Воображаемая жизнь (ЛП) - Трефил Джеймс

15

ЖИЗНЬ, НЕ ПОХОЖАЯ НА НАС.

ЧТО, ЕСЛИ МЫ — НЕ ЕДИНСТВЕННЫЙ ВАРИАНТ?

До настоящего момента мы прямо или косвенно обсуждали жизнь, похожую на нас. То есть мы говорили о жизни, основанной на химических реакциях, в которых участвуют соединения углерода и которые происходят (или, по крайней мере, происходили изначально) в жидкой воде. В этой главе мы рассмотрим возможность жизни, не похожей на нас — жизни, которая всё ещё основана на химии, но в образовании которой участвуют химические элементы, отличные от углерода, или жидкости, отличные от воды. Это расширение нашего определения значительно увеличивает спектр разнообразия, которое необходимо учитывать, когда мы говорим о живых существах в нашей галактике.

Сказав это, мы должны отметить, что в данной главе мы рассматриваем только жизнь, сформированную естественными причинами. Увлекательная возможность жизни, созданной как следствие развития передовых технологий (вспомните о компьютерах и роботах), оставлена для следующей главы, которая посвящена жизни, действительно не похожей на нас.

Мы начинаем это обсуждение с утверждения, которое можно воспринимать как честную рекламу. Оба автора признаются, что являются так называемыми углеродными шовинистами. То есть, мы считаем, что специфические особенности атома углерода делают его идеальным инструментом для развития и поддержания сложной жизни. Возможно, лучший способ начать изучение возможности существования жизни, не похожей на нашу, — это узнать, что же делает углерод таким особенным.

Атом углерода имеет шесть положительно заряженных протонов в своем ядре, и шесть вращающихся вокруг ядра отрицательно заряженных электронов, чтобы уравновесить этот положительный заряд. О том, где могут находиться эти электроны, законы квантовой механики говорят нам две вещи:

• Электроны могут занимать так называемые энергетические уровни, расположенные на некоторых строго ограниченных и определённых расстояниях от ядра.

• На каждом энергетическом уровне есть место только для определённого, строго ограниченного количества электронов.

В целом, на ближайшем к ядру энергетическом уровне есть место для двух электронов, в то время как на следующих двух уровнях может находиться до восьми электронов на каждом. (У более крупных атомов больше электронов, и они занимают более высокие уровни. На этих уровнях также находится строго определённое количество электронов, но точные значения вычислить сложнее.) Это означает, что в атоме углерода на самом нижнем уровне находятся два из шести электронов, и в то же время на следующем уровне находятся остальные четыре. Именно самые внешние электроны (они называются валентными электронами) образуют связи с другими атомами для создания молекул. Представьте себе, что каждый из четырёх внешних электронов — это своего рода липучка на поверхности атома, позволяющая атому углерода сцепляться с другими атомами, в том числе с другими атомами углерода^[12].

Когда атомы углерода соединяются друг с другом, они образуют длинные цепочки, кольца, сложные петли и множество иных форм, которые мы наблюдаем в молекулах, поддерживающих жизнь на Земле. Иногда они отдают для связи с другим атомом углерода сразу два своих валентных электрона — представьте, что два атома склеены двумя парами липучек вместо одной. Эти так называемые двойные связи играют важную роль в создании сложности, которую мы наблюдаем в молекулах на основе углерода на Земле.

Чрезвычайно важной молекулой на основе углерода является ДНК, которая позволяет живым существам на Земле передавать информацию от одного поколения к другому. Она делает это с помощью четырёх молекул, называемых азотистыми основаниями. Эти молекулы обычно обозначаются первой буквой их названий — аденин (A), гуанин (G), цитозин (C) и тимин (T) — и их последовательность в ДНК организма представляет собой сообщение, передаваемое от поколения к поколению. Мы утверждаем, что у любой жизни, основанной на химических веществах, должно быть нечто, играющее роль ДНК — что-то такое, что может передавать информацию от одного поколения другому. Очевидно, что это «что-то» не обязательно должно быть тем же самым