Water and life : Seeking the solution
🇨🇳 水与生命:寻找解决方案 🇹🇼
🇫🇷 L'eau et la vie : à la recherche de la solution
🇩🇪 Wasser und Leben: Auf der Suche nach einer Lösung
Is there any fundamental reason to be fixated on water as the universal elixir of life?
Where there's water, there's life. That, at least, is what our experience on Earth has taught us, and when it comes to searching for life on other worlds, NASA seems determined to follow the water. But is it right to see water as the sole medium for extraterrestrial life? National Aeronautics and Space Administration (NASA) is an independent agency of the U.S.A. federal government responsible for the civil space program, aeronautics research, and space research. Established in 1958, it succeeded the National Advisory Committee for Aeronautics to give the U.S. space development effort a distinct civilian orientation, emphasizing peaceful applications in space science.
Some think not. “Water is a terrible solvent for life,” says chemist Steven Benner of the University of Florida in Gainesville. Benner is one of a number of biochemists, planetary scientists and philosophers who are trying to find out whether water is in some sense ‘fine-tuned’ for life.
It is a pertinent question. Scientists today are searching for extraterrestrial life wherever they can, from the subsoil of Mars to planets orbiting other stars. So far they have found nothing. But are they looking in the right places? If Benner is right, perhaps they have become too fixated on chasing water.
Benner led the case for the prosecution earlier this year at a meeting in Varenna, Italy. There, researchers faced up to what many of them consider to be their biggest challenge. How can we even begin to discuss the relationship between water and life when we have only one example — life on Earth. And more to the point, can the problem be dealt with in a rigorous, scientific manner?
For Benner the answer to the latter question is yes. He argues that it is possible to investigate experimentally whether water is essential for life. He hopes to prove that a type of biochemistry can occur without water. “We are working to create alternative darwinian systems based on fundamentally different chemistries,” he says. “We are using different solvent systems as a way to get a precursor for life on Earth.”
The notion of redesigning life's chemistry has become central to the emerging discipline of synthetic biology, which has among its long-term objectives the aim of creating entire cells from scratch, perhaps with a different chemical basis from that of existing organisms.
Benner points out that water is generally not a good solvent for doing organic chemistry — which is, in the end, what life is all about. For one thing, water is rather reactive, tending to split apart the bonds that link the building blocks of biomolecules together. It readily breaks peptide bonds, for example, as well as many of the bonds in nucleic acids, such as RNA. “The structure of RNA screams ‘I did not arise in water!’” Benner asserts. He says that in about four out of five cases, synthetic organic chemists will avoid using water as a solvent.
Creative force
But of course organic chemists aren't usually trying to create life. Water has many properties that seem indispensable for the functioning of proteins and cells. It is an excellent solvent for ions, for example — crucial for nerve signalling, enzymatic processes, biomineralization and the behaviour of DNA. It is also a master of weak intermolecular interactions such as hydrogen bonds and hydrophobic forces. The latter play a central role in protein folding and protein–protein interactions, whereas the former often act as bridges between protein binding sites and their substrates. And water's ability to absorb and lose heat without undergoing a large temperature change provides thermal cushioning, shielding cells and organisms from wild temperature swings.
No other known liquid combines all of these properties. But does a life-supporting solvent need them all? Are any of water's unique properties essential, and are any of its essential properties unique?
To assess whether water is somehow ‘special’ as a biological solvent, we need to understand the basic requirements for life. Proteins and nucleic acids rely on weak intermolecular interactions to organize and pass chemical information around — to transfer genetic instructions, for instance. It could be argued that general properties such as this will be needed for a ‘chemistry of life’, even when the building blocks are not proteins or nucleic acids.
The clouds of Jupiter contain liquid ammonia which some say could support water-free life.
But these familiar building blocks may themselves not need water to function. “I think it is perfectly possible that at least elements of relevant biochemistry can be persuaded to work in a completely non-aqueous environment,” says physicist John Finney at University College London. Finney points to evidence that enzymes can work in ‘dry’ air, where they hold on to only the barest coatings of water molecules, and even in non-aqueous solvents.
Most natural enzymes cannot fold into their compact, active forms without being immersed in water. But even that limitation might not be fundamental. A team led by Annelise Barron and Ishwar Radhakrishnan at Northwestern University in Evanston, Illinois, has recently found that molecules called peptoids, which are structurally very similar to peptides, can fold into compact forms in pure methanol.
Another way to explore the relationship between water and life is to modify water's molecular structure or properties until the liquid state itself begins to change. “Knowing which properties of water are particularly sensitive to its structure can help to show how fine-tuned for life the liquid properties are,” says Ruth Lynden-Bell, a theoretical chemist at Queen's University Belfast, UK, who co-chaired the Varenna meeting.
Lynden-Bell and her co-workers have used computer simulations to model changes in water's properties. They found that if the bond angle in H2O was 90°, rather than 104.5° as in the real molecule, or if the hydrogen bonds were about 15% weaker, the three-dimensional network of hydrogen bonds — crucial to the liquid's unique properties — would be severely disrupted or fall to pieces.
NASA's Kepler mission will search for new planets.
Asking such ‘what if’ questions might seem strange to biologists and chemists, but it is far more common in cosmology or physics. For cosmologists, the physical Universe seems to be precariously fine-tuned to make life possible. For example, the fine-structure constant, which determines the strength of electromagnetic interactions, is not fixed by any known fundamental theory; and yet if it was ten times larger, stable atoms could not exist.
Unlike physics, of course, biochemistry adapts to its environment, which is why the participants in Varenna generally agreed that life on Earth is adapted to water rather than the other way round. “Life on Earth itself is fine-tuned to water — a consequence of it evolving in close association with the medium,” says Finney. “To put it the other way is perhaps to put the cart before the horse.” He adds that “the fine-tuning argument with respect to water is a far more complex problem than that in astrophysics. Without knowing what aspects of water are important, I suspect we are doing little more than speculating.”
