Je možný život bez vody?

Všechny formy života, které známe, nezbytně potřebují vodu. Platí to pro každého tvora, od medúzy bezstarostně pulzující uprostřed oceánu až po pouštní kaktus žárlivě střežící každou kapku; od nejvyšších stromů a nejtěžších velryb až po nejmenší bakterie, a dokonce i viry a další genetické parazity na samé hranici živého a neživého. Veškerý život na naší planetě (a žádný jiný zatím neznáme) totiž sdílí společný evoluční původ. Všichni jsme si navzájem příbuzní a neseme si, jako dědictví, jistou základní architekturu svých molekul, buněk a těl, která přetrvává od úplně prvních mikroskopických forem života, které na Zemi existovaly před více než čtyřmi miliardami let.

Voda – ideální rozpouštědlo

Voda nám slouží jako prostředí, ve kterém mohou probíhat chemické reakce nezbytné pro život. Dýchání, trávení, růst a opravy tělesných struktur, čtení a kopírování genetické informace – všechny tyto životní procesy jsou ve své podstatě chemickými reakcemi mezi rozmanitými látkami. Voda funguje jako téměř univerzální rozpouštědlo. Její drobné a mírně elektricky nabité molekuly se snadno vměstnají mezi molekuly, atomy a ionty velkého množství jiných látek, čímž zajistí jejich rovnoměrné rozprostření a snadnou přístupnost k reakcím. Na druhou stranu jiné látky (např. tuky) rozpuštění ve vodě vzdorují a jejich molekuly raději drží pohromadě. To je užitečné pro udržování stabilních tvarů různých buněčných struktur – třeba membrán, které oddělují jednotlivé části buňky, aby v nich mohly probíhat rozmanité reakce, které se nesmí míchat. Voda také poskytuje stabilní prostředí. Její velká tepelná kapacita brání prudkým změnám teploty a její neutrální pH zase působí jako ochrana před kyselinami a zásadami. Voda se také přímo účastní mnoha chemických reakcí v těle, a proto je užitečné ji mít stále po ruce.

Aby voda mohla plnit všechny tyto důležité role, tak musí být v kapalném skupenství (vědci nesměle spekulují o možnostech života v pevném či plynném skupenství, ale kapaliny jsou z mnoha důvodů mnohem užitečnější [1]). I v tomto ohledu voda vykazuje velmi výhodné vlastnosti. Rozsah teplot, při kterých zůstává kapalná (0 až 100 °C), je jeden z největších mezi známými kapalinami. A když začne mrznout, tak voda předvede svůj snad nejpodivuhodnější trik: vodní led plave na hladině. Na rozdíl od jiných kapalin se voda při mrznutí rozpíná, čímž snižuje svou hustotu, a vodní led je tedy lehčí než kapalná voda, tudíž na ní plave. Vrstva ledu na vodních plochách izoluje vodu pod sebou od nízkých teplot a pomáhá ji tak déle udržet v kapalném stavu, což je nadmíru užitečné pro všechny její obyvatele, od kaprů v našich rybnících po žraloky polárních moří.

Z těchto a mnoha dalších důvodů není divu, že se vědci zaměřují právě na vodu při hledání mimozemského života. Třeba americká NASA se při plánování vesmírných misí dlouhodobě řídí mottem „follow the water“ – jdi za vodou [2]. Není to sebestřednost ani nedostatek fantazie. My zkrátka zatím známe pouze život založený na vodě. Navíc je voda skutečně jedním z nejlepších rozpouštědel pro potřeby živých organismů. K tomu musíme přičíst ještě její všudypřítomnost. Molekula vody (H₂O) se skládá ze dvou atomů vodíku, které jsou vůbec nejběžnějšími atomy ve vesmíru, a jednoho atomu kyslíku, který je třetím nejčastějším. Astronomové nacházejí vodu prakticky všude ve vesmíru, od žhavého Merkuru [3] po mrazivé Pluto [4], na planetách u cizích hvězd [5], v mezihvězdných mračnech [6] i v nejvzdálenějších galaxiích [7]. Voda v kapalném skupenství se nachází nejen na Zemi, ale i pod povrchem Marsu [8], měsíců obřích planet (např. pod ledem Jupiterovy Europy [9] či Saturnova Enceladu [10]) a pravděpodobně i v hlubinách Pluta [11] a dalších těles na okraji Sluneční soustavy [12]. Chceme-li tedy uvažovat o jiných látkách jako alternativách vody, musíme brát v úvahu nejen jejich fyzikální a chemické vlastnosti, ale i jejich výskyt ve vesmíru a proč by měl případný mimozemský život používat tyto alternativy a nikoli vodu.

