Лев Мухин - Планеты и жизнь
Модели живых систем, основанных не на водно-углеродной основе, разрабатывались в последнее время довольно широко. В первую очередь здесь нужно отметить жизнь на основе аммиака, кремния и галогенов. Мы сначала изложим основные принципы этих псевдожизией, а затем проанализируем соотношения между гипотетическими живыми системами и углеродными формами жизни.
Обычно в качестве возможного заменителя углерода рассматривается кремний. Действительно, между этими двумя элементами очень много общего. В периодической системе элементов они находятся в одной группе, обладают одинаковой валентностью. Поэтому «кремниевая жизнь» обсуждается весьма часто не только в научно-фантастической литературе, но и на страницах научной печати.
По поводу возможности существования жизни, основанной на кремнии, существуют полярные точки зрения.
Так, например, английский астроном-любитель В. Фирсов в своей книге «Жизнь вне Земли» утверждает, что кремниевая жизнь может быть широко представлена во Вселенной.
Тем не менее сходство кремния и углерода не дает достаточных оснований для построения гипотетических живых систем, содержащих в качестве основного звена кремний. Против кремниевой жизни можно выдвинуть ряд серьезных аргументов.
Американский химик Д. Уолд в своей превосходной работе «Почему живое вещество базируется на элементах второго и третьего периодов периодической системы» обращает внимание на то, что связь между атомами кремния (мы будем их называть в дальнейшем кремнийкремниевые связи) неустойчива в присутствии воды, аммиака или кислорода. Это очень сильное возражение против кремниевой жизни.
Кларк, или относительная распространенность кремния в земной коре, почти на два порядка выше кларка углерода. Тем не менее кремний не играет практически никакой роли в биохимии живого. Казалось, для природы было бы гораздо легче сконструировать жизнь на основе более доступного элемента. Однако в этом случае природа не пошла по принципу экономии, и у нее были веские причины. Кремний обладает рядом характерных химических свойств, которые делают его совершенно непригодным для построения сложных биологических молекул, работающих в клетке.
Так, все соединения кремния с водородом неустойчивы при нормальных температурах, и, наоборот, соединения, построенные на основе связей кремний — кислород (это просто хорошо всем известный песок), весьма устойчивы в термическом отношении до очень высоких температур.
Заметим также, что в настоящее время неизвестны кремнийорганические соединения, являющиеся аналогами молекул, содержащих углерод, кислород и водород: альдегидов, кетонов, карбоновых кислот, сложных эфиров и аминов. Это обусловлено неспособностью кремния образовывать двойные и тройные связи, столь характерные для органической химии; поэтому кремний образует жесткие полимеры с кремний-кислородными связями.
Вышеперечисленные свойства кремния (а также аргументы, приведенные Уолдом) делают весьма маловероятным использование такого элемента в качестве основы для построения жизни. Правда, американский химик из Беркли, Г. Пиментел, считает, что при низких температурах кремниевая «псевдожизнь» может развиваться более успешно, чем углеродная. Однако требуются неводные растворители, а это обстоятельство снова уводит нас в сферу спекуляций. Фирсов предлагает в качестве возможных замен воды как универсального растворителя на сульфиды фосфора и такое абсолютно неизученное соединение, как H3PS4 — серный аналог ортофосфорной кислоты, получающийся из фосфористого водорода и H2S. Мне кажется, что это все маловероятно в силу некоторых общих соображений астрофизического плана. Ведь вода — одно из самых распространенных соединений в Космосе.
Рассмотрим теперь модель так называемой «жидкоаммиачной жизни», которая также довольно часто предлагается как возможная форма существования внеземных живых систем.
Гипотетическая аммиачная биохимия, или, как ее еще называют, химия Франклина, получается простой заменой кислорода в органической молекуле на аминогруппу (= NH). Сера в соединении остается или также замещается на азот, а вместо воды в качестве универсального растворителя используется аммиак.
Рассмотрим некоторые свойства аммиака подробнее.
