Livets stof: Hvorfor vand?

Christopher Chyba*

Indhold:

Indledning
Fordele ved den flydende fase
...og opløselighed
Bøjene enzymer
Vand i hele verden
Pas på det hydrocentriske

Indledning

Liv, som vi kender det på Jorden, er yderst afhængigt af flydende vand. Organismer, der lever i oceaner og ferskvand svømmer bogstaveligt talt i det, men selv planter og dyr, der lever på land opretholder et indre flydende miljø, som bader deres celler i saft eller plasma - som begge næsten udelukkende er vand. Virkningen er, at landdyr har fundet en måde at medbringe deres ocean. Koncentrationen af vand inde i en kængururotte, som lever i ørkenen, er næsten den samme, som den man finder i fisk, der lever i havet.
    Liv på Jorden, især mikroskopisk liv, er bemærkelsesværdigt for dets evne til at tilpasse sig mange miljøer, som fra et menneskeligt synspunkt forekommer fjendtlige. For eksempel er nogle bakterier ved havdybets ventiler temmelig tilfredse ved temperaturer, der næsten svarer til vands kogepunkt ved Jordens overflade. Andre bakteriearter har tilpasset sig, så de kan overleve ved strålingsniveauer, der er almindelige i atomreaktorers kølevand.
    Men jordisk liv kan ikke tilpasse sig et totalt fravær af flydende vand. De individuelle celler, som udgør organismer på Jorden indeholder fra 60 til 95 procent vand. Organismer skal forny dette indre vand, enten direkte fra miljøet eller gennem nedbrydning af organiske molekyler. For eksempel behøver ørkenens kængururotte ikke at drikke; den bruger i stedet ilt til at nedbryde kulhydrater (sukre er enkle kulhydrater) for at fremstille sin egen vandforsyning.
    Hvis en ørken er for barsk - hvis det er for vanskeligt at få vand - kan organismer ikke vedligeholde deres indre vandkoncentration og de tvinges i en dvaletilstand eller de ligefrem dør. Nogle jordoverflader i tørre antarktiske dale, som er blandt de barskeste ørkener på Jorden, forekommer at være fuldstændig sterile. For jordisk liv forekommer der at være en grænse udover hvilken tilpasning simpelthen ikke er mulig og den grænse sættes af vand.
    Fordi flydende vand er uundværligt for jordisk biologi drejer de fleste spekulationer om udenjordisk liv sig om tanker om flydende vand. Definitionen af den "beboelige zone" for liv omkring en stjerne gives almindeligvis som det område af afstande fra stjernen indenfor hvilket flydende vand ville være stabilt på verdenens overflade. I vort solsystem ligger Jupiters måne Europa et godt stykke uden for den beboelige zone, men tideopvarmning kan måske alligevel opretholde et ocean af flydende vand under Europas isdække. På grund af muligheden for flydende vand er Europa ved at komme i exobiologiens fokus. I praksis, med liv som vi kender det på Jorden som vor model, begynder eftersøgningen af liv i solsystemet med eftersøgningen af flydende vand.

Fordele ved den flydende fase

Hvorfor er vand så essentielt og kunne udenjordiske biologier have fundet måder at omgå denne jordiske begrænsning på? Fordi vor forståelse af liv er begrænset til jordiske eksempler (indtil videre!), er det vanskeligt at skelne mellem de egenskaber som er nødvendige for liv generelt og de som afhænger af det særegne ved Jordens miljø og historie. Det er endda vanskeligt at definere hvad der forstås ved liv i almen forstand. Denne ubestemthed gør det let at spekulere i biologier som kunne undgå mange af de krav, der stilles til liv på Jorden. På den anden side er der så få begrænsninger på disse biologier, at de er til begrænset nytte.
    Det er klart, at stoffets flydende fase (i modsætning til faste - eller gas faser) giver vigtige fordele som internt medium for livsformer. I væske kan molekyler opløses og kemiske reaktioner foregå. Det flydende miljø tillader, at nøglemolekyler flytter sig fra et sted til et andet. Som resultat kan kemiske reaktioner opretholdes gennem en fortsat forsyning af de nødvendige ingredienser, reaktionernes nøgleprodukter kan spredes eller flyttes derhen hvor der er brug for dem og affaldsstoffer kan fjernes.
    Som internt medium kunne en gas måske sørge for nogle af disse fordele, men liv i gasfasen ville møde store vanskeligheder med at holde sig lukket inde. I et tyngdefelt ville store, tunge molekyler naturligt udfældes af baggrundsgassen og ville dermed ikke være til rådighed for yderligere reaktioner. Lignende problemer findes principielt også for kemi i flydende opløsning, men de er langt mindre alvorlige.

