Człowiek nie wielbłąd i wypić musi. Zacytowana maksyma ortodoksyjnych pijaków jest prawdziwa także w odniesieniu do wody. Ale czy taka banalna konstatacja jest oczywista dla wszystkich?

Nadmierny optymizm w tej kwestii  mógłby  okazać się zdecydowanie przedwczesny.

W 1997 r. w mieścinie Eagle Rock w amerykańskim stanie Idaho, uczeń szkoły średniej (middle school; czyli gimnazjum lub liceum, a często coś pośredniego) zbierał podpisy pod petycją postulującą wprowadzenie zakazu używania monotlenku diwodoru. 
W uzasadnieniu podał, iż ta bezwonna i bezbarwna substancja posiada następujące właściwości: 
- stanowi główny składnik kwaśnych deszczy; 
- jest w stanie rozpuścić każdą substancję z którą się zetknie; 
- przypadkowe wciągnięcie jej do płuc zazwyczaj powoduje śmierć; 
- w stanie gazowym może spowodować poważne oparzenia.

Pośród 50 zapytanych osób, które zapoznały się z uzasadnieniem, 43 podpisało się pod petycją domagającą się  wyeliminowania ze środowiska substancji o dziwnie brzmiącej nazwie, 6 nie miało zdania w tej kwestii, a  tylko jedna opowiedziała się przeciwko zakazowi jej używania . Czyli w próbce badanych  ludzi aż 86 procent poddało się sugestii, iż nie kojarząca się z niczym substancja jest groźna dla środowiska oraz życia.

Przywołany przykład świadczy z jednej strony, iż poziom elementarnej znajomości chemii  wśród ofiar systemu powszechnej oświaty jest znikomo niski, z drugiej zaś, że można ludziom wmówić dowolne rzeczy i nadzwyczaj łatwo nakłonić ich do dokonania jawnie absurdalnego wyboru, bowiem substancja 
o trudnej nazwie to nic innego jak swojska H2O. A przecież nikt nie wyobraża sobie możliwości życia biologicznego bez dostępu do wody.

Rozwinę ten wątek, gdyż  kwestia „powszechności życia w kosmosie” jest stale obecna w medialnej popkulturze, także w najbardziej karkołomnych wariantach. Temat jest modny,  więc sięga się po niego szczególnie przy okazji nowych osiągnięć w badaniach kosmosu. Wystarczy wymienić misje laboratoriów marsjańskich czy pobudzający wyobraźnię fakt odkrywania planet w innych systemach gwiezdnych.

Ad rem

Symulacje progowych uwarunkowań dla życia biologicznego mają swoją długotrwałą i burzliwą historię, którą  pominę ze względów objętościowych. Wymienię jedynie cztery z nich, które zostały uznane za najbardziej istotne. Pierwsze dotyczy istnienia źródła zasilania o wystarczająco wydajnej energii (np. mogącej inicjować proces fotosyntezy), drugie  to występowanie atomów takich pierwiastków, które dopuszczają łatwe tworzenie cząstek o skomplikowanej budowie,  trzecie  -  istnienie ciekłego rozpuszczalnika, w którym te cząstki mogą efektywnie oddziaływać między sobą, czwarte zaś zawiera się w potrzebie wystarczająco długiego czasu, aby życie zdążyło się pojawić i przetestować formy ewolucji.

Pominę kwestię dlaczego uważa się wymienione uwarunkowania za kluczowe, po prostu dopowiem, iż w literaturze naukowej dotyczącej omawianego zagadnienia zostały one przyjęte w postaci autorytarnie określonych założeń, zaś rozpatrywanie tej kwestii w aspekcie filozoficzno-aksjologicznym nie jest przedmiotem niniejszego tekstu.