Out of this world
Benner wants to use experiments to move beyond these abstract discussions. He sees several alternatives to water6. Ammonia, which is liquid between −78 °C and −33 °C at 1 atmosphere pressure, will dissolve many organic compounds and can form hydrogen bonds. It is also relatively common in the cosmos: there is liquid ammonia in the clouds of Jupiter, for example. Benner considers water–ammonia mixtures, which may exist in some cold extraterrestrial environments such as beneath the surface of Saturn's moon Titan, as another promising candidate. Then there is formamide, which is liquid over a wide range of temperatures and pressures, dissolves salts and has hydrophobic-like effects. Formamide might be present below the surface on Mars.
But Benner does not rule out more exotic possibilities, such as liquid nitrogen or supercritical liquid hydrogen on gas-giant planets such as Saturn, Uranus and Neptune. Or perhaps hydrocarbons such as liquid methane on Titan. “Organic reactivity in hydrocarbon solvents is no less versatile than in water,” he says.
Life on Earth is fine-tuned to water — a consequence of it evolving in close association with the medium.
Does widening the search for extraterrestrial life to places that don't have water make sense? The Cassini-Huygens space probe showed in January that Titan may have river-beds (if not actual rivers) carved from liquid hydrocarbons. And in March the detection of reflected light from two Jupiter-like extrasolar planets by the Spitzer Space Telescope marked the first step towards analysing their chemistry remotely.
But NASA's quest for habitable planets remains focused on water. In 2008 it intends to launch the Kepler Photometer, which will search for Earth-like planets by looking for evidence of their transit across the faces of parent stars. At a much later date, the agency hopes to launch two space-based telescopes that will form the Terrestrial Planet Finder (TPF) mission. These will detect and analyse reflected light from other planets. The gaze of both Kepler and the TPF will be firmly fixed on the ‘habitable zone’ of stars, where liquid water could exist, potentially overlooking worlds that are habitable by non-aqueous life forms.
Benner is not waiting around for these space missions to find extraterrestrial life in places with or without water. He is convinced that the time is ripe to explore more exotic life forms in the laboratory. But that, he says, requires a different mindset from the one that currently guides chemical research and funding. Benner is participating in a US National Academies panel funded by NASA that is looking at possible alternative chemistries for life, and which he hopes will identify research directions that funding agencies can pursue. He believes that researchers should aim high — to create life forms that do not reproduce the chemistry that is found on Earth. In other words, if we can't easily get to other worlds, we should build them here.
🇨🇳 水与生命:寻找解决方案 🇹🇼
有什么根本原因让我们执着于将水视为万能的灵丹妙药?
哪里有水,哪里就有生命。至少,这是我们在地球上的经验告诉我们的,当谈到寻找其他星球上的生命时,NASA 似乎决心追随水。但是,将水视为外星生命的唯一媒介是否正确?美国国家航空航天局(NASA)是美国联邦政府的一个独立机构,负责民用航天计划、航空研究和空间研究。它成立于 1958 年,取代了国家航空咨询委员会,使美国航天发展工作具有独特的民用导向,强调空间科学的和平应用。
有些人认为不是。“水是生命的可怕溶剂,”盖恩斯维尔佛罗里达大学的化学家史蒂文·本纳 (Steven Benner) 说。本纳是众多生物化学家、行星科学家和哲学家之一,他们试图找出水是否在某种意义上“微调”为生命。
这是一个中肯的问题。如今,科学家们正在尽其所能寻找外星生命,从火星的地下土壤到围绕其他恒星运行的行星。到目前为止,他们一无所获。但他们找对地方了吗?如果本纳是对的,也许他们太执着于追逐水了。
今年早些时候,本纳在意大利瓦伦纳举行的一次会议上领导了起诉。在那里,研究人员面临着许多人认为是最大的挑战。当我们只有一个例子——地球上的生命——时,我们怎么能开始讨论水和生命之间的关系呢?更重要的是,这个问题能以严谨、科学的方式处理吗?
对于本纳来说,后一个问题的答案是肯定的。他认为,可以通过实验研究水是否对生命至关重要。他希望证明一种生物化学可以在没有水的情况下发生。“我们正在努力创建基于根本不同化学反应的替代达尔文系统,”他说。“我们正在使用不同的溶剂系统来获得地球生命的前体。”
重新设计生命化学的概念已经成为新兴合成生物学学科的核心,该学科的长期目标之一是从头开始创造整个细胞,也许其化学基础与现有生物不同。
本纳指出,水通常不是进行有机化学反应的良好溶剂——而有机化学反应最终才是生命的意义所在。首先,水具有相当高的反应性,往往会分裂连接生物分子构成要素的键。例如,它很容易破坏肽键,以及核酸(如 RNA)中的许多键。“RNA 的结构表明‘我不是从水中诞生的!’”本纳断言。他说,在大约五分之四的情况下,合成有机化学家会避免使用水作为溶剂。
创造力
但有机化学家当然通常不会试图创造生命。水具有许多似乎对蛋白质和细胞功能不可或缺的特性。例如,它是离子的极佳溶剂——对神经信号传导、酶促过程、生物矿化和 DNA 行为至关重要。它也是弱分子间相互作用的大师,例如氢键和疏水力。 后者在蛋白质折叠和蛋白质-蛋白质相互作用中起着核心作用,而前者通常充当蛋白质结合位点和其底物之间的桥梁。水能够在不经历大的温度变化的情况下吸收和散失热量,从而提供热缓冲,保护细胞和生物体免受剧烈的温度波动。
没有其他已知液体兼具所有这些特性。但生命维持溶剂是否需要所有这些特性?水的独特特性是否必不可少?其基本特性是否独一无二?