Jaké jsou tedy alternativy? V roce 2007 si NASA nechala vypracovat rozsáhlý dokument „The Limits of Organic Life in Planetary Systems“ (Meze organického života v planetárních systémech) s cílem shromáždit aktuální poznatky a názory vědců z různých oborů o možné existenci exotických forem života založených na velmi odlišných chemických základech, než jaké známe na Zemi. Jedním z hlavních témat byla právě i alternativní rozpouštědla [1]. V následujících odstavcích vycházím z tohoto dokumentu, a kde je třeba, doplňuji kontext nebo novější objevy.

Alternativní rozpouštědla

Formamid (HCONH₂) má ve srovnání s vodou dvakrát širší rozmezí teplot, při kterých je v kapalném skupenství (2–210 °C). Jeho vlastnosti coby rozpouštědla jsou vodě velmi blízké, takže případný život využívající formamid by se mohl skládat z podobných molekul jako ten náš. Na druhou stranu formamid je sám o sobě stabilnější než voda a méně ochotně reaguje s jinými látkami. Formamidové živé bytosti by tedy musely přijít s jinými způsoby získávání energie, než je naše dýchání nebo fotosyntéza. Formamid se nachází v mlhovinách [13], ze kterých vznikají hvězdy a planety, ale snadno se rozkládá v přítomnosti vody. Proto je obtížné si představit podmínky, za kterých by se stabilně vyskytoval na planetárním povrchu v množství dostatečném pro podporu života. Vědci se však domnívají, že brzy po zformování Země, před zhruba 4,3 miliardami let, existovala na naší planetě místa, kde se formamid mohl přechodně koncentrovat a možná i hrát důležitou roli při vzniku života [14].

Čpavek neboli amoniak (NH₃) v běžných pozemských podmínkách známe jako silně páchnoucí bezbarvý plyn, který kondenzuje do kapalného skupenství při −33 °C a tuhne při −77 °C. Za vyššího tlaku dokonce zůstává kapalný v širším rozmezí teplot než voda (např. −77 °C až 98 °C při tlaku 60 atmosfér). Stejně jako voda je čpavek polárním rozpouštědlem, ale o něco ochotněji rozpouští i hydrofobní látky, tedy látky, které se ve vodě nerady rozpouštějí. Naše biologické membrány založené na tucích v něm tedy nemohou fungovat a případné čpavkové bytosti by musely využívat jinou architekturu. Čpavek také reaguje s organickými látkami jinak než voda, což by vyžadovalo odlišné chemické reakce pro získávání energie.

Myšlenku, že by čpavek mohl být alternativou vody pro život na jiných planetách, vyjádřil už ve 30. letech 20. století chemik E. C. Franklin [15] a později, v 50. letech, zpopularizoval biolog J. B. S. Haldane [16]. Od té doby je čpavek nejčastěji zmiňovanou alternativou vody jako rozpouštědla pro život. Přispívá k tomu i jeho běžný výskyt ve vesmíru. Čpavek se nachází v atmosférách obřích planet [17] i pod povrchem jejich měsíců, v mezihvězdném prostoru i v cizích galaxiích. Problém je, že čpavek se velmi ochotně mísí s vodou, a tak ho jen vzácně nacházíme v čisté podobě. Například podpovrchové oceány Titanu (měsíc Saturnu) [18], Tritonu (měsíc Neptunu) [19] a Pluta [20] jsou pravděpodobně tvořeny roztokem vody a čpavku, který má ještě nižší teplotu tání než samotný čpavek.

Jedním místem, kde by se čistý čpavek mohl vyskytovat ve velkém množství, jsou tzv. uhlíkové planety [21]. Astronomové se domnívají, že některé hvězdy a jejich planetární soustavy vznikají z materiálu, který obsahuje mnohem větší podíl uhlíku než ten, z jakého vznikla naše Sluneční soustava. V takových systémech uhlík pravděpodobně zreagoval s téměř veškerým kyslíkem a tím zamezil vzniku vody. Uhlíkové planety jsou tedy ideálním místem pro oceány plné čpavku a třeba i čpavkový život. A kdo ví, třeba na některých existují i větší zásoby výše zmíněného formamidu.

