המבקשים להגדיר בדרך תמציתית את החיים על כדור הארץ ניצבים בפני אתגר לא פשוט, אתגר דומה ניצב גם בפני המבקשים לבנות את רשימת הדרישות סביבתיות לקיום חיים. באופן כללי, האסטרוביולוגים מסכימים שהחיים זקוקים לתווך נוזלי לשם מעבר מולקולות הנחוצות לקיומם. המים הם תווך נוזלי של כל סוגי החיים על פני כדור הארץ. הוצעו נוזלים רבים אחרים כתחליפים פוטנציאליים למים, כגון אמוניה (NH3), מתאן (CH4) או אתאן (C2H6). עם זאת, המים הם מולקולה רב-תכליתית וייחודית במידה רבה, ומתאימה ביותר לחיים בכדור הארץ, וכנראה גם בכוכבי לכת אחרים.
באדיבות וויקיפדיה
בראשית הדיון על חשיבות המים לחיים, יש להכיר בכך שהמים הם הנוזל הנפוץ ביותר ביקום. אבל האם עובדה זו הופכת אותם בהכרח לנוזל הטוב ביותר עבור החיים? מה הם המאפיינים הגורמים למים להיות מתאימים לכך? נתחיל בבדיקת מולקולה מים בודדת. המים מורכבים משני אטומי מימן ואטום חמצן בודד; ישנם שני קשרים כימיים במולקולה. כל אחד מאטומי המימן מקושר לחמצן בקשר קוולנטי – קשר שנוצר על ידי שיתוף אלקטרונים, אחד או יותר, בין שני אטומים. בקשר חמצן-מימן, האלקטרונים אינם משותפים באופן שווה בין שני האטומים. למעשה, החמצן הוא אטום אלקטרו-שלילי חזק וניתן לחשוב עליו כעל "חזיר אלקטרונים". החמצן מושך אלקטרונים כך שקיימת צפיפות גבוהה יותר של אלקטרונים סביב החמצן בהשוואה לצפיפותם סביב המימן. כתוצאה מכך, בדיקת אחד הקשרים הקוולנטיים במולקולת מים, מעלה שאטום החמצן שלילי במקצת ואילו אטום המימן חיובי במקצת; נתאר את הקשר הקוולנטי הזה כקשר-קוטבי. קשר זה הוא המפתח להבנת ייחודיות המים, הטמון באינטראקציות שבין אטומי המימן והחמצן לבין מולקולות המים.
במולקולת מים, ניתן לתאר את אטום החמצן כבעל מטען שלילי ואת אטום המימן כבעל מטען חיובי. כאשר שני גופים בעלי מטענים מנוגדים קרובים מאוד זה לזה, יפעל ביניהם כוח משיכה חשמלי, בדומה לשני מוטות מגנט סמוכים. לעומת זאת בין שני גופים בעלי מטען זהה יפעל כוח דחיה. ניתן לדמיין שאטומי מימן במולקולת מים אחת נמשכים אל אטום חמצן של מולקולת מים אחרת. המשיכה בין שני אטומים אלה של מולקולות שונות היא דוגמה לפעולתו של קשר-מימן. קשר-מימן אינו חזק כמו קשר קוולנטי, הוא בא לידי ביטוי רק כאשר המולקולות קרובות למדי. עם זאת, הנטייה של מים ליצור קשרי מימן מעניקה להם אופי ייחודי. קשר מימן אחראי לעובדה שהקרח צף במים נוזליים. המים נשארים נוזלים במגוון טמפרטורות רחב, מפני שהם בעלי חום סגולי גבוה. לכן, גדילי הדנ"א יכולים להישאר "מכווצים" יחד.
באדיבות Astropedia Textbook
האם אי פעם שמתם לב שמים בעומק בריכה או אגם אינם קופאים במהלך החורף הקר והופכים למוצק? האם חשבתם פעם מדוע? ובכן, ניתן להטיל את האשמה לכך על ידידנו קשר המימן. כמו כל מים נוזליים כאשר הטמפרטורה יורדת מספר קשרי המימן בין מולקולות המים עולה בהדרגה. כאשר המים קופאים והופכים לקרח, קשרי המימן מעצבים את מבנה מולקולות המים בצורה כזו שהם יוצרים סריג גבישי. בסריג הגבישי הזה, מולקולות המים מתפשטות יותר מאשר במצב נוזלי, כלומר הן תופסות נפח גדול יותר. הקיפאון אינו משנה את המסה של מולקולות המים. אך נפחן גדל, וכך קטינה צפיפות המים. אנו יכולים לקבוע זאת בקלות יחסית בעזרת משוואה מתמטית פשוטה d = m / V, כאשר d מייצג צפיפות, m מייצג מסה, ו- V מייצג נפח. לכן, הקרח הוא "פחות" צפוף מאשר המים, לכן הוא צף על פני המים! בואו נחשוב על הבריכה בחורף הקר. כאשר המים מתחילים לקפוא, הקרח צף למעלה. בסופו של דבר פני הבריכה עשויים לקפוא לחלוטין. שכבת הקרח יוצרת בידוד בין המים הנוזליים בתחתית הבריכה לאוויר הקר. לכן החיים בתחתית הבריכה נמשכים, ויכולים לשרוד את החורף הקר. מאפיין זה של מים – הופכים לצפופים פחות במצב מוצק, מאפשרים לקרח לצוף – וכך ממשיכים החיים בסביבה הנוזלית לשרוד שנה אחר שנה. התכלו לדמיין מה היה קורה לחיים במים אם הבריכה כולה הייתה קופאת בכל חורף?