要评估水作为生物溶剂是否具有某种“特殊性”,我们需要了解生命的基本要求1。蛋白质和核酸依靠弱的分子间相互作用来组织和传递化学信息——例如传递遗传指令。可以说,即使构建模块不是蛋白质或核酸,这种一般特性对于“生命化学”也是必要的。
木星云层含有液氨,有人说它可以支持无水生命。
但这些熟悉的构建块本身可能不需要水就能发挥作用。“我认为,至少相关生物化学的元素完全有可能在完全非水环境中发挥作用,”伦敦大学学院的物理学家约翰·芬尼说。芬尼指出,有证据表明酶可以在“干燥”空气中发挥作用,在这种空气中,它们只保留最薄的水分子涂层,甚至在非水溶剂中也能发挥作用。
大多数天然酶如果不浸入水中,就无法折叠成紧凑的活性形式。但即使是这种限制也可能不是根本性的。伊利诺伊州埃文斯顿西北大学的 Annelise Barron 和 Ishwar Radhakrishnan 领导的团队最近发现,结构与肽非常相似的称为肽类的分子可以在纯甲醇中折叠成紧凑的形式。
探索水与生命之间关系的另一种方法是修改水的分子结构或性质,直到液态本身开始发生变化。 “了解水的哪些特性对其结构特别敏感,有助于展示液体特性对生命的精细调整程度,”英国贝尔法斯特女王大学的理论化学家、瓦伦纳会议的联合主席 Ruth Lynden-Bell 说。
Lynden-Bell 和她的同事使用计算机模拟来模拟水的特性变化。他们发现,如果 H2O 中的键角为 90°,而不是真实分子中的 104.5°,或者氢键弱约 15%,三维氢键网络(对液体的独特性质至关重要)将严重破坏或崩溃。
美国宇航局的开普勒任务将寻找新行星。
对于生物学家和化学家来说,提出这样的“如果”问题可能看起来很奇怪,但在宇宙学或物理学中,这种情况更为常见。 对于宇宙学家来说,物理宇宙似乎经过了精心的微调,使生命成为可能5。例如,决定电磁相互作用强度的精细结构常数不受任何已知的基本理论固定;然而,如果它大十倍,稳定的原子就不可能存在。
当然,与物理学不同,生物化学会适应其环境,这就是为什么瓦伦纳的参与者普遍认为地球上的生命适应了水,而不是相反。“地球上的生命本身就是对水的微调——这是它与介质密切相关进化的结果,”芬尼说。“换个说法也许是本末倒置。”他补充说,“关于水的微调论证是一个比天体物理学复杂得多的问题。如果不知道水的哪些方面很重要,我怀疑我们所做的只不过是猜测。”
超凡脱俗
本纳希望通过实验超越这些抽象的讨论。他看到了水的几种替代品6。 氨在 1 个大气压下在 −78 °C 至 −33 °C 之间呈液态,可溶解许多有机化合物并形成氢键。它在宇宙中也相对常见:例如,木星云层中就存在液态氨。Benner 认为水-氨混合物可能存在于某些寒冷的地外环境中,例如土星卫星土卫六的表面之下,也是另一个有希望的候选者。然后是甲酰胺,它在很宽的温度和压力范围内呈液态,可溶解盐并具有类似疏水的效果。甲酰胺可能存在于火星表面之下。
但 Benner 并不排除更奇特的可能性,例如土星、天王星和海王星等气态巨行星上的液氮或超临界液氢。或者可能是土卫六上的液态甲烷等碳氢化合物。“碳氢化合物溶剂中的有机反应性不亚于水中,”他说。
地球上的生命与水完美契合——这是水与介质密切相关进化的结果。
将外星生命的搜索范围扩大到没有水的地方是否有意义?卡西尼-惠更斯号太空探测器于 1 月显示,土卫六可能有由液态碳氢化合物雕刻而成的河床(如果不是真正的河流)。3 月,斯皮策太空望远镜探测到两颗类木系外行星的反射光,标志着远程分析其化学成分的第一步。
但 NASA 寻找宜居行星的重点仍是水。2008 年,NASA 计划发射开普勒光度计,通过寻找类地行星经过母星表面的证据来寻找它们。稍后,NASA 希望发射两台太空望远镜,组成类地行星探测器 (TPF) 任务。它们将探测和分析来自其他行星的反射光。开普勒和 TPF 的目光都将牢牢锁定在恒星的“宜居区”,那里可能存在液态水,可能会忽略非水生生命形式适宜居住的世界。
Benner 并不期待这些太空任务在有水或无水的地方找到外星生命。他坚信,现在是在实验室中探索更多奇异生命形式的时候了。但他表示,这需要一种与目前指导化学研究和资助的思维方式不同的思维方式。 本纳正在参加由 NASA 资助的美国国家科学院小组,该小组正在研究生命可能存在的替代化学反应,他希望该小组能确定资助机构可以研究的方向。他认为研究人员应该志存高远——创造出不会复制地球上化学反应的生命形式。换句话说,如果我们不能轻易到达其他世界,我们就应该在这里建造它们。
🇫🇷 L'eau et la vie : à la recherche de la solution
Existe-t-il une raison fondamentale de considérer l’eau comme l’élixir universel de la vie ?
Là où il y a de l’eau, il y a de la vie. C’est du moins ce que notre expérience sur Terre nous a appris, et lorsqu’il s’agit de rechercher la vie sur d’autres mondes, la NASA semble déterminée à suivre l’eau. Mais est-il juste de considérer l’eau comme le seul milieu propice à la vie extraterrestre ? La National Aeronautics and Space Administration (NASA) est une agence indépendante du gouvernement fédéral américain responsable du programme spatial civil, de la recherche aéronautique et de la recherche spatiale. Créée en 1958, elle a succédé au National Advisory Committee for Aeronautics pour donner à l’effort de développement spatial américain une orientation civile distincte, mettant l’accent sur les applications pacifiques de la science spatiale.
Certains pensent que non. « L’eau est un terrible solvant pour la vie », déclare le chimiste Steven Benner de l’Université de Floride à Gainesville. Benner fait partie des nombreux biochimistes, planétologues et philosophes qui tentent de découvrir si l’eau est en quelque sorte « finement réglée » pour la vie.
C’est une question pertinente. Aujourd’hui, les scientifiques recherchent la vie extraterrestre partout où ils le peuvent, du sous-sol de Mars aux planètes en orbite autour d’autres étoiles. Jusqu’à présent, ils n’ont rien trouvé. Mais cherchent-ils aux bons endroits ? Si Benner a raison, peut-être sont-ils devenus trop obsédés par la chasse à l’eau.
Benner a mené la plaidoirie de l’accusation au début de cette année lors d’une réunion à Varenna, en Italie. Là, les chercheurs ont fait face à ce qu’ils considèrent comme leur plus grand défi. Comment pouvons-nous même commencer à discuter de la relation entre l’eau et la vie lorsque nous n’avons qu’un seul exemple : la vie sur Terre. Et plus précisément, le problème peut-il être traité de manière rigoureuse et scientifique ?