Pierwsze kryterium mamy w Ziemi spełnione, bo w odległości ok. 150 milionów km Słońce emituje energię, która zapewnia naszej planecie tyle ciepła, że większość wód oceanicznych i lądowych pozostaje nie zamarznięta przez okrągły rok (dla porównania podam, iż tylko ca 2,0% ogólnej masy wody jest stale zamarznięte). Drugie kryterium również mamy spełnione, gdyż podstawowym budulcem skomplikowanych struktur, niezbędnych dla powstania organizmów żywych a także ich metabolizmu, jest węgiel. Atomy węgla łączą się bardzo łatwo z jednym, dwoma, trzema lub czterema innymi atomami, natomiast żadne inne pierwiastki nie są tak „koleżeńskie”.  Co prawda atom krzemu również może wiązać się nawet z czterema innymi atomami, ale jeśli się zwiąże, wówczas bardzo trudno jest takie związanie rozerwać. Krzemiany, czyli związki krzemu z tlenem (lub z domieszkami jeszcze innych pierwiastków) stanowią główny budulec skorupy ziemskiej. W takich związkach przetrwały setki milionów bądź miliardy lat, co wyklucza krzem jako kandydata nadającego się na mobilnego kreatora budowy cząstek. Ponadto z czterema atomami mogą się wiązać atomy germanu, ale ten egzotyczny przypadek, ze względu na jego  wybitnie śladową częstość występowania, musi zostać pominięty jako rusztowanie niezbędne dla życia biologicznego, przy czym german wykazuje się właściwościami bardzo podobnymi do krzemu. Czwarte kryterium pomijam, jako w sposób oczywisty spełnione w przypadku Ziemi. Najciekawszy przypadek stanowi trzecie kryterium i  dlatego zajmę się nim bardziej szczegółowo.

Ale dlaczego występowanie cieczy, czyli rozpuszczalnika w stanie ciekłym, stanowi zarówno progowe jak i konieczne kryterium?

Otóż w ciałach stałych atomy zostają unieruchomione i dlatego ten stan skupienia materii nas nie interesuje. Z kolei w gazach zderzenia cząstek, czyli ich oddziaływania wzajemne, są znacznie rzadsze niż w cieczach, gdyż gęstość gazu jest przeciętnie około 1000 razy mniejsza od gęstości cieczy. Nie mamy wyboru, musimy pozostać przy cieczach. Lecz które z nich wykazują potrzebne właściwości?

Żeby zobrazować istniejące w tym zakresie możliwości, niezbędne jest odpowiednie tło. Wymienię dziesięć pierwiastków pod względem największego stopnia rozpowszechnienia we wszechświecie. Kolejno są nimi: wodór  - 91,03 %, hel  - 8,83 % oraz pozostałe czyli tlen, węgiel, neon, azot, magnez, krzem żelazo, siarka, na które przypada 0,14 %, z czego na tlen ponad połowa tej pozostałości (0,085%). Jak z tego wynika najczęściej powinny występować związki wodoru z tlenem i węglem. I tak właśnie jest. Jedna z kombinacja tworzy znaną nam H2O, która w stanie ciekłym występuje na powierzchni tylko jednej znanej nam planety. Poza wodą, znamy jeszcze trzy substancje, które w szerokim przedziale temperatur pozostają w stanie ciekłym. To amoniak, etan i alkohol metylowy. Trzy wymienione charakteryzuje właściwość, iż w stanie ciekłym znajdują się w przedziale temperatur znacznie niższych niż woda. I tak, amoniak zamarza przy temperaturze minus 78 C, a wrze przy minus 33 C. Etan zamarza poniżej temperatury minus 171,4 C, a wrze w temperaturze minus 93 C. Temperatura zamarzania alkoholu metylowego wynosi poniżej minus 94 C, zaś temperatura wrzenia to 64,7 C,

Woda ma jeszcze jedną, zupełnie zasadniczą przewagę nad wcześniej wskazanymi cieczami, czyli właściwość, której żadne inne nie posiadają. Otóż ciecze (jak i większość innych substancji) kurczą się przy ochładzaniu, a wówczas ich gęstość zwiększa się. Woda natomiast największą gęstość osiąga w temperaturze 4 C, zaś powyżej i poniżej tej temperatury ma ją mniejszą. Skutkiem tego,  jeśli temperatura powietrza spada poniżej zera, woda o temperaturze 4 C, z powodu większej gęstości od zimniejszej wody powierzchniowej, opada na dno, a lód tworzący się na powierzchni izoluje cieplejszą wodę pod nim. Ta właściwość wody powoduje, iż zbiorniki wodne nie zamarzają od dna, tylko od powierzchni. Gdyby nie ta właściwość wody, jej frakcje,  które zamarzają na powierzchni akwenów opadałyby na dno, wypierając stamtąd wodę cieplejszą, a która zamarzałaby w przypowierzchniowej warstwie. Doprowadziłoby to do sytuacji, w której wszystkie zbiorniki wodne znajdujące się w chłodniejszych strefach klimatycznych w ciągu kilku lat zamarzłyby do dna. Np. wody Oceanu Arktycznego przekształciłyby się w całości w lód, podobnie jak wody w Bałtyku, czy w Wielkich Jeziorach amerykańskich lub w jeziorze Bajkał oraz we wszystkich akwenach na zbliżonych szerokościach geograficznych.