Povrch Saturnova měsíce Titanu je příliš studený i pro extrémně mrazuvzdornou směs vody a čpavku, takže když se tato kapalina občas vylije z podpovrchového oceánu, tak ihned tuhne do podoby ledu tvrdého jako kámen [22]. Titan je ale paradoxně jediným tělesem Sluneční soustavy kromě Země, na jehož povrchu pozorujeme moře, jezera, řeky a déšť! Tuto bizarní, a přeci jen povědomou krajinu má na svědomí další potenciálně životodárné rozpouštědlo – směs lehkých uhlovodíků, především methanu (CH₄) a ethanu (C₂H₆) [23]. Na Zemi je známe jako hořlavé plyny, které tvoří hlavní složku jednoho z fosilních paliv – zemního plynu. Methan a ethan jsou nepolárními rozpouštědly, což znamená, že seznamy látek, které se v nich rozpouštějí a které nikoli, jsou velmi odlišné, a do jisté míry opačné než u vody. To ostatně známe z vlastní zkušenosti na příkladu benzínu, který je složený z těžších uhlovodíků, ale má podobné chemické vlastnosti. Případný život na povrchu Titanu by tedy musel využívat velmi odlišné stavební prvky než ten pozemský. K tomu musíme přičíst ještě tamní extrémně nízké teploty (−180 °C), které značně zpomalují všechny chemické reakce, a tedy i potenciální životní pochody. Přesto vědci nezapomínají na uhlovodíky jako prostředí pro mimozemský život a zahrnují tuto možnost do plánů vesmírných misí. NASA nyní chystá velmi ambiciózní vesmírnou sondu Dragonfly (robotický vrtulník s jaderným zdrojem energie [24]), která bude zkoumat Titan a pátrat po známkách života, a to i v prostředí uhlovodíkových jezer [25].

Kyselina sírová (H₂SO₄) je extrémně agresivní žíravina, totálně nepřátelská životu, jak ho známe. A přesto i tuto kapalinu vědci začínají studovat jako potenciální rozpouštědlo pro potřeby mimozemského života [26]. Důvodem je její výskyt na Venuši a nedávno oživená debata o možné přítomnosti života na této pekelné planetě [27]. Povrch Venuše je příliš horký pro takřka jakýkoli představitelný život, ale vysoko v atmosféře najdeme kombinaci tlaku a teploty, která odpovídá podmínkám na povrchu Země. V této výšce se také nachází permanentní vrstva husté oblačnosti. Pozemské mikroorganismy dokáží přežít dlouhou dobu v kapičkách vody v naší atmosféře [28] a vědci spekulují, že na Venuši, kde jsou oblaka mnohem stabilnější než na Zemi, by v nich exotické formy života mohly žít trvale [29]. Jenže Venušiny mraky nejsou složené z kapiček vody, nýbrž z téměř čisté kyseliny sírové. Bílkoviny a DNA se v přítomnosti kyseliny sírové spolehlivě rozkládají , ale vědci nedávno zjistili, že jednotlivé stavební kameny těchto molekul – aminokyseliny [30] a dusíkaté báze [31] – jsou v ní stabilní, stejně jako řada dalších složitých organických molekul, které pozemský život nevyužívá [32]. Kapky kyseliny sírové, které prší z Venušiných mraků, nikdy nedosáhnou povrchu, protože se kvůli příliš vysoké teplotě vypaří už ve výšce cca 30 km [33]. Můžeme si nicméně snadno představit jinou planetu s trochu mírnějšími podmínkami, na které by kyselina sírová existovala jako kapalina na povrchu a tvořila řeky, jezera a moře stejně jako voda na Zemi.

Závěrem

Formamid, čpavek, uhlovodíky a kyselina sírová jsou jen některé z nejčastěji uváděných alternativ vody. Z těch dalších můžeme zmínit třeba superkritický oxid uhličitý (forma hmoty kombinující vlastnosti plynu a kapaliny), který najdeme na povrchu Venuše [34], kapalný dusík, který astronomové marně vyhlíželi na Neptunově Tritonu [35], nebo kapalný vodík a helium v hlubinách obřích planet [1]. Obyčejná kapalná voda sice zůstává zdaleka nejlepším vodítkem pro pátrání po mimozemském životě, ale nyní už víme, že nemusí být jedinou možností. Musíme být však připraveni na lecjaká překvapení. Vždyť vědci se doteď nedokázali shodnout na jasné definici života ani v případě toho známého, pozemského, a nejsme si tedy jisti, po čem přesně pátrat na cizích planetách a jak jednoznačně odlišit živé od neživého.

Pro Zeptej se vědce odpovídal Lukáš