Pour Benner, la réponse à cette dernière question est oui. Il soutient qu’il est possible de rechercher expérimentalement si l’eau est essentielle à la vie. Il espère prouver qu’un type de biochimie peut se produire sans eau. « Nous travaillons à créer des systèmes darwiniens alternatifs basés sur des chimies fondamentalement différentes », explique-t-il. « Nous utilisons différents systèmes de solvants pour obtenir un précurseur de la vie sur Terre. »
L’idée de repenser la chimie de la vie est devenue centrale dans la discipline émergente de la biologie synthétique, dont l’un des objectifs à long terme est de créer des cellules entières à partir de zéro, peut-être avec une base chimique différente de celle des organismes existants.
Benner souligne que l’eau n’est généralement pas un bon solvant pour la chimie organique – qui est, en fin de compte, l’essence même de la vie. D’une part, l’eau est plutôt réactive, tendant à rompre les liaisons qui lient les éléments constitutifs des biomolécules. Elle rompt facilement les liaisons peptidiques, par exemple, ainsi que de nombreuses liaisons dans les acides nucléiques, comme l’ARN. « La structure de l’ARN crie : « Je ne suis pas né dans l’eau ! » », affirme Benner. Il dit que dans environ quatre cas sur cinq, les chimistes organiques synthétiques évitent d’utiliser l’eau comme solvant.
Force créatrice
Mais bien sûr, les chimistes organiques ne cherchent généralement pas à créer la vie. L’eau possède de nombreuses propriétés qui semblent indispensables au fonctionnement des protéines et des cellules. C’est un excellent solvant pour les ions, par exemple, crucial pour la signalisation nerveuse, les processus enzymatiques, la biominéralisation et le comportement de l’ADN. Elle maîtrise également les interactions intermoléculaires faibles telles que les liaisons hydrogène et les forces hydrophobes. Ces dernières jouent un rôle central dans le repliement des protéines et les interactions protéine-protéine, tandis que les premières agissent souvent comme des ponts entre les sites de liaison des protéines et leurs substrats. Et la capacité de l’eau à absorber et à perdre de la chaleur sans subir de changement de température important fournit un amortisseur thermique, protégeant les cellules et les organismes des variations de température extrêmes.
Aucun autre liquide connu ne combine toutes ces propriétés. Mais un solvant nécessaire à la vie en a-t-il besoin de toutes ? Certaines des propriétés uniques de l’eau sont-elles essentielles, et certaines de ses propriétés essentielles sont-elles uniques ?
Pour évaluer si l’eau est en quelque sorte « spéciale » en tant que solvant biologique, nous devons comprendre les exigences de base de la vie. Les protéines et les acides nucléiques s’appuient sur de faibles interactions intermoléculaires pour organiser et transmettre des informations chimiques, par exemple pour transférer des instructions génétiques. On pourrait soutenir que des propriétés générales comme celles-ci seront nécessaires à une « chimie de la vie », même lorsque les éléments constitutifs ne sont pas des protéines ou des acides nucléiques.
Les nuages de Jupiter contiennent de l’ammoniac liquide qui, selon certains, pourrait favoriser la vie sans eau.
Mais ces éléments de base familiers n’ont peut-être pas besoin d’eau pour fonctionner. « Je pense qu’il est parfaitement possible qu’au moins des éléments de biochimie pertinents puissent être persuadés de fonctionner dans un environnement complètement non aqueux », déclare le physicien John Finney de l’University College de Londres. Finney cite des preuves montrant que les enzymes peuvent fonctionner dans l’air « sec », où elles ne retiennent que les couches les plus fines de molécules d’eau, et même dans des solvants non aqueux.
La plupart des enzymes naturelles ne peuvent pas se replier dans leurs formes compactes et actives sans être immergées dans l’eau. Mais même cette limitation pourrait ne pas être fondamentale. Une équipe dirigée par Annelise Barron et Ishwar Radhakrishnan de l’université Northwestern à Evanston, dans l’Illinois, a récemment découvert que des molécules appelées peptoïdes, qui sont structurellement très similaires aux peptides, peuvent se replier dans des formes compactes dans du méthanol pur.
Une autre façon d’explorer la relation entre l’eau et la vie est de modifier la structure moléculaire ou les propriétés de l’eau jusqu’à ce que l’état liquide lui-même commence à changer. « Connaître les propriétés de l’eau qui sont particulièrement sensibles à sa structure peut aider à montrer à quel point les propriétés liquides sont adaptées à la vie », explique Ruth Lynden-Bell, chimiste théoricienne à l’université Queen’s de Belfast, au Royaume-Uni, qui a coprésidé la réunion de Varenna.
Lynden-Bell et ses collègues ont utilisé des simulations informatiques pour modéliser les changements dans les propriétés de l’eau. Ils ont découvert que si l’angle de liaison dans H2O était de 90°, plutôt que de 104,5° comme dans la molécule réelle, ou si les liaisons hydrogène étaient environ 15 % plus faibles, le réseau tridimensionnel de liaisons hydrogène – essentiel aux propriétés uniques du liquide – serait gravement perturbé ou s’effondrerait.
La mission Kepler de la NASA recherchera de nouvelles planètes.
Poser de telles questions du type « et si » peut sembler étrange aux biologistes et aux chimistes, mais c’est beaucoup plus courant en cosmologie ou en physique. Pour les cosmologistes, l’Univers physique semble être précairement réglé pour rendre la vie possible. Par exemple, la constante de structure fine, qui détermine la force des interactions électromagnétiques, n’est fixée par aucune théorie fondamentale connue ; et pourtant, si elle était dix fois plus grande, des atomes stables ne pourraient pas exister.