При нормальном давлении аммиак существует как жидкость в очень узком интервале температур от −77,7 до −33,4 градуса Цельсия. Критической температуре +132,4 градуса, то есть температуре, выше которой нельзя получить аммиак в виде жидкости, соответствует давление 120 атмосфер. Скрытые теплоты у аммиака равны 332 калориям на грамм для парообразования и 84 калориям на грамм для плавления. По этим параметрам аммиак похож на воду.
Авторы моделей «аммиачной жизни» утверждают, что в полностью безводных условиях аммиачные формы белков будут действовать как ферменты-катализаторы столь же хорошо, как и в обычных водных средах Это предположение выглядит сомнительно, так как скорее всего в жидком аммиаке белки-ферменты из-за изменения их структуры не смогут «работать». Кроме того, если исходить из требования нормальных скоростей химических реакций, необходимо сильно повысить точку кипения аммиака (скажем, до 100 градусов), что соответствует более высоким давлениям около 60 атмосфер.
Очень трудно представить себе, что при выбранных значениях давления и температуры могут где-либо существовать полностью безводные условия. Но как только мы переходим к водным растворам аммиака, аммиачные аналоги белков оказываются в сильно щелочной среде и перестают работать как ферменты.
Для регулировки деятельности клеточных мембран в аммиачной химии предлагаются такие экзотические соединения, как хлористый цезий или хлористый рубидий.
Из-за малой космической распространенности цезия и рубидия подобная схема может представлять интерес только для умозрительных построений.
Таким образом, «аммиачная жизнь» с точки зрения общих физико-химических соображений кажется весьма маловероятной.
Еще более экзотичные варианты связаны с использованием галогенов вместо водорода (галоген-углеродная форма). В этом случае используется хлор или фтор, так как атомы брома и йода имеют слишком большие размеры.
Каковы же должны быть условия на планете, богатой галогенами? Атмосфера на такой планете должна содержать большие количества фтора и хлора, а гидросфера может состоять из соляной или плавиковой кислоты.
Не говоря уже о том, что все минералы неустойчивы в присутствии плавиковой кислоты, возникновение подобных систем исключено в силу одного простого соображения. Жизнь существует на Земле на поверхности очень тонкого (по сравнению с радиусом Земли) слоя — земной коры. Казалось бы, химический состав живых систем должен быть хоть в какой-то степени похож на химический состав экологической ниши обитания — коры.
Но нет. По своему химическому составу живое вещество гораздо ближе ко Вселенной, чем к земной коре. Это обстоятельство служит косвенным доказательством принципа универсальности построения живых систем в различных участках Вселенной.
По всей видимости, именно абсолютные органогены способны в процессе эволюции образовывать живые системы. Концентрации хлора и фтора во Вселенной исключительно малы по отношению к водороду (одна десятимиллионная и одна стомиллионная доля соответственно). Вот почему подобные модели выглядят весьма неубедительно. Непонятно, зачем и где будет происходить замена водорода на галогены?
Хорошо известно, что именно водород является основным элементом Вселенной. И поэтому, рассматривая нормальные содержания элементов во Вселенной, мы приходим к идее водно-углеродного шовинизма.
Следует подчеркнуть, что формальные замены углерода на кремний, водорода на галогены и так далее малопродуктивны в плане построения некой новой химии жизни. Мы, по-видимому, никогда не сумеем подобрать элемента, способного лучше углерода образовывать макромолекулы, и растворителя более универсального, чем вода. Кроме того, абсолютные органогены являются наиболее «доступными» элементами в Космосе.
Бесспорно, нельзя полностью исключить химические флуктуации во Вселенной, и теория подсказывает нам такие возможности. Однако наблюдательные данные астрономии (я имею в виду органические молекулы в Космосе) служат серьезной поддержкой того положения, что если где-либо еще, кроме Земли, во Вселенной и существует жизнь, то в основе ее должна лежать химия углерода.
А это значит, что жизнь-то во Вселенной должна быть похожей в целом на нашу. Это очень серьезный вывод, и сделан он в достаточно категоричной форме, хотя в предыдущей фразе я не употреблял слов «обязательно» и «только». Но ведь он сделан после довольно тщательного анализа, с использованием арсенала современной физики и химии. И этот вывод не накладывает никаких ограничений на возможность существования форм жизни, внешне отличающихся от земной.
