Кремниевая жизнь

Альтернативная биохимия изучает возможность существования форм жизни, которым свойственны биохимические процессы, полностью отличающихся от возникших на Земле. Обсуждаемые отличия включают замену углерода в молекулах органических веществ на другие атомы, и/или воды в качестве растворителя на другие жидкости. Подобные явления нередко описываются в фантастической литературе.

Замена углерода

Ученые немало высказывались на тему возможности построения органических молекул с помощью других атомов, но никто не предложил теорию, описывающую возможность воссоздания всего многообразия элементов, необходимых для существования жизни.

Кремний

Гипотетическая жизнь, основанная на кремнии, в представлении художника.

Среди наиболее вероятных претендентов на роль структурообразующего атома в альтернативной биохимии называют кремний. Он находится в той же группе периодической таблицы, что и углерод, эти два элемента во многом схожи. Однако атомы кремния имеют бо́льшую массу и радиус, сложнее образуют двойную или тройную ковалентную связь, что, возможно, в данном случае будет мешать.

Силаны, представляющие соединение кремния и водорода, которые будут являться аналогом алканов (соединений углерода и водорода), отличаются куда меньшей устойчивостью цепочки атомов кремния, они легче разрушаются. В то же время, силиконы — полимеры, включающие цепочки чередующихся атомов кремния и кислорода, являются более устойчивыми. В частности, силиконовым полимерам свойственна значительная жаропрочность. На этом основании предполагается, что кремниевая жизнь может существовать на планетах со средней температурой, значительно превышающей земную. Кроме того, роль универсального растворителя в этом случае будет играть уже не вода, а соединения со значительно большей температурой кипения и плавления.

Так, например, предполагается, что они будут стабильнее углеродных молекул в среде, насыщенной серной кислотой, то есть в условиях, которые могут существовать на других планетах^[1]. В целом же, сложные молекулы с кремниево-кислородной цепью менее устойчивы по сравнению с углеродными аналогами. К тому же, соединения кремния не настолько разнообразны по строению как белки.

Другая проблема заключается в том, что диоксид кремния (основной компонент песка), который является аналогом углекислого газа, представляет собой твердое, плохорастворимое вещество. Это создаст трудности для поступления кремния в биологические системы, основанные на растворах, даже если окажется возможным существование биологических молекул на его основе.

Кроме того, во всем разнообразии молекул, которые были обнаружены в межзвездной среде, 84 основаны на углероде и лишь 8 — на кремнии ^[2]. Более того, из этих 8 соединений, 4 также включают в состав углерод. Примерное соотношение космического углерода к кремнию — 10 к 1. Это дает основание предполагать, что сложные углеродные соединения более распространены во Вселенной, уменьшая шанс формирования жизни на основе кремния, по крайней мере в тех условиях, что можно ожидать на поверхности планет.

На Земле, как и на других планетах земной группы, много кремния и очень мало углерода. Однако, земная жизнь развилась на основе углерода. Это, вероятно, свидетельствует в пользу того, что этот элемент куда более подходит для формирования биохимических процессов на планетах, подобных нашей. Остается возможность того, что при других условиях температуры и давления, кремний может участвовать в формировании биологических молекул в качестве замены углероду.

Следует отметить, что соединения кремния (в частности, диоксид кремния) используются некоторыми организмами на земле. Из них свой панцирь формируют диатомовые водоросли, получая кремний из воды. В качестве структурного материала соединения кремния также используются радиолярией, некоторыми губками и растениями, они входят также в состав соединительной ткани человека.

Азот и фосфор

Азот и фосфор считают другими претендентами на роль основы для биологических молекул. Как и углерод фосфор может составлять цепочки из атомов, которые, в принципе, могли бы образовывать сложные макромолекулы, если бы он не был таким активным. Однако, в комплексе с азотом, возможно образование более сложных ковалентных связей, что делает возможным возникновение большого разнообразия молекул, включая кольцевые структуры.