Contrairement à la physique, bien sûr, la biochimie s’adapte à son environnement, ce qui explique pourquoi les participants à Varenna ont généralement convenu que la vie sur Terre est adaptée à l’eau plutôt que l’inverse. « La vie sur Terre elle-même est finement réglée à l’eau – une conséquence de son évolution en étroite association avec le milieu », explique Finney. « Le dire autrement, c’est peut-être mettre la charrue avant les bœufs. » Il ajoute que « l’argument de l’ajustement fin concernant l’eau est un problème beaucoup plus complexe que celui de l’astrophysique. Sans savoir quels aspects de l’eau sont importants, je pense que nous ne faisons guère plus que spéculer. »
Un monde hors du commun
Benner veut utiliser les expériences pour aller au-delà de ces discussions abstraites. Il voit plusieurs alternatives à l’eau6. L’ammoniac, liquide entre −78 °C et −33 °C à une pression atmosphérique, dissout de nombreux composés organiques et peut former des liaisons hydrogène. Il est également relativement courant dans le cosmos : on trouve de l’ammoniac liquide dans les nuages de Jupiter, par exemple. Benner considère les mélanges eau-ammoniac, qui peuvent exister dans certains environnements extraterrestres froids, comme sous la surface de Titan, la lune de Saturne, comme un autre candidat prometteur. Il y a aussi le formamide, qui est liquide sur une large plage de températures et de pressions, dissout les sels et a des effets hydrophobes. Le formamide pourrait être présent sous la surface de Mars.
Mais Benner n’exclut pas des possibilités plus exotiques, comme l’azote liquide ou l’hydrogène liquide supercritique sur des planètes géantes gazeuses comme Saturne, Uranus et Neptune. Ou peut-être des hydrocarbures comme le méthane liquide sur Titan. « La réactivité organique dans les solvants hydrocarbonés n’est pas moins polyvalente que dans l’eau », dit-il.
La vie sur Terre est étroitement liée à l'eau, une conséquence de son évolution en étroite association avec ce milieu.
Est-il judicieux d'élargir la recherche de la vie extraterrestre à des endroits dépourvus d'eau ? La sonde spatiale Cassini-Huygens a montré en janvier que Titan pourrait avoir des lits de rivières (si ce n'est de véritables rivières) creusés dans des hydrocarbures liquides. Et en mars, la détection de la lumière réfléchie par deux planètes extrasolaires de type Jupiter par le télescope spatial Spitzer a marqué la première étape vers l'analyse à distance de leur composition chimique.
Mais la quête de la NASA pour découvrir des planètes habitables reste centrée sur l’eau. En 2008, elle prévoit de lancer le photomètre Kepler, qui recherchera des planètes semblables à la Terre en recherchant des preuves de leur transit sur les faces de leurs étoiles mères. A une date beaucoup plus tardive, l’agence espère lancer deux télescopes spatiaux qui formeront la mission Terrestrial Planet Finder (TPF). Ceux-ci détecteront et analyseront la lumière réfléchie par d’autres planètes. Le regard de Kepler et du TPF sera fermement fixé sur la « zone habitable » des étoiles, où l’eau liquide pourrait exister, laissant potentiellement de côté les mondes habitables par des formes de vie non aqueuses.
Benner n’attend pas ces missions spatiales pour trouver de la vie extraterrestre dans des endroits avec ou sans eau. Il est convaincu que le moment est venu d’explorer des formes de vie plus exotiques en laboratoire. Mais cela, dit-il, nécessite un état d’esprit différent de celui qui guide actuellement la recherche et le financement en chimie. Benner participe à un groupe d'experts des académies nationales américaines financé par la NASA qui étudie les alternatives chimiques possibles pour la vie et qui, espère-t-il, permettra d'identifier les directions de recherche que les organismes de financement peuvent suivre. Il estime que les chercheurs devraient viser haut : créer des formes de vie qui ne reproduisent pas la chimie que l'on trouve sur Terre. En d'autres termes, si nous ne pouvons pas accéder facilement à d'autres mondes, nous devrions les construire ici.
🇩🇪 Wasser und Leben: Auf der Suche nach einer Lösung
Gibt es einen grundsätzlichen Grund, auf Wasser als universellen Lebenselixier zu fixieren?
Wo Wasser ist, da ist Leben. Das zumindest hat uns unsere Erfahrung auf der Erde gelehrt, und wenn es um die Suche nach Leben auf anderen Welten geht, scheint die NASA entschlossen, dem Wasser zu folgen. Aber ist es richtig, Wasser als einziges Medium für außerirdisches Leben zu betrachten? Die National Aeronautics and Space Administration (NASA) ist eine unabhängige Behörde der US-Bundesregierung, die für das zivile Raumfahrtprogramm sowie die Luft- und Raumfahrtforschung zuständig ist. Sie wurde 1958 als Nachfolgerin des National Advisory Committee for Aeronautics gegründet, um der US-amerikanischen Raumfahrtentwicklung eine deutlich zivile Ausrichtung zu geben und friedliche Anwendungen in der Weltraumforschung zu betonen.
Manche sind anderer Meinung. „Wasser ist ein furchtbares Lösungsmittel für Leben“, sagt der Chemiker Steven Benner von der University of Florida in Gainesville. Benner ist einer von zahlreichen Biochemikern, Planetenforschern und Philosophen, die herauszufinden versuchen, ob Wasser in gewisser Weise „fein abgestimmt“ auf Leben ist.
Das ist eine relevante Frage. Wissenschaftler suchen heute überall nach außerirdischem Leben, vom Untergrund des Mars bis zu Planeten, die andere Sterne umkreisen. Bisher haben sie nichts gefunden. Aber suchen sie an den richtigen Stellen? Wenn Benner Recht hat, sind sie vielleicht zu sehr auf die Suche nach Wasser fixiert.
Benner führte Anfang des Jahres bei einem Treffen im italienischen Varenna die Argumente der Anklage. Dort stellten sich die Forscher dem, was viele von ihnen als ihre größte Herausforderung betrachten. Wie können wir überhaupt anfangen, die Beziehung zwischen Wasser und Leben zu diskutieren, wenn wir nur ein Beispiel haben – das Leben auf der Erde. Und wichtiger noch: Kann das Problem auf strenge, wissenschaftliche Weise behandelt werden?
