De aanname dat buitenaardse biochemieën waarschijnlijk vloeibaar water nodig hebben, lijkt misschien een beetje op de aarde gericht. Maar gezien de chemische mogelijkheden die beschikbaar zijn van de meest voorkomende elementen in het universum, zou zelfs een buitenaardse wetenschapper met een andere biochemie het er waarschijnlijk over eens zijn dat een op water-oplosmiddel gebaseerde biochemie meer dan waarschijnlijk elders in het universum zal voorkomen - en zou het de meest waarschijnlijke basis voor de ontwikkeling van intelligent leven.
Op basis van wat we weten over leven en biochemie, lijkt het waarschijnlijk dat een buitenaardse biochemie een oplosmiddel (zoals water) en een of meer elementaire eenheden nodig heeft voor zijn structuur en functie (zoals koolstof). Oplosmiddelen zijn belangrijk om chemische reacties mogelijk te maken, maar ook om materialen fysiek te transporteren - en in beide contexten lijkt het essentieel om dat oplosmiddel in zijn vloeibare fase te hebben.
We zouden kunnen verwachten dat de meest voorkomende biochemisch bruikbare oplosmiddelen het meest waarschijnlijk ontstaan uit de meest voorkomende elementen in het universum: waterstof, helium, zuurstof, neon, stikstof, koolstof, silicium, magnesium, ijzer en zwavel, in die volgorde.
Je kunt helium en neon waarschijnlijk vergeten - beide edelgassen, ze zijn grotendeels chemisch inert en vormen slechts zelden chemische verbindingen, die geen van allen duidelijk de eigenschappen van een oplosmiddel hebben. Kijkend naar wat er nog over is, zijn de polaire oplosmiddelen die misschien het gemakkelijkst beschikbaar zijn om een biochemie te ondersteunen, eerst water (H2O), dan ammoniak (NH3) en waterstofsulfide (H2S). Er kunnen ook verschillende niet-polaire oplosmiddelen worden gevormd, met name methaan (CH4). Over het algemeen hebben polaire oplosmiddelen een zwakke elektrische lading en kunnen ze de meeste dingen oplossen die in water oplosbaar zijn, terwijl niet-polaire oplosmiddelen geen lading hebben en meer werken als de industriële oplosmiddelen die we op aarde kennen, zoals terpentijn.
Isaac Asimov, die niet-sciencefiction schreef als biochemicus, stelde een hypothetische biochemie voor waarbij polylipiden (in wezen ketens van vetmoleculen) eiwitten in een methaan (of ander niet-polair) oplosmiddel zouden kunnen vervangen. Zo'n biochemie zou kunnen werken op de maan van Saturnus, Titan.
Desalniettemin lijkt water uit de lijst met potentieel overvloedige oplosmiddelen in het universum de beste kandidaat om een complex ecosysteem te ondersteunen. Het is tenslotte waarschijnlijk het meest universeel voorkomende oplosmiddel - en de vloeibare fase vindt plaats bij een hoger temperatuurbereik dan de andere.
Het lijkt redelijk om aan te nemen dat een biochemie dynamischer zal zijn in een warmere omgeving met meer energie om biochemische reacties te stimuleren. Zo'n dynamische omgeving zou moeten betekenen dat organismen veel sneller kunnen groeien en reproduceren (en dus evolueren).
Water heeft ook de voordelen van:
• met sterke waterstofbruggen waardoor het een sterke oppervlaktespanning krijgt (driemaal die van vloeibare ammoniak) - wat de aggregatie van prebiotische verbindingen en de ontwikkeling van membranen zou bevorderen;
• zwakke niet-covalente bindingen kunnen vormen met andere verbindingen - wat bijvoorbeeld de 3D-structuur van eiwitten in de biochemie van de aarde ondersteunt; en
• kunnen deelnemen aan elektronentransportreacties (de belangrijkste methode van energieproductie in de biochemie van de aarde) door een waterstofion en het bijbehorende elektron te doneren.
Waterstoffluoride (HF) is gesuggereerd als een alternatief stabiel oplosmiddel dat ook kan deelnemen aan elektrontransportreacties - met een vloeibare fase tussen -80 OC en 20 OC bij 1 atmosfeer druk (aarde, zeeniveau). Dit is een warmer temperatuurbereik dan de andere oplosmiddelen die waarschijnlijk universeel overvloedig zijn, afgezien van water. Maar fluor zelf is niet een zeer overvloedig element en HF zal, in aanwezigheid van water, in fluorwaterstofzuur veranderen.
H2S kan ook worden gebruikt voor elektronentransportreacties - en wordt dus gebruikt door sommige op aarde gebaseerde chemosynthetische bacteriën - maar als vloeistof bestaat het alleen in het relatief smalle en koude temperatuurbereik van -90 OC tot -60 OC bij 1 atmosfeer.
Deze punten pleiten er in ieder geval sterk voor dat vloeibaar water de statistisch meest waarschijnlijke basis is voor de ontwikkeling van complexe ecosystemen die intelligent leven kunnen ondersteunen. Hoewel andere biochemie op basis van andere oplosmiddelen mogelijk is, lijken ze waarschijnlijk beperkt te zijn tot koude, energiezuinige omgevingen waar de ontwikkelingssnelheid van biologische diversiteit en evolutie erg traag kan zijn.
De enige uitzondering op deze regel kunnen hogedrukomgevingen zijn die die andere oplosmiddelen in vloeibare fase bij hogere temperaturen kunnen vasthouden (waar ze anders als gas zouden bestaan bij een druk van 1 atmosfeer).
Volgende week: Waarom Carbon?