В атмосфере Земли азота около 78 процентов, однако в силу инертности двухатомного азота, энергетическая «цена» образования трехвалентной связи слишком высока. В то же время, некоторые растения могут связывать азот из почвы в симбиозе с анаэробными бактериями, живущими в их корневой системе. В случае присутствия в атмосфере значительного количества диоксида азота или аммиака, доступность азота будет выше. В атмосфере других планет, кроме того, могут существовать и другие оксиды азота.

Подобно растениям на земле (например бобовым), инопланетные формы жизни могли бы усваивать диоксид азота из атмосферы. В таком случае мог бы сформироваться процесс наподобие фотосинтеза, когда энергия солнца тратилась бы на образование аналогов глюкозы с выделением кислорода в атмосферу. В свою очередь, животная жизнь, стоящая выше растений в пищевой цепочке, усваивала бы из них питательные вещества, выделяя диоксид азота в атмосферу, и соединения фосфора в почву.

В аммиачной атмосфере растения с молекулами на основе фосфора и азота получали бы соединения азота из воздуха, фосфор из почвы. В их клетках происходило бы окисление аммиака для образования аналогов моносахаридов, водород бы выделялся в качестве побочного продукта. В данном случае животные будут вдыхать водород, расщепляя аналоги полисахаридов до аммиака и фосфора, то есть энергетические цепочки формировались бы в обратном направлении, по сравнению с существующими на нашей планете. (У нас бы вместо аммиака в данном случае распространён бы был метан).

Споры на эту тему далеко не окончены, так как некоторые этапы цикла на основе фосфора и азота являются энергодефицитными. Так же представляется спорным, чтобы во Вселенной соотношения этих элементов встречались в необходимой для возникновения жизни пропорции.

Азот и бор

Атомы азота и бора, находящиеся в «связке», в определённой степени имитируют связь углерод-углерод. Так, известен боразол B₃N₃H₆, который иногда называют «неорганическим бензолом». Всё же, на основе комбинации бора с азотом невозможно создать всё то разнообразие химических реакций, известных в химии углерода. Тем не менее, принципиальную возможность такой замены в виде каких-то отдельных фрагментов искусственных (или инопланетных) биомолекул, нельзя полностью исключать.

Замена воды

Аммиак

Аммиак часто рассматривается в качестве наиболее вероятного (после воды) альтернативного растворителя для возникновения жизни на какой-либо из планет. При давлении в 1 атм. он находится в жидком состоянии при температурах от −78 до −33 ⁰C. Жидкий аммиак по ряду свойств напоминает воду, но следует заметить, что при замерзании твёрдый аммиак не всплывает вверх, а тонет (в отличие от водного льда).

Поэтому океан, состоящий из жидкого NH₃ , будет легко промерзать до дна. Кроме того, выбор аммиака как растворителя исключает выгоды от использования кислорода как биологического реагента. Однако это не исключает возможности возникновения альтернативной жизни на планетах, где аммиак имеется в смеси с водой.

Фтороводород

По ряду свойств фтороводород напоминает воду. Так, он тоже способен к образованию межмолекулярных водородных связей. Однако стоит учитывать, что на 1 атом фтора в наблюдаемой вселенной приходится 10000 атомов кислорода, поэтому трудно представить на какой-либо планете условия, которые благоприятствовали бы образованию океана, состоящего из HF, а не из H₂O.

Другой серьёзный аргумент против такой возможности заключается в том, что твёрдая поверхность большинства планет (которые её имеют), состоит из двуокиси кремния и алюмосиликатов, с которыми, как известно, фтористый водород реагирует по реакции:
SiO₂ + 6 HF => H₂SiF₆ + 2 H₂O

Цианистый водород

Цианистый водород HCN также способен к образованию водородных связей, но в отличие от HF, он состоит из широко распространённых во Вселенной элементов. Более того, считается, что это соединение играло значительную роль в предбиологической химии Земли — например, в образовании аминокислот, нуклеотидов и других компонентов «первичного бульона».