Für Benner lautet die Antwort auf die letztere Frage ja. Er argumentiert, dass es möglich ist, experimentell zu untersuchen, ob Wasser für Leben unerlässlich ist. Er hofft zu beweisen, dass eine Art Biochemie auch ohne Wasser möglich ist. „Wir arbeiten daran, alternative darwinistische Systeme zu schaffen, die auf grundlegend anderen chemischen Eigenschaften basieren“, sagt er. „Wir verwenden verschiedene Lösungsmittelsysteme, um einen Vorläufer des Lebens auf der Erde zu erhalten.“
Die Idee, die Chemie des Lebens neu zu gestalten, ist zu einem zentralen Thema der neuen Disziplin der synthetischen Biologie geworden, deren langfristiges Ziel es ist, ganze Zellen von Grund auf zu erschaffen, möglicherweise mit einer anderen chemischen Basis als die der bestehenden Organismen.
Benner weist darauf hin, dass Wasser im Allgemeinen kein gutes Lösungsmittel für organische Chemie ist – und darum geht es ja letztlich beim Leben. Zum einen ist Wasser ziemlich reaktiv und neigt dazu, die Bindungen aufzubrechen, die die Bausteine von Biomolekülen miteinander verbinden. Es bricht zum Beispiel leicht Peptidbindungen und viele Bindungen in Nukleinsäuren wie RNA. „Die Struktur der RNA schreit geradezu: ‚Ich bin nicht im Wasser entstanden!‘“, behauptet Benner. Er sagt, dass synthetische organische Chemiker in etwa vier von fünf Fällen auf die Verwendung von Wasser als Lösungsmittel verzichten.
Kreative Kraft
Aber natürlich versuchen organische Chemiker normalerweise nicht, Leben zu erschaffen. Wasser hat viele Eigenschaften, die für das Funktionieren von Proteinen und Zellen unverzichtbar erscheinen. Es ist beispielsweise ein ausgezeichnetes Lösungsmittel für Ionen – entscheidend für Nervensignale, enzymatische Prozesse, Biomineralisierung und das Verhalten von DNA. Es ist auch ein Meister schwacher intermolekularer Wechselwirkungen wie Wasserstoffbrücken und hydrophober Kräfte. Letztere spielen eine zentrale Rolle bei der Proteinfaltung und Protein-Protein-Wechselwirkungen, während erstere oft als Brücken zwischen Proteinbindungsstellen und ihren Substraten fungieren. Die Fähigkeit von Wasser, Wärme aufzunehmen und abzugeben, ohne eine große Temperaturänderung zu erfahren, bietet eine thermische Dämpfung und schützt Zellen und Organismen vor starken Temperaturschwankungen.
Keine andere bekannte Flüssigkeit vereint alle diese Eigenschaften. Aber braucht ein lebenserhaltendes Lösungsmittel sie alle? Sind einige der einzigartigen Eigenschaften von Wasser wesentlich und sind einige seiner wesentlichen Eigenschaften einzigartig?
Um beurteilen zu können, ob Wasser als biologisches Lösungsmittel irgendwie „besonders“ ist, müssen wir die Grundvoraussetzungen für Leben verstehen. Proteine und Nukleinsäuren sind auf schwache intermolekulare Wechselwirkungen angewiesen, um chemische Informationen zu organisieren und weiterzugeben – zum Beispiel um genetische Anweisungen zu übertragen. Man könnte argumentieren, dass allgemeine Eigenschaften wie diese für eine „Chemie des Lebens“ erforderlich sind, selbst wenn die Bausteine keine Proteine oder Nukleinsäuren sind.
Die Wolken des Jupiters enthalten flüssiges Ammoniak, von dem manche sagen, dass es ein wasserfreies Leben ermöglichen könnte.
Doch diese bekannten Bausteine selbst brauchen möglicherweise kein Wasser, um zu funktionieren. „Ich halte es für durchaus möglich, dass zumindest Elemente der relevanten Biochemie dazu gebracht werden können, in einer völlig wasserfreien Umgebung zu funktionieren“, sagt der Physiker John Finney vom University College London. Finney verweist auf Belege dafür, dass Enzyme in „trockener“ Luft, wo sie nur an den dünnsten Schichten von Wassermolekülen festhalten, und sogar in wasserfreien Lösungsmitteln funktionieren können.
Die meisten natürlichen Enzyme können sich nicht in ihre kompakte, aktive Form falten, ohne in Wasser eingetaucht zu sein. Doch selbst diese Einschränkung ist möglicherweise nicht grundlegend. Ein Team unter der Leitung von Annelise Barron und Ishwar Radhakrishnan an der Northwestern University in Evanston, Illinois, hat kürzlich herausgefunden, dass sich Moleküle namens Peptoide, die strukturell sehr ähnlich zu Peptiden sind, in reinem Methanol in kompakte Formen falten können.
Eine andere Möglichkeit, die Beziehung zwischen Wasser und Leben zu erforschen, besteht darin, die Molekülstruktur oder -eigenschaften des Wassers zu verändern, bis sich der flüssige Zustand selbst zu verändern beginnt. „Wenn man weiß, welche Eigenschaften des Wassers besonders empfindlich auf seine Struktur reagieren, kann man erkennen, wie genau die Eigenschaften der Flüssigkeit auf Leben abgestimmt sind“, sagt Ruth Lynden-Bell, theoretische Chemikerin an der Queen's University in Belfast, Großbritannien, die das Varenna-Treffen mitleitete.
Lynden-Bell und ihre Kollegen haben mithilfe von Computersimulationen Veränderungen der Wassereigenschaften modelliert. Sie fanden heraus, dass das dreidimensionale Netzwerk der Wasserstoffbrücken – das für die einzigartigen Eigenschaften der Flüssigkeit entscheidend ist – stark gestört oder auseinandergebrochen wäre, wenn der Bindungswinkel in H2O 90° statt 104,5° wie im echten Molekül wäre oder wenn die Wasserstoffbrücken etwa 15 % schwächer wären.
Die Kepler-Mission der NASA wird nach neuen Planeten suchen.
Biologen und Chemikern mögen solche „Was wäre wenn“-Fragen merkwürdig erscheinen, in der Kosmologie oder Physik ist dies jedoch weitaus üblicher. Für Kosmologen scheint das physikalische Universum prekär fein abgestimmt zu sein, um Leben zu ermöglichen. So ist die Feinstrukturkonstante, die die Stärke elektromagnetischer Wechselwirkungen bestimmt, durch keine bekannte fundamentale Theorie festgelegt; und doch könnten stabile Atome nicht existieren, wenn sie zehnmal größer wäre.
