آب یکی از مهمترین اجزای سیستم‌های بیولوژیکی است و اساس حیات در سیاره زمین را تشکیل می‌دهد. سه‌چهارم سطح زمین با آب پوشانده شده است و قسمت اعظم بدن موجودات زنده را نیز این مولکول حیاتی تشکیل می‌دهد. چه ویژگی‌هایی باعث شده که آب حلال اصلی سیستم بیولوژیکی پیچیده‌ای باشد که حیات را در سیاره ما ممکن کرده است؟ آیا سیستم‌های دیگری که از حلالی به غیر از آب استفاده می‌کنند، امکان وقوع دارند؟ موجوداتی که در این سیستم‌ها شکل می‌گیرند، احتمالا چه ویژگی‌هایی را دارا هستند؟ در ادامه به این سوالات پاسخ خواهیم داد.
کدام حلال‌ها می‌توانند در سیستم‌های بیولوژیکی نقش ایفا کنند؟
سیستم‌های بیوشیمیایی تشکیل‌دهنده موجودات زنده، برای انجام اعمال خود، نیاز به حلال و یک یا چند عنصر عملکردی دارند. این حلال باید مایع باشد تا واکنش‌های شیمیایی بتوانند در آن انجام شوند و انتقال مواد توسط آن صورت بگیرد. برای اینکه این حلال بتواند نقش خود را ایفا کند، باید فراوانی مناسبی داشته و از شایع‌ترین عناصر موجود تشکیل شده باشد.
حلال‌های قطبی که فراوان‌ترین و در دسترس‌ترین هستند و قابلیت تشکیل سیستم‌های بیولوژیکی را دارند، آب، آمونیاک، هیدروژن پراکسید، هیدروژن سولفید، فرم‌آمید، هیدروژن فلوئورید، متانول و هیدروژن کلرید هستند. آب، آمونیک و هیدروژن سولفید احتمال وقوع بلاتری دارند. از جمله حلال‌های ناقطبی موجود نیز متان و اتان می‌باشند. به ویژگی‌های هر کدام از این حلال‌ها و سیستم‌هایی که تشکیل می‌دهند و یا ممکن است تشکیل بدهند، توجه کنید.
آب
در بین حلال‌های برشمرده، به نظر می‌رسد که آب بهترین گزینه برای پایه‌ریزی حیاتی هوشمند، همانند آن‌چه که در زمین وجود دارد، باشد. آب قادر به حل کردن بسیاری از مواد شناخته‌شده معمول است و از این جهت، حلال جهانی نام گرفته است. تجمع مولکول‌های خمیده و قطبی آب در کنار یکدیگر، خصوصیاتی را پدید آورده است که حمایت‌کننده حیات در زمین می‌باشد.
از ویژگی‌های کلیدی آب، ساختار مولکولی منحصر به فرد آن است. اتصال اتم‌های هیدروژن و اکسیژن توسط پیوندهای کووالانسی، مولکول قطبی خمیده‌ای را به وجود آورده است که می‌تواند بسیاری از مواد دیگر را در خود حل کند. تمام ترکیبات حیاتی ارگانیسم‌های زنده مانند ویتامین‌ها، املاح، اسیدهای آمینه، گلوکز، گازها و … در آب حل شده، توسط آن انتقال داده می‌شوند و درنتیجه می‌توانند در واکنش‌های متابولیک هم شرکت کنند. قطبیت آب همچنین در یونیزه کردن ترکیبات مهم نقش دارد و در واکنش‌های انتقال الکترون شرکت می‌کند. در مقابل، آب ترکیبات ناقطبی را حل نکرده و این مواد به عنوان محفظه‌ای عالی برای مولکول‌های آب عمل می‌کنند. از جمله مثال‌های این محفظه‌ها، غشاهای زیستی هستند.
آب قادر به تشکیل پیوندهای قدرتمند هیدروژنی است و این پیوندها دو مورد از مهمترین خصوصیات آن را تشکیل می‌دهند: چسبندگی و کشش سطحی. قطبیت آب و تشکیل پیوندهای هیدروژنی، به کمک این ویژگی‌ها، می‌توانند احتمال تجمع ترکیبات پره‌بیوتیکی را بالا برده و به تشکیل غشاها کمک کنند. همچنین در مورد گیاهان، چسبندگی است که باعث می‌شود آب در خلاف جهت جاذبه در ساقه‌ها بالا رود و کشش سطحی است که تبخیر آب از سطح برگ‌ها را کندتر می‌کند.
وجود آب زمینه‌سازجمع‌شدن تعدادی از ترکیبات محلول در آن در کنار یکدیگر است. تجمع این مواد باعث واکنش آن‌ها با یکدیگر و تکثیرشان می‌گردد که یکی از علل احتمالی تشکیل حیات برای اولین بار در سطح زمین می‌باشد. البته این تنها گزینه نیست و تئوری‌های دیگری مانند تئوری Clay (رس) نیز مطرح هستند.
ظرفی گرمایی ویژه آب بالاست؛ درنتیجه گرمای بیشتری برای افزایش دمای آن به میزان یک درجه لازم است و درمقابل برای کاهش دما به میزان یک درجه باید گرمای بیشتری را از دست بدهد. درنتیجه آب دمای متعادلی را ایجاد می‌کند که شرایطی پایدار برای ایجاد حیات در زمین را فراهم می‌سازد. اقیانوس‌ها گرما را در طول روز جذب و در طول شب پخش می‌کنند. در صورتیکه آب در چنین مقادیر بالایی در سطح زمین وجود نداشت، به علت ظرفیت گرمایی پایین پوسته، شاهد وقوع تغییرات ناگهانی دما در دامنه‌ای گسترده بودیم.
چگالی آب در دماهای پایین‌تر از ۴ درجه سانتیگراد کاهش می‌یابد. این پدیده باعث شناور شدن یخ روی آب می‌گردد. وجود یخ در سطح آب به عنوان عایق عمل کرده و از یخ زدن بقیه قسمت‌ها جلوگیری می‌کند. بر اساس این ویژگی دانشمندان حدس می‌زنند که در زیر لایه یخی موجود در سطح یوروپا، یکی از اقمار مشتری، اقیانوسی از آب وجود داشته باشد که به لطف پوسته یخی عایق و گرمای هسته، در حالت مایع قرار داشته باشد.
آب در گستره دمایی بالاتری مایع باقی می‌ماند (صفر تا ۱۰۰ درجه سانتیگراد در فشار یک اتمسفر زمین)، که دمای بالایی محسوب می‌شود. هر چه دما بالاتر باشد، انرژی در دسترس برای پیشرفت واکنش بیشتر بوده و تولید مثل و رشد و تکامل نیز سریع‌تر صورت می‌گیرد. همچنین با انحلال مواد، نقطه انجماد آب کاهش می‌یابد. درنتیجه آب موجود در سلول‌ها در دماهایی پایین‌تر صفر درجه سانتیگراد منجمد می‌شود. علی‌رغم به جوش آمدن در دمای ۱۰۰ درجه سانتیگراد، آب در دماهای پایین‌تر هم بخار شده و ابرها را تشکیل می‌دهد.
