand? :Én sti: Mars: Den rustne planet
Index