Anders als die Physik passt sich die Biochemie natürlich ihrer Umgebung an, weshalb sich die Teilnehmer in Varenna allgemein einig waren, dass das Leben auf der Erde an Wasser angepasst ist und nicht umgekehrt. „Das Leben auf der Erde selbst ist auf Wasser abgestimmt – eine Folge seiner Entwicklung in enger Verbindung mit dem Medium“, sagt Finney. „Um es anders auszudrücken, wäre vielleicht, als würde man den Karren vor das Pferd spannen.“ Er fügt hinzu, dass „das Feinabstimmungsargument in Bezug auf Wasser ein weitaus komplexeres Problem ist als das in der Astrophysik. Ohne zu wissen, welche Aspekte des Wassers wichtig sind, vermute ich, dass wir kaum mehr tun als spekulieren.“
Nicht von dieser Welt
Benner möchte Experimente nutzen, um über diese abstrakten Diskussionen hinauszugehen. Er sieht mehrere Alternativen zu Wasser6. Ammoniak, das zwischen −78 °C und −33 °C bei 1 Atmosphärendruck flüssig ist, löst viele organische Verbindungen und kann Wasserstoffbrücken bilden. Es ist auch im Kosmos relativ häufig: In den Wolken des Jupiters gibt es beispielsweise flüssiges Ammoniak. Benner betrachtet Wasser-Ammoniak-Gemische, die in einigen kalten außerirdischen Umgebungen wie unter der Oberfläche des Saturnmondes Titan vorkommen könnten, als einen weiteren vielversprechenden Kandidaten. Dann gibt es noch Formamid, das in einem weiten Temperatur- und Druckbereich flüssig ist, Salze löst und hydrophobe Effekte hat. Formamid könnte unter der Oberfläche des Mars vorhanden sein.
Aber Benner schließt exotischere Möglichkeiten nicht aus, wie etwa flüssigen Stickstoff oder überkritischen flüssigen Wasserstoff auf Gasriesenplaneten wie Saturn, Uranus und Neptun. Oder vielleicht Kohlenwasserstoffe wie flüssiges Methan auf Titan. „Die organische Reaktivität in Kohlenwasserstofflösungsmitteln ist nicht weniger vielseitig als in Wasser“, sagt er.
Das Leben auf der Erde ist auf Wasser abgestimmt – eine Folge der engen Verbindung mit diesem Medium.
Ist es sinnvoll, die Suche nach außerirdischem Leben auf Orte auszuweiten, an denen es kein Wasser gibt? Die Raumsonde Cassini-Huygens zeigte im Januar, dass es auf Titan möglicherweise Flussbetten (wenn nicht sogar echte Flüsse) aus flüssigen Kohlenwasserstoffen gibt. Und im März markierte die Entdeckung des reflektierten Lichts von zwei jupiterähnlichen Exoplaneten durch das Weltraumteleskop Spitzer den ersten Schritt zur Fernanalyse ihrer Chemie.
Doch die Suche der NASA nach bewohnbaren Planeten konzentriert sich nach wie vor auf Wasser. 2008 will sie das Kepler Photometer starten, das nach erdähnlichen Planeten sucht, indem es nach Beweisen für deren Transit vor den Oberflächen von Muttersternen sucht. Zu einem viel späteren Zeitpunkt hofft die Agentur, zwei weltraumgestützte Teleskope ins All zu schicken, die die Mission Terrestrial Planet Finder (TPF) bilden werden. Diese werden das reflektierte Licht anderer Planeten aufspüren und analysieren. Der Blick von Kepler und TPF wird fest auf die „bewohnbare Zone“ von Sternen gerichtet sein, wo flüssiges Wasser existieren könnte, und möglicherweise Welten übersehen, die von nicht-wasserhaltigen Lebensformen bewohnbar sind.
Benner wartet nicht darauf, dass diese Weltraummissionen außerirdisches Leben an Orten mit oder ohne Wasser finden. Er ist überzeugt, dass die Zeit reif ist, exotischere Lebensformen im Labor zu erforschen. Aber das, sagt er, erfordert eine andere Denkweise als die, die derzeit die chemische Forschung und Finanzierung bestimmt. Benner nimmt an einem von der NASA finanzierten Gremium der US National Academies teil, das mögliche alternative chemische Lebensformen untersucht und von dem er hofft, dass es Forschungsrichtungen aufzeigt, die von Förderinstitutionen verfolgt werden können. Er glaubt, dass Forscher sich hohe Ziele setzen sollten – nämlich Lebensformen zu erschaffen, die die chemische Zusammensetzung der Erde nicht reproduzieren. Mit anderen Worten: Wenn wir nicht leicht zu anderen Welten gelangen können, sollten wir sie hier erschaffen.
Water and life
Seeking the solution
Where there's water, there's life. That, at least, is what our experience on Earth has taught us, and when it comes to searching for life on other worlds, NASA seems determined to follow the water. But is it right to see water as the sole medium for extraterrestrial life?
Some think not. “Water is a terrible solvent for life,” says chemist Steven Benner of the University of Florida in Gainesville. Benner is one of a number of biochemists, planetary scientists and philosophers who are trying to find out whether water is in some sense ‘fine-tuned’ for life.
It is a pertinent question. Scientists today are searching for extraterrestrial life wherever they can, from the subsoil of Mars to planets orbiting other stars. So far they have found nothing. But are they looking in the right places? If Benner is right, perhaps they have become too fixated on chasing water.
Benner led the case for the prosecution earlier this year at a meeting in Varenna, Italy. There, researchers faced up to what many of them consider to be their biggest challenge. How can we even begin to discuss the relationship between water and life when we have only one example — life on Earth. And more to the point, can the problem be dealt with in a rigorous, scientific manner?
For Benner the answer to the latter question is yes. He argues that it is possible to investigate experimentally whether water is essential for life. He hopes to prove that a type of biochemistry can occur without water. “We are working to create alternative darwinian systems based on fundamentally different chemistries,” he says. “We are using different solvent systems as a way to get a precursor for life on Earth.”
The notion of redesigning life's chemistry has become central to the emerging discipline of synthetic biology, which has among its long-term objectives the aim of creating entire cells from scratch, perhaps with a different chemical basis from that of existing organisms.