קשרי מימן אחראיים לשני מאפיינים חשובים נוספים של מים: ראשון, יכולתם להישאר במצב נוזלי בטווח טמפרטורות נרחב; השני, חום סגולי גובה שלהם. מדוע שני מאפיינים אלו חשובים לחיים? המים הם המרכיב הראשי באורגניזמים החיים בכדור הארץ. נניח שבמקום להישאר נוזלים על פני טווח טמפרטורות של 100 מעלות צלזיוס, המים היו נוזלים רק בטווח של 20 מעלות צלזיוס. במהלך היום, הטמפרטורות על כדור הארץ יכולות להשתנות עד 20 מעלות. לדוגמה, ביום קיצוני באריזונה, הטמפרטורות יכולות לנוע בין 20 ל- 45 מעלות צלסיוס. אם במקום להישאר נוזלים על פני טווח הטמפרטורות, המים היו משתנים מנוזל לגז ומתחילים לרתוח, הייתה לכך השפעה הרסנית לכל סוגי החיים. נסו לתאר מה יקרה לתאים בגופכם, המורכב בעיקר מים אם המים היו מתחילים לרתוח בתוכו! או חישבו על המקרה ההפוך של שינוי הטמפרטורה וכתוצאה מכך קיפאון מים. אם הנוזלים שהחיים מסתמכים עליהם היו קפואים כל הזמן, כיצד החיים היו מנהלים את התגובות הכימיות הנחוצות? למרבה המזל, המים נוזלים על פני טווח נרחב של טמפרטורות – 100 מעלות צלזיוס. טווח גדול דיו כדי להבטיח שהמים בתאים לא יקפאו ולא ירתחו, וכך יכולים החיים להתקיים.
באדיבות Astropedia Textbook
לא פחות חשוב מטווח טמפרטורות גדול הוא חום סגולי גבוה של מים. חום סגולי מתאר את כמות האנרגיה הנדרשת כדי להעלות את הטמפרטורה של חומר במעלת צלזיוס אחת. במקרה של מים, כמות האנרגיה הנדרשת כדי להעלות את הטמפרטורה של גרם מים אחד במעלת צלזיוס, שווה ל 4.186 ג'אול (J). לכל חומר יש חום סגולי ייחודי התלוי בהרכב הכימי שלו. למים יש חום סגולי גבוה במיוחד בהשוואה לנוזלים אחרים לחיים. לדוגמה, החום הסגולי של אמוניה (NH3) הוא 0.470 J/°C. אם האוקיינוסים שלנו היו עשויים מאמוניה במקום מים, הייתה נדרשת הרבה פחות אנרגיה כדי לשנות את הטמפרטורה של האוקיינוס. משמעות הדבר היא כי במהלך שנה רגילה, יהיו השינויים בטמפרטורה של כדור הארץ יכולים לגרום להצפות נרחבות בעקבו המסת קרחונים על בסיס שנתי! החום הסגולי של המים מסייע לכדור הארץ לשמור על אקלים יציב למדי.
ברמה היסודית יותר, קשר מימן משחק תפקיד חיוני ביכולת החיים להתרבות ולהתפתח. הדנ"א בתאים שלנו בנוי מסליל גדילים כפול; שני גדילים של נוקליאוטידים מחוברים בעיקר על ידי קשרי מימן. הזכרנו קודם לכן שקשרי מימן נחשבים חלשים מאוד. עם זאת, כאשר אנו פוגשים במאות קשרי מימן יחד, הם יוצרים מבנה חזק ויציב יחסית. נוקליאוטידים מגדיל אחד יוצרים שניים או שלושה קשרי מימן עם נוקליאוטידים מהגדיל השני. שני הגדילים יחד מהווים את מולקולות הדנ"א הסליליות המעבירות מידע גנטי מדור לדור. ללא המולקולות הללו, החיים היו מתקשים להנציח את עצמם בפלנטה שלנו.
עד כה בדקנו את האופי של קשרי מימן וכיצד הם תורמים לחשיבות המים כנוזל החיים. למים גם מאפיינים אחרים, התורמים לחשיבותם בהתפתחות החיים על פני כדור הארץ. ראשית, מים הם ממס מעולה, המצליח להמיס מגוון רחב של חומרים. כממס, המים מסייעים בהעברת מולקולות בתוך התא. בנוסף לכך, מים הם המסייעים לחלבונים ביצירת מגוון צורות תלת ממדיות הייחודיות להם, ומאפשרים להם לזרז תגובות כימיות סגוליות בתאים. לבסוף, מים יכולים לשמש גם כמגן, אם לא די היה במה שמנינו עד כה. לדוגמה, במהלך ההיסטוריה של כדור הארץ המוקדם לא הייתה שכבת מגן באטמוספירה, שחסמה את קרינה אולטרה סגולה (UV) המזיקה. כמה אסטרוביולוגים טוענים כי צורות החיים הראשונות הופיעו במעמקי האוקיינוס, מפני שמים עמוקים יכלו לספוג את קרינת ה- UV ולהגן על ניצני החיים.
האסטרוביולוגים אינם מגבילים את קיומם של חיים למים נוזליים. אך בשל הרב-תכליתיות של המים, סביר להניח שהחיים על כוכבי לכת אחרים עשויים גם הם לנצל את המים כ"נוזל החיים" שלהם. כתוצאה מכך, משימות חקר רבות בתוך ומחוץ למערכת השמש שלנו מתמקדות בגילוי מים, בעבר או בהווה, על פני גופים פלנטריים כסמני חיים.
Author: Chris Impey