The Economist - UK (2022-05-28)

(Antfer) #1

72 Science & technology The Economist May 28th 2022


complex structures reminiscent of dna. 
Whatever  its  building  blocks,  though,
life  will  need  a  solvent  in  which  to  func­
tion. On Earth, that solvent is water. 
Water  is  a  good  solvent  because  it  is  a
“polar”  molecule,  meaning  its  electrical
charge is unevenly distributed. In a mole­
cule of H 2 O the oxygen has a slightly nega­
tive  charge  and  the  two  hydrogen  atoms
are, by way of counterbalance, slightly pos­
itive. This polarity causes water molecules
to stick to similarly polar molecules, mak­
ing  them  good  at  dissolving  other  chemi­
cals—which,  in  turn,  once  thus  in  sol­
ution,  can  interact  with  each  other.  That
enables water to support the myriad func­
tions of life, and no other abundant chem­
ical on Earth matches this versatility.
Other  chemicals  can,  however,  fulfil
some  of  the  roles  water  plays.  Life  else­
where might, perhaps, have found a way to
employ ammonia. This, like water, is polar,
and therefore good at dissolving things. It
is  not  quite  as  good  at  doing  so  as  water,
though, and it also stays liquid (at terrestri­
al atmospheric pressures, at least) only be­
tween  ­78°C  and  ­33°C.  But  that  would
make  it  available  in  liquid  form  in  frigid
places  such  as  Europa,  a  moon  of  Jupiter,
and Titan and Enceladus, moons of Saturn,
where water itself would be frozen.

Possible solutions
Titan in particular is believed to host vast
ammonia­rich  underground  lakes  which
might  act  as  cradles  for  chemically  exotic
life. But other possibilities exist there, too.
Dr Grefenstette says astrobiologists are al­
so intrigued by the lakes of liquid methane
that cover Titan’s surface (the average tem­
perature  of  which  is  ­179°C).  Methane  ex­
ists  on  the  surface  of  Titan  in  much  the
same way that water does on Earth—in liq­
uid, gaseous and solid forms. 
Methane is not a perfect solvent for life.
It is not polar and therefore not as versatile
in that regard as water. And it remains liq­
uid (again, at terrestrial atmospheric pres­
sures)  only  between  ­182°C  and  ­161°C.
Since  chemical  reactions  proceed  more
rapidly  at  higher  temperatures,  on  Titan’s
surface they would be pretty slow. But as­
trobiologists  hypothesise  that  life  com­
posed  of  different  materials  to  those  on
Earth—smaller  hydrocarbons  and  nitro­
gen,  for  example—could  feasibly  eke  out
an existence there.
Perhaps  the  most  promising  general­
purpose alternative to water is formamide,
a  colourless  organic  liquid  composed  of
carbon, hydrogen, oxygen and nitrogen (all
elements  common  in  the  universe)  that
can  dissolve  many  of  the  same  chemicals
as  water—including  proteins  and  dna.  It
can also stay liquid at up to 210°C, making
possible  a  large  range  of  chemical  reac­
tions  on  planets  with  more  extreme  sur­
face  temperatures  than  Earth’s.  Forma­

mide  is  such  an  intriguing  alternative  to
water that some astrobiologists even argue
that  it  might  have  been  the  main  solvent
used by the earliest forms of terrestrial life.
This  chemical  has  been  located  in  vast
clouds at the edge of the solar system and
also  in  more  distant  nebulae  where  stars
are forming, according to Claudio Codella,
an astronomer at the Arcetri Astrophysical
Observatory  in  Florence,  Italy.  Finding  it
definitively on another world would surely
pique  interest  among  those  searching  for
exotic forms of life.
The  units  of  life  on  Earth—cells—are
contained within lipid membranes. These
keep the chemical reactions which sustain
life concentrated inside a cell, and the ex­
terior  world  outside  it.  Such  membranes
would  not  be  stable  in  a  medium  such  as
liquid methane. But exotic lifeforms on Ti­
tan  might  instead  build  membranes  from
structures  called  azotozomes.  These  are
molecules,  currently  hypothetical,  made
from  nitrogen­rich  organic  compounds,
according  to  Paulette  Clancy,  a  chemist  at
Cornell  University  who  came  up  with  the
idea. They would, she thinks, be capable of
operating in the ultra­low temperatures of
a place like Titan.
Or  perhaps  there  could  be  life  without
any membranes at all. Lifelike chemical re­
actions  have  been  shown  to  occur  on  the
surfaces of certain minerals, including py­
rites  and  various  clays.  These  often  con­
tain  networks  of  pores  and  cavities  that
could serve the compartmentalising func­
tion of lipid­based cells. Or biological reac­
tions  might  be  contained  within  drops  of
liquid floating in planetary atmospheres.
Finally, life needs to store information
about  itself  and  pass  that  information  on
to  its  offspring.  Terrestrial  organisms  do
this  using  molecules  called  nucleic  acids.
These employ four different molecular un­
its known as nucleotides to carry a code of
instructions  that  can  build  20  different

amino acids, which then link up in various
combinations to form proteins. But labora­
tory experiments and samples from mete­
orites  show  that  many  more  nucleotides
and amino acids than these exist. Though
they  have  not  been  incorporated  into  life
on Earth, they could form the basis of alter­
native systems of genetic information. 
Identifying exotic life forms made from
different materials is thus a matter of wid­
ening  the  search  from  Earthly  biosigna­
tures—oxygen, methane and so on—to in­
clude chemicals that might be made by va­
rious imagined biochemical systems. One
tool for this search is the mass spectrome­
ter, a device that ionises samples and then
filters those ions by mass. 

Mass action
Mass  spectrometers  have  been  the  eyes
and  ears  of  decades  of  space  exploration,
said  Luoth  Chou,  an  astrobiologist  at
Georgetown University. Successive genera­
tions  of  these  devices,  flown  into  space,
have permitted researchers to characterise
chemicals everywhere from the surface of
Mars, via the atmospheres of Venus and Ti­
tan,  to  the  plumes  of  water  ejected  from
geysers on Enceladus. 
The next generation of mass spectrom­
eters, though, will be smaller and yet more
powerful. And they will be carried aboard a
range of missions far and wide into the so­
lar  system.  Dragonflywill  hop  around  the
surface of Titan in the mid­2030s and take
a close­up look at the molecules there. da-
vinciwill orbit Venus in 2031. The Jupiter
Icy Moons Explorer will explore the Jovian
satellite system, starting in the early 2030s.
And  Europa Clipper’s  mass  spectrometer
will  provide  a  high­resolution  characteri­
sation of that body, beginning at the end of
this decade.
If  exotic  life  does  exist,  however,  it
could use chemistry that goes way beyond
anything  astrobiologists  can  currently
imagine. To get around that means think­
ing of biosignatures which depend not on
chemistry but rather on the patterns of be­
haviour associated with life. 
There is no universal definition of life.
But astrobiologists often default to nasa’s
operational definition of “a self­sustaining
chemical  system  capable  of  Darwinian
evolution”. Living things self­replicate and
make  large  amounts  of  specific  complex
molecules (for example, proteins or dna).
They  also  draw  energy  and  consume  re­
sources  from  their  environments  to  fuel
their  metabolisms.  Based  on  these  ideas,
so­called agnostic biosignatures could in­
clude  looking  for  excesses  in  certain  ele­
ments  or  isotopes  in  an  environment,  or
for  specific  patterns  within  groups  of
chemicals that cannot be explained by abi­
otic processes alone. Peter Girguis, an evo­
lutionary  biologist  at  Harvard  University,
told  the  AbSciCon  meeting  that  this  new
Free download pdf