La vie terrestre, la seule que nous connaissons actuellement, repose sur une grande variété de composés carbonés. En attendant, ce n'est pas le seul élément chimique qui peut sous-tendre la vie.
L'existence d'autres formes de vie, fondamentalement différentes de nos vies terrestres, en présence, emplacement et nombre de pattes, yeux, dents, griffes, tentacules et autres parties du corps est l'un des sujets favoris de la littérature de science-fiction.
Cependant, les écrivains de science-fiction ne sont pas limités à cela - ils proposent à la fois des formes exotiques de vie traditionnelle (carbone) et ses fondations non moins exotiques - par exemple, des cristaux vivants, des créatures de champ d'énergie désincarnées ou des créatures en organosilicium.
Outre les écrivains de science-fiction, les scientifiques sont également engagés dans la discussion de ces questions, bien qu'ils soient beaucoup plus prudents dans leurs évaluations. Après tout, jusqu'à présent, la seule base de vie qui est précisément connue de la science est le carbone.
Néanmoins, à un moment donné, le célèbre astronome et vulgarisateur de la science Carl Sagan a déclaré qu'il était complètement faux de généraliser des déclarations sur la vie terrestre en relation avec la vie dans tout l'Univers. Sagan a appelé ces généralisations "chauvinisme du carbone", alors qu'il considérait lui-même le silicium comme la base alternative la plus probable pour la vie.
La principale question de la vie
Forme de vie en organosilicium de la série de science-fiction "Star Trek"
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Qu'est ce que la vie? Il semblerait que la réponse à cette question soit évidente, mais curieusement, il y a encore des discussions sur les critères formels dans la communauté scientifique. Néanmoins, un certain nombre de traits caractéristiques peuvent être distingués: la vie doit se reproduire et évoluer, et pour cela, plusieurs conditions importantes doivent être remplies.
Premièrement, l'existence de la vie nécessite un grand nombre de composés chimiques, constitués principalement d'un nombre limité d'éléments chimiques. Dans le cas de la chimie organique, ce sont le carbone, l'hydrogène, l'azote, l'oxygène, le soufre et le nombre de ces composés est énorme.
Deuxièmement, ces composés doivent être thermodynamiquement stables ou au moins métastables, c'est-à-dire que leur durée de vie doit être suffisamment longue pour réaliser diverses réactions biochimiques.
La troisième condition est qu'il doit y avoir des réactions pour extraire l'énergie de l'environnement, ainsi que pour l'accumuler et la libérer.
Quatrièmement, pour l'auto-reproduction de la vie, un mécanisme d'hérédité est nécessaire, dans lequel une grosse molécule apériodique agit comme un vecteur d'information.
Erwin Schrödinger a suggéré qu'un cristal apériodique pourrait être le porteur d'informations héréditaires, et plus tard la structure de la molécule d'ADN, un copolymère linéaire, a été découverte. Enfin, toutes ces substances doivent être à l'état liquide pour assurer un taux suffisant de réactions métaboliques (métabolisme) dues à la diffusion.
Alternatives traditionnelles
Dans le cas du carbone, toutes ces conditions sont remplies, mais même avec l'alternative la plus proche - le silicium - la situation est loin d'être aussi rose. Les molécules d'organosilicium peuvent être suffisamment longues pour transporter des informations héréditaires, mais leur diversité est trop faible par rapport aux composés organiques du carbone - en raison de la plus grande taille des atomes, le silicium ne forme guère de doubles liaisons, ce qui limite considérablement les possibilités de fixation de divers groupes fonctionnels.
De plus, les silicones hydrogénées saturées - les silanes - sont complètement instables. Bien entendu, il existe également des composés stables tels que les silicates, mais la plupart d'entre eux sont des substances solides dans des conditions normales.
Avec d'autres éléments, comme le bore ou le soufre, la situation est encore pire: les composés organoborés et soufrés de haut poids moléculaire sont extrêmement instables, et leur diversité est trop pauvre pour fournir à la vie toutes les conditions nécessaires.
Sous pression
«L'azote n'a jamais été sérieusement considéré comme la base de la vie, car dans des conditions normales, le seul composé azote-hydrogène stable est l'ammoniac NH3», déclare Artem Oganov, chef du laboratoire de conception de matériaux assistés par ordinateur du MIPT, professeur à l'Université Stony Brook de New York et au Skolkovo Institute of Science and Technology (Skoltech).
«Cependant, récemment, en simulant divers systèmes azotés à haute pression (jusqu'à 800 GPa) à l'aide de notre algorithme USPEX (Universal Structure Predictor: Evolutionary Xtallography), notre groupe a découvert une chose étonnante.
Il s'est avéré qu'à des pressions supérieures à 36 GPa (360000 atm), un certain nombre d'azote d'hydrogène stable apparaît, comme de longues chaînes de polymère unidimensionnelles d'unités N4H, N3H, N2H et NH, le N9H4 exotique, qui forment des feuilles bidimensionnelles d'atomes d'azote avec des cations NH4 + attachés, et composés moléculaires N8H, NH2, N3H7, NH4, NH5.
En fait, nous avons constaté qu'à des pressions de l'ordre de 40 à 60 GPa, la chimie de l'azote-hydrogène dans sa diversité dépasse significativement la chimie des composés hydrocarbonés dans des conditions normales. Cela nous permet d'espérer que la chimie des systèmes impliquant l'azote, l'hydrogène, l'oxygène et le soufre est également plus riche en diversité que la chimie organique traditionnelle dans des conditions normales."
Étape à la vie
Cette hypothèse du groupe d'Artem Oganov ouvre des possibilités totalement inattendues en termes de base de vie non carbonée.
«L'azote hydrogène peut former de longues chaînes de polymère et même des feuilles bidimensionnelles», explique Artem. - Maintenant, nous étudions les propriétés de tels systèmes avec la participation de l'oxygène, puis nous ajouterons du carbone et du soufre à la considération dans nos modèles, et cela, éventuellement, ouvrira la voie à des analogues azotés des protéines de carbone, même les plus simples, pour commencer, sans centres actifs et structure complexe.
La question des sources d'énergie pour la vie à base d'azote est toujours ouverte, bien qu'il puisse s'agir d'une sorte de réaction redox encore inconnue de nous, se déroulant dans des conditions de haute pression. En réalité, de telles conditions peuvent exister dans les entrailles de planètes géantes comme Uranus ou Neptune, bien que les températures y soient trop élevées. Mais jusqu'à présent, nous ne savons pas exactement quelles réactions peuvent y avoir lieu et lesquelles d'entre elles sont importantes pour la vie, nous ne pouvons donc pas estimer avec précision la plage de température requise."
Les conditions de vie basées sur les composés azotés peuvent sembler extrêmement exotiques aux lecteurs. Mais il suffit de rappeler que l'abondance des planètes géantes dans les systèmes stellaires n'est au moins pas inférieure à celle des planètes rocheuses semblables à la terre. Et cela signifie que c'est la nôtre, la vie de carbone dans l'Univers qui peut s'avérer beaucoup plus exotique.
«L'azote est le septième élément le plus abondant de l'univers. Il y en a pas mal dans la composition de planètes géantes telles qu'Uranus et Neptune. On pense que l'azote s'y trouve principalement sous forme d'ammoniac, mais notre modélisation montre qu'à des pressions supérieures à 460 GPa, l'ammoniac cesse d'être un composé stable (comme c'est le cas dans des conditions normales). Donc, peut-être, dans les entrailles des planètes géantes, au lieu de l'ammoniac, il y a des molécules complètement différentes, et c'est la chimie que nous étudions actuellement."
Azote exotique
À haute pression, l'azote et l'hydrogène forment de nombreux composés stables, complexes et inhabituels. La chimie de ces composés hydrogène-azote est beaucoup plus diversifiée que la chimie des hydrocarbures dans des conditions normales, on espère donc que les composés azote-hydrogène-oxygène-sulfure peuvent surpasser la chimie organique dans la richesse des possibilités.
La figure montre les structures de N4H, N3H, N2H, NH, N9H4 (rose - atomes d'hydrogène, bleu - azote). Les unités monomères sont encadrées en rose.
Espace vital
Il est possible qu'en quête de vie exotique, nous n'ayons pas à voler à l'autre bout de l'univers. Dans notre propre système solaire, il y a deux planètes avec des conditions appropriées. Uranus et Neptune sont enveloppés dans une atmosphère d'hydrogène, d'hélium et de méthane, et semblent avoir un noyau de silice-fer-nickel.
Et entre le cœur et l'atmosphère se trouve un manteau, composé d'un liquide chaud - un mélange d'eau, d'ammoniac et de méthane. C'est dans ce liquide aux bonnes pressions et aux profondeurs appropriées que peuvent se produire la décomposition de l'ammoniac prédite par le groupe d'Artem Oganov et la formation d'hydrogène azoté exotique, ainsi que de composés plus complexes, dont l'oxygène, le carbone et le soufre.
Neptune possède également une source interne de chaleur, dont la nature n'est pas encore clairement comprise (on suppose qu'il s'agit d'un chauffage radiogène, chimique ou gravitationnel). Cela nous permet d'élargir considérablement la «zone habitable» autour de notre (ou une autre) étoile, bien au-delà des limites disponibles pour notre fragile vie de carbone.
Dmitry Mamontov