...og opløselighed

Vand er et meget godt opløsningsmiddel for visse molekyler - så godt, at vand sommetider kaldes det "universelle opløsningsmiddel". For at forstå hvorfor betragter vi strukturen af vandmolekylet (H₂O), som består af to brintatomer (hydrogen) (H) bundet til et enkelt iltatom (oxygen) (O). Hver af brintatomerne har en kredsende elektron og ilten har otte. Men iltatomet udøver en meget stærkere tiltrækning for elektroner, med det resultat, at elektronerne, selv dem der oprindelig er fra brinten, tilbringer mere af deres tid nær vandmolekylets iltdel end nær brintdelen.
    Da elektroner er negativt ladede opnår iltdelen af molekylet med sit elektronoverskud en delvist negativ ladning. De to brintatomer, som delvist mangler sine elektroner, opnår delvist positive ladninger. Kemikere siger at H₂O er et "polært" molekyle, fordi det har disse positive og negative dele. Hvis en anden type molekyle tilsættes vandet, kan brint atomerne danne svage bindinger (såkaldte hydrogen bindinger) med alle negativt ladede dele af molekylerne, fordi modsatte ladninger tiltrækker hinanden. Derfor er vand et godt opløsningsmiddel for ethvert polært molekyle.
    Der findes andre gode polære opløsningsmidler med lignende egenskaber, f.eks. flydende ammoniak (NH₃). Men ammoniak er ikke flydende ved temperaturerne på Jordens overflade. I denne forstand er vand det bedste opløsningsmiddel for liv på Jorden og sandsynligvis for enhver jordlignende planet i dens stjernes beboelige zone. På meget koldere verdener, hvor ammoniak ville være en væske men vand frosset til is, kunne ammoniak være det "indlysende" valg til opløsningsmiddel. Husk på at kemiske reaktionshastigheder bliver eksponentielt langsommere med lavere temperaturer, så enhver biokemi på kolde verdener ville skride meget langsommere frem end på Jorden.
    Flydende kulhydrater (måske på Titan?) kunne også tjene som opløsningsmidler for liv. Men kulhydrater er upolære molekyler (de har ikke modsat ladede ender), så enhver sådan biokemi ville være radikalt anderledes end jordisk liv og ville være baseret på andet end brint bindinger.

Bøjende enzymer

Vandmolekyler reagerer på tilstedeværelsen af upolære stoffer ved at arrangere sig i bure omkring stofferne og genner derved de upolære stoffer sammen. Denne egenskab ved vand viser sig at være yderst vigtig for biologien, fordi jordisk biologi afhænger af visse typer proteiner kaldet enzymer, som katalyserer kemiske reaktioner. Enzymerne får reaktioner til at forløbe meget hurtigere end de ellers ville. Kritisk for enzymernes evne til at katalysere reaktioner er deres tredimensionale form, som vand spiller en rolle i at danne.
    Enzymerne laves ved at sammenkæde mindre molekyler, som kaldes aminosyrer, der har sidegrupper som kan være polære eller upolære. Resultatet er, at forskellige aminosyrer i den kæde, der udgør enzymet, vil blive skubbet og bøjet ifølge deres ladning af de omgivende vandmolekyler, hvilket tvinger enzymet ind i en specifik tredimensional form. På denne måde er vand altafgørende for enzymers evne til at indtage den rette katalyserende form og, derfor, for at biokemiske reaktioner foregår i cellen.

Vand i hele verden

Betragtet på større skala har vand et antal andre bemærkelsesværdige egenskaber. For eksempel er vands faste fase, is, mindre tæt end flydende vands, så is flyder, i stedet for at synke, ved frysning. (Ammoniak gør, som næsten alle stoffer, det modsatte). Det betyder, at når søer fryser til, fryser de ovenfra og ned. Hvis is sank, kunne der i stedet, år efter år, akkumuleres et lag is på søbunden, et lag som forblev isoleret fra at smelte i løbet af sommeren af det ovenfor liggende vand. Til sidst ville søerne være fuldstændig fyldt med is. I stedet smelter overfladens islag, på grund af dets flydeevne, hver sommer.
    Vand har en af de største varmefylder blandt de kendte stoffer, hvilket betyder, at der kræves en mængde energi for at få vands temperatur til at stige en lille smule. Resultatet er, at Jordens oceaner har en vigtig modererende indflydelse på klimaet: energisvingninger (for eksempel mellem dag og nat) har langt mindre betydning for vor temperatur, end de ville have på en mindre vandrig verden. Ved fravær af vand ville temperatursvingningerne, som følge af årstidenes skiften, også være større.
    Alle disse egenskaber ved vand virker modererende på det jordiske miljø. Måske er det ikke overraskende, at disse virkninger forekommer behagelige for skabninger som os selv, der er udviklet på en planet, der er dækket af vand. Alligevel er det vanskeligt at se, hvordan eksistensen af disse modererende indflydelser udgør noget absolut krav for liv. Det kunne modsætningsvis være, at udviklingen ville skride hurtigere frem i mere udfordrende miljøer.

Pas på det hydrocentriske

Vi bør være opmærksomme på nogle af de biokemiske argumenter for vands uundværlighed for liv. Det forekommer bestemt som om, en slags opløsningsmiddel er nødvendigt for biologien og for mange verdener vil denne nødvendighed næsten uden undtagelse føre til vand. Men hvis vi alle var skabninger baseret på en ammoniakopløsning, der levede på en koldere verden, kunne vi sagtens afkrydse grunde til, at vand ville forekomme at være et frygteligt opløsningsmiddel for liv, såvel som dets oprindelse.
    For eksempel angriber vand proteiner såvel som kernesyrer (stofskiftets og arvelighedens respektive biomolekyler). Anbring et protein i vandopløsning og vandet begynder at nedbryde proteinet til dets individuelle aminosyrer. Vand-baseret liv må derfor kæmpe en stadig kamp mod ødelæggelse. Og denne egenskab ved vand, udgør et vigtigt, og stadig stort set uløst, problem ved livets oprindelse: proteiner er nødvendige for alt liv på Jorden, men hvordan kan disse molekyler dannes i havene på Jorden inden livet opstod, når vands virkning ikke er at binde aminosyrer sammen, men snarere at dele dem? Vi bør ikke glemme den kendsgerning, at selv om vand fremviser mange fordele for liv, giver det også sine egne udfordringer. På Jorden blev disse udfordringer i det mindste overvundet gennem mekanismer, som forbliver dårligt forstået. Hvilke løsninger - om nogen - blev fundet på Mars eller Europa?

*Christopher Chyba er planetforsker ved University of Arizona's Lunar and Planetary Laboratory, hvor han underviser i livets oprindelse.

Fra The Stuff of Life: Why Water?, The Planetary Report, Maj/Juni 1998, pp. 16-17.

6. maj, 2000.

Indhold
Antikaos og tilpasning :Én sti: Livets stof: Skal livet være baseret på kulstof?
Index