Oznacza to, iż w porównaniu z innymi cieczami, które mamy do dyspozycji, woda posiada tak bardzo znaczną przewagę jakościową, że dłużej nie musimy zawracać sobie nimi głowy w poszukiwaniu rozpuszczalnika przydatnego dla życia biologicznego. Co oznacza, iż życie biologiczne oparte na metabolizmie wodorowo-węglowym może występować tylko tam, gdzie występuje woda w stanie płynnym. A wówczas pytanie  gdzie poza Ziemią powinniśmy szukać życia biologicznego, możemy zamienić na pytanie, czy gdzieś poza Ziemią występuje woda na powierzchni w stanie płynnym, która tworzy stałe zbiorniki i wchodzi w interakcję z atmosferą planetarną. I gdzie jeszcze, poza Ziemią, znajduje się lub znajdowała taka woda?

Na dzisiaj możemy rozważać obecność wody na obiektach Układu Słonecznego. W modelu jego powstania dużą rolę odegrały ciała kometarne, które składają się również z lodu wodnego, choć w różnym stopniu. Modelowanie  wskazuje, że w początkach formowania się układu planetarnego wokół Słońca, planety były poddawane ciągłemu bombardowaniu meteorytami i kometami. Czyli nie tylko Ziemia doznała takiego bombardowana. Co zatem było powodem, że na Ziemi trzy czwarte powierzchni pokrywają głębokie oceany, ale reszta obiegających Słońce niegazowych planet i księżyców posiada bezwodną powierzchnię.
Zadecydowały o tym inne czynniki.
Na poziomie morza, czyli pod ciśnieniem jednej atmosfery woda wrze w temperaturze 100 C. Ale kto przebywał w wysokich górach wie, że ciśnienie atmosferyczne jest tam mniejsze i woda zagotuje się w temperaturze niższej. Im znajdziemy się wyżej nad powierzchnią morza, tym bardziej ciśnienie spada i w tym niższa temperatura wystarcza, aby woda przechodziła w stan wrzenia. Przy pewnej wartości granicznej ciśnienia, woda ze stanu stałego (lód) lub ciekłego, nie przechodzi przez fazę wrzenia, tylko od razu zamienia się w parę wodną  (gaz). Zjawisko to nazywa się sublimacją. Kto miał do czynienia z tzw. „suchym lodem” (zestalony ditlenek węgla), mógł zaobserwować, iż położona np. na stole bryła CO2 po pewnym czasie znika bez śladu, nie pozostawiając nawet mokrej plamy.  Natomiast w  przypadku lodu wodnego sublimuje on na wysokości trzydziestu kilku kilometrów nad poziomem morza .

Na Marsie ciśnienie atmosferyczne jest średnio około 100 razy mniejsze niż na Ziemi. Odpowiada ono ciśnieniu, jakie mierzymy na wysokości nieco ponad 35 km nad powierzchnią ziemskiego oceanu, a wtedy woda wrze już w temperaturze max. 5 C. Oznacza to, iż wszelka woda, która z jakichś przyczyn wypływała bądź wypływa na powierzchnię planety Mars, jeśli tylko znajduje się w ekspozycji nasłonecznionej,  odparowuje w bardzo krótkim czasie. Wielkości ciśnienia na Marsie są uśrednione, jako że  planeta posiada silnie zróżnicowaną powierzchnię, stąd ciśnienie atmosferyczne, podobnie jak w przypadku Ziemi, przybiera różne wartości. Przy średniej wartości tego ciśnienia w wysokości 6 hPa, waha się ono od 11,5 hPa na nizinie Hellas do 0,3 hPa na szczycie Olympus Mons.  Z kolei rzadka atmosfera Marsa jest przyczyną dalszych procesów przemiany chemicznej. Otóż docierające ze Słońca promieniowanie ultrafioletowe nie jest pochłaniane przez warstwę ozonu  (ozon nie tworzy się w atmosferże marsjańskiej)), więc rozbija cząstki pary wodnej  (powstałej głównie w wyniku sublimacji) na wodór i tlen, po czym wodór, jako znacznie lżejszy, ucieka w przestrzeń międzyplanetarną (prędkość ucieczki na Marsie jest prawie 2,5 razy mniejsza niż na Ziemi). Tlen również ucieka bezpowrotnie, gdyż wiąże się z innymi  składnikami tworząc tlenki, w tym dwutlenek węgla i krzemiany. Oznacza to, iż ten uwięziony tlen nie zbuduje ponownie cząsteczek wody.  Czyli jeśli gdzieś na Marsie znajduje się woda w postaci zamarzniętej, to może jej już tylko ubywać.

Jeśli chodzi o Księżyc, który de facto jest zupełnie pozbawiony atmosfery (i ciśnienia atmosferycznego), to ewentualna woda czy lód, jeśli wydostałyby się na powierzchnię, natychmiast podległaby procesowi sublimacji.

Na Wenus cała woda już dawno odparowała, wodór uciekł w przestrzeń kosmiczną, albo wszedł w skład rozmaitych kwasów (np. siarkowego), tlen zaś związał się z węglem, tworząc gęstą atmosferę dwutlenku węgla odpowiedzialną za efekt cieplarniany. Na Wenus temperatura przy powierzchni sięga granicy 500 C,  przy ciśnieniu atmosferycznym 90 do 100 razy większym niż na Ziemi.  Dla porównania, gdyby wszystkie ziemskie oceany i morza odparowały, po czym utworzyły w całości warstwę atmosfery, wówczas ciśnienie na poziomie morza byłoby  prawie 200 razy większe niż obecne, a efekt cieplarniany podgrzałby atmosferę do kilkuset stopni Celsjusza.

Gdzie więc w naszym Układzie Słonecznym możemy jeszcze znaleźć wodę w stanie płynnym? Okazało się, że jest takie miejsce, a mianowicie na jednym z księżyców Jowisza o nazwie Europa. Jest on  zbliżony rozmiarami do Księżyca ziemskiego (promień równikowy  ma mniejszy o ok. 10 procent). Powierzchnia tego księżyca to w całości ocean pokryty wciąż łamanym i zamarzającym lodem. Temperatura na Europie  wynosi  -170 C, ale oddziaływanie grawitacji olbrzymiego i masywnego Jowisza wywołuje na tym księżycu silne efekty pływowe (kurczy go i rozkurcza), co powoduje, iż skorupa księzyca  jest rozgrzewana wygenerowanymi prądami konwekcyjnymi, a  efektem jest podgrzewanie wody od dna. Na powierzchni ocean zamarza, ale pod warstwami lodu woda znajduje się w stanie ciekłym. Nie wiemy jak gruba jest warstwa lodu na Europie, dopóki jakiś próbnik nie dowierci się do wody. Obecne szacunki wskazują, że pojemność oceanu na tym księżycu może wynosić 21 000 km3, czyli mniej więcej tyle, ile zasoby wody pięciu Wielkich Jezior amerykańskich na pograniczu z Kanadą.

Czy w tej sytuacji zasadnie możemy twierdzić, że obecność wody w stanie płynnym zawsze oznaczać będzie  obecność życia biologicznego? Otóż niekoniecznie.  Przy braku gęstej atmosfery, wpływ docierającego z przestrzeni kosmicznej twardego promieniowania korpuskularnego powoduje, wskutek  zderzenia tych cząstek z cząstkami wody, (a ściślej zawartego w nich wodoru)  powstawanie np. radioaktywnego trytu, który zmienia wodę w środowisko zabójcze dla życia. Natomiast promieniowanie ultrafioletowe Słońca, nie zneutralizowane przez zbyt rzadką atmosferę, wywołuje jonizację atomów, która w przypadku cząstek organicznych spowoduje sterylizację komórek życiowych (rozpad takich cząstek).

Wniosek jest taki, iż przejawy zbytniego optymizmu związanego z ewentualnym odnajdywaniem wody w pozaziemskich światach lepiej na wszelki wypadek odłożyć na lepszą okazję.  Na razie bowiem nie wiemy tego, czy i jaka będzie ta woda.