Benner points out that water is generally not a good solvent for doing organic chemistry — which is, in the end, what life is all about. For one thing, water is rather reactive, tending to split apart the bonds that link the building blocks of biomolecules together. It readily breaks peptide bonds, for example, as well as many of the bonds in nucleic acids, such as RNA. “The structure of RNA screams ‘I did not arise in water!’” Benner asserts. He says that in about four out of five cases, synthetic organic chemists will avoid using water as a solvent.
Creative force
But of course organic chemists aren't usually trying to create life. Water has many properties that seem indispensable for the functioning of proteins and cells. It is an excellent solvent for ions, for example — crucial for nerve signalling, enzymatic processes, biomineralization and the behaviour of DNA. It is also a master of weak intermolecular interactions such as hydrogen bonds and hydrophobic forces. The latter play a central role in protein folding and protein–protein interactions, whereas the former often act as bridges between protein binding sites and their substrates. And water's ability to absorb and lose heat without undergoing a large temperature change provides thermal cushioning, shielding cells and organisms from wild temperature swings.
No other known liquid combines all of these properties. But does a life-supporting solvent need them all? Are any of water's unique properties essential, and are any of its essential properties unique?
To assess whether water is somehow ‘special’ as a biological solvent, we need to understand the basic requirements for life. Proteins and nucleic acids rely on weak intermolecular interactions to organize and pass chemical information around — to transfer genetic instructions, for instance. It could be argued that general properties such as this will be needed for a ‘chemistry of life’, even when the building blocks are not proteins or nucleic acids.
But these familiar building blocks may themselves not need water to function. “I think it is perfectly possible that at least elements of relevant biochemistry can be persuaded to work in a completely non-aqueous environment,” says physicist John Finney at University College London. Finney points to evidence that enzymes can work in ‘dry’ air, where they hold on to only the barest coatings of water molecules, and even in non-aqueous solvents.
Most natural enzymes cannot fold into their compact, active forms without being immersed in water. But even that limitation might not be fundamental. A team led by Annelise Barron and Ishwar Radhakrishnan at Northwestern University in Evanston, Illinois, has recently found that molecules called peptoids, which are structurally very similar to peptides, can fold into compact forms in pure methanol.
Another way to explore the relationship between water and life is to modify water's molecular structure or properties until the liquid state itself begins to change. “Knowing which properties of water are particularly sensitive to its structure can help to show how fine-tuned for life the liquid properties are,” says Ruth Lynden-Bell, a theoretical chemist at Queen's University Belfast, UK, who co-chaired the Varenna meeting.
Lynden-Bell and her co-workers have used computer simulations to model changes in water's properties. They found that if the bond angle in H2O was 90°, rather than 104.5° as in the real molecule, or if the hydrogen bonds were about 15% weaker, the three-dimensional network of hydrogen bonds — crucial to the liquid's unique properties — would be severely disrupted or fall to pieces.
Asking such ‘what if’ questions might seem strange to biologists and chemists, but it is far more common in cosmology or physics. For cosmologists, the physical Universe seems to be precariously fine-tuned to make life possible. For example, the fine-structure constant, which determines the strength of electromagnetic interactions, is not fixed by any known fundamental theory; and yet if it was ten times larger, stable atoms could not exist.
Unlike physics, of course, biochemistry adapts to its environment, which is why the participants in Varenna generally agreed that life on Earth is adapted to water rather than the other way round. “Life on Earth itself is fine-tuned to water — a consequence of it evolving in close association with the medium,” says Finney. “To put it the other way is perhaps to put the cart before the horse.” He adds that “the fine-tuning argument with respect to water is a far more complex problem than that in astrophysics. Without knowing what aspects of water are important, I suspect we are doing little more than speculating.”
Out of this world
Benner wants to use experiments to move beyond these abstract discussions. He sees several alternatives to water. Ammonia, which is liquid between −78 °C and −33 °C at 1 atmosphere pressure, will dissolve many organic compounds and can form hydrogen bonds. It is also relatively common in the cosmos: there is liquid ammonia in the clouds of Jupiter, for example. Benner considers water–ammonia mixtures, which may exist in some cold extraterrestrial environments such as beneath the surface of Saturn's moon Titan, as another promising candidate. Then there is formamide, which is liquid over a wide range of temperatures and pressures, dissolves salts and has hydrophobic-like effects. Formamide might be present below the surface on Mars.
But Benner does not rule out more exotic possibilities, such as liquid nitrogen or supercritical liquid hydrogen on gas-giant planets such as Saturn, Uranus and Neptune. Or perhaps hydrocarbons such as liquid methane on Titan. “Organic reactivity in hydrocarbon solvents is no less versatile than in water,” he says.
Life on Earth is fine-tuned to water — a consequence of it evolving in close association with the medium.
Does widening the search for extraterrestrial life to places that don't have water make sense? The Cassini-Huygens space probe showed in January that Titan may have river-beds (if not actual rivers) carved from liquid hydrocarbons. And in March the detection of reflected light from two Jupiter-like extrasolar planets by the Spitzer Space Telescope marked the first step towards analysing their chemistry remotely.
But NASA's quest for habitable planets remains focused on water. In 2008 it intends to launch the Kepler Photometer, which will search for Earth-like planets by looking for evidence of their transit across the faces of parent stars. At a much later date, the agency hopes to launch two space-based telescopes that will form the Terrestrial Planet Finder (TPF) mission. These will detect and analyse reflected light from other planets. The gaze of both Kepler and the TPF will be firmly fixed on the ‘habitable zone’ of stars, where liquid water could exist, potentially overlooking worlds that are habitable by non-aqueous life forms.
Benner is not waiting around for these space missions to find extraterrestrial life in places with or without water. He is convinced that the time is ripe to explore more exotic life forms in the laboratory. But that, he says, requires a different mindset from the one that currently guides chemical research and funding. Benner is participating in a US National Academies panel funded by NASA that is looking at possible alternative chemistries for life, and which he hopes will identify research directions that funding agencies can pursue. He believes that researchers should aim high — to create life forms that do not reproduce the chemistry that is found on Earth. In other words, if we can't easily get to other worlds, we should build them here.
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