Тем не менее, цианистый водород не подходит в качестве возможного растворителя для альтернативной жизни хотя бы потому, что это соединение термодинамически неустойчиво. Так, жидкий цианистый водород довольно быстро осмоляется, особенно в присутствии катализаторов (в роли которых могут выступать кислоты, основания, глина и многие горные породы), причём иногда разложение HCN протекает со взрывом. По этим причинам HCN не способен образовать океан на какой-либо планете.

«Зеркальный мир»

В живой природе Земли все аминокислоты имеют L-конфигурацию, а углеводы — D-конфигурацию. В принципе, можно представить себе «зеркальный мир», в котором живые организмы имеют ту же биохимическую основу, как и на Земле, — за исключением её полной зеркальной симметричности: в таком мире жизнь могла бы быть основана на D-аминокислотах и L-углеводах. Такая возможность не противоречит ни одному из известных на сегодня законов природы.

Одним из парадоксов такого гипотетического мира является тот факт, что попав в такой мир (являющийся зеркальной копией Земли), человек мог бы умереть от голода, несмотря на обилие пищи вокруг.^[3]

Нехимические способы жизни

Некоторые философы, например Циолковский, считали, что жизнь может принимать форму способных к сохранению формы и самовоспроизведению в некоторых условиях плазмоидов, прототипом которых служит шаровая молния. В последнее время благодаря компьютерному моделированию возможность существования плазменных форм жизни получила некоторое теоретическое обоснование ^[4].

Альтернативная биохимия в фантастических произведениях

• В научно-фантастической повести русского учёного и писателя-фантаста Ивана Ефремова «Сердце Змеи» (1958) описывается контакт землян с инопланетной гуманоидной цивилизацией, в биохимии родной планеты которых роль кислорода играет фтор.

• В НФ повести А. Днепрова «Глиняный бог» рассматривается жизнь на основе кремния.

• В НФ рассказе А. Константинова «Контакт на Ленжевене» также рассматривается жизнь на основе кремния. Исследователи попадают на далёкую планету и оказываются в заброшенном городе с расставленными повсюду статуями. В конце концов выясняется, что статуи — это и есть кремниевые обитатели данной планеты, у которых жизненные процессы идут в сотни раз медленнее, чем у земных форм жизни.

• В НФ рассказе Станислава Лема Правда рассматривается «звёздная» жизнь на основе высокотемпературной плазмы.

• В Секретных материалах в серии «Огнеход»(2x09) кремниевая форма жизни была обнаружена в жерле вулкана - грибы-паразиты.

См. также

• Альтернативная история
• Альтернатива (значения)

Примечания

1. ↑ Stephen Gillette World-Building. — Writer's Digest Books.
2. ↑ Lazio, Joseph F.10 Why do we assume that other beings must be based on carbon? Why couldn't organisms be based on other substances?. [sci.astro] ET Life (Astronomy Frequently Asked Questions). Проверено 21 июля 2006.
3. ↑ А. Барабаш — Код. Жизнь. Вселенная.^doc
4. ↑ Пылевая плазма намекает на молекулу жизни — Мембрана.ru

Ссылки

• Топунов А. Ф., Шумаев К. Б. Альтернативная биохимия и распространенность жизни. Вестник САО. 2006. Т. 60-61.
• Хоровиц Н. Поиски жизни в Солнечной системе. Пер. с англ. канд. биол. наук В. А. Отрощенко под ред. д-ра биол. наук М. С. Крицкого. М., «Мир», 1988, с. 77-79.
• Пол Дэвис. Чужие среди своих. — В поисках свидетельств того, что жизнь на Земле возникала не раз, ученые внимательно исследуют экологические ниши, где могли бы обитать микроорганизмы, радикально отличающиеся от тех, которые нам так хорошо знакомы.