W jakiej temperaturze możliwe jest życie?

Organizmy żywe można znaleźć w środowiskach o bardzo ekstremalnych temperaturach. Bytują w nich ekstermofile, czyli mikroorganizmy, które cechuje życie w miejscach o skrajnych warunkach fizycznych i chemicznych. Żyjące w wysokich temperaturach (do ok. 100 stopni C) mikroby nazywa się termofilami. W ekstremalnie niskich temperaturac żyją psychrofilami, które są w stanie aktywnie funkcjonować nawet na poziomie minus 196 stopni C.

07.07.2020Opublikował: RK Autor: Krystyna Gruszka

Czy można żyć w temperaturze zera bezwzględnego?

Temperatura jest wielkością fizyczną zależną od energii kinetycznej ruchu i drgań wszystkich cząsteczek tworzących dany układ. W kontekście życia jest bardzo ważnym czynnikiem, który warunkuje między innymi zachowanie błon biologicznych, możliwość przeprowadzania reakcji, czy strukturę cząsteczek. Zero bezwzględne lub też absolutne to minimalna temperatura jaką może teoretycznie osiągnąć materia – najniższa termodynamiczna granica temperatury. Zero absolutne to 0 w skali Kelwina, która nie zawiera ujemnych wartości. W przeliczeniu wynosi -273,15°C i jest to najniższa wartość w skali Celsjusza.

Temperaturę zera bezwzględnego wyznaczył Kelvin na podstawie obliczeń dla teoretycznego materiału, w którym ustały wszelkie drgania cząsteczek. Materiałem tym miał być kryształ doskonały. Zero absolutne jest więc teoretyczną wartością do jakiej można schłodzić układ termodynamiczny. Temperatury występujące naturalnie na Ziemi są dalekie od tej wielkości. Znacznie jej bliższe temperatury można natomiast spotkać w przestrzeni kosmicznej. Według naukowców średnia temperatura we wszechświecie wynosi około 2,7 K. Fizycy od lat starają się osiągnąć temperaturę jak najbliższą wartości zera bezwzględnego. Całkowity bezruch wszystkich cząsteczek jest najprawdopodobniej jednak niemożliwy do osiągnięcia.

Logicznym byłoby stwierdzenie, że jeśli temperatura wynika z drgań cząsteczek, a zero bezwzględne jest wyznaczone dla układu, którego cząsteczki nie wykazują żadnych drgań i nie mają energii, to nie ma niższej temperatury. Energia ruchu i drgań może być coraz mniejsza, ale w końcu co może być mniejsze niż jej brak. Skoro zero bezwzględne jest brakiem energii, to czym miałaby być temperatura ujemna? Stąd pojawia się prosty wniosek, że nie istnieje temperatura poniżej wartości zera bezwzględnego. Tym bardziej jeśli wielu fizyków uważa, że zero absolutne nie jest możliwe do osiągnięcia i należy je traktować jako wartość teoretyczną. Niestety nie jest to tak proste i oczywiste.

Fizykom udało się stworzyć gaz, który z matematycznego punktu widzenia i przy uwzględnieniu zasad fizyki kwantowej charakteryzował się temperaturą poniżej zera absolutnego. Udało się to uzyskać dla gazu kwantowego złożonego z atomów potasu, a do uzyskania tego efektu trzeba było wykorzystać lasery i pole magnetyczne. Maksymalnie schłodzono atomy, by później nagle je ogrzać. Nagle użyta wysoka energia uporządkowała maksymalnie układ. To z matematycznego punktu widzenia równało się ujemnej temperaturze w skali Kelvina. Nie jest to jednak układ klasycznie schłodzony. W rzeczywistości taki układ o ujemnej temperaturze posiada dużo energii. Możliwym jest, że w tym kontekście w ogóle nie powinniśmy używać znanej nam skali temperatury, która pojawiła się zanim zajmowano się fizyką kwantową. Co ciekawe uzyskanie w ten sposób „ujemnych” temperatur w Kelwinach, nie zaprzecza teorii, że osiągnięcie zera absolutnego jest niemożliwe, ponieważ bazuje na całkiem innych prawach i założeniach.

W jakiej temperaturze możliwe jest życie?

Wracając do temperatury w kontekście życia, jest ona bez wątpienia jednym z ważniejszych wielkości fizycznych, która wpływa na pojawianie się życia. Czy zatem znaczy to, że nie istnieje życie w ekstremalnych temperaturach? Tu odpowiedź zależy od perspektywy. Z perspektywy warunków życia człowieka, życie można znaleźć w środowiskach o bardzo ekstremalnych temperaturach. Bytują w nich ekstermofile, czyli mikroorganizmy, które cechuje życie w miejscach o skrajnych warunkach fizycznych i chemicznych. Z ich perspektywy są to warunki normalne, do których są przystosowane. Żyjące w wysokich temperaturach mikroby nazywa się termofilami, a w niskich psychrofilami.

Psychrofile żyją między innymi w zimnych wodach morskich oraz w pokrywie lodowej Arktyki i Antarktydy. Są w stanie nie tylko przerwać w niskich temperaturach, ale aktywnie w nich żyć, rozwijać się i rozmnażać. Ponadto wiele mikroorganizmów, które nie koniecznie są psychrofilami jest w stanie przetrwać temperaturę -196°C. Dzieje się tak kiedy w kontrolowany sposób bakterie są zamrażane w ciekłym azocie, w celu ich długotrwałego przechowania. Procesy życiowe mikrobów zostają wtedy całkowicie zatrzymane, jednak po powrocie do ich optymalnych temperatur wracają one do życia.

Mikroorganizmy, nawet psychrofile i termofile, nie są jednak w stanie pokonać pewnych barier. Trudno wyobrazić sobie życie w temperaturach zbliżających się do zera absolutnego. Jest to bardzo nierealna wizja, z resztą nie bez powodu. Życie to w dużym uproszczeniu nieustające reakcje chemiczne i ruch cząsteczek. Wykonywanie tych procesów jak i powrót do nich są niemożliwe w układzie o bardzo znikomej energii. Wysoka temperatura także stawia granice. Przykładowo w temperaturze 144°C rozpada się ATP, związek będący nośnikiem energii u organizmów żywych, bez którego trudno wyobrazić sobie życie, jakie znamy.

Mikroorganizmy są w stanie aktywnie żyć lub przetrwać w bardzo ekstremalnych dla nas warunkach. W zakresie temperatur bliskich zera absolutnego istnieje jednak wiele barier. Nawet gdyby w jakiś sposób organizmy pokonały przeszkody wynikające z niskich temperatur, takie jak na przykład sztywność błon biologicznych, to ze względu na znikome drgania cząsteczek i niską energię kinetyczną życie najprawdopodobniej nie może istnieć w temperaturach zbyt bliskich zera absolutnego.

Źródła:

Artykuł powstał w ramach programu MNiSW „Mistrzowie dydaktyki” w czasie zajęć tutoringowych we współpracy między p. Krystyną Gruszką, studentką II roku biotechnologii i dr Sławomirem Sułowiczem na Wydziale Nauk Przyrodniczych Uniwersytetu Śląskiego w Katowicach.

Projekt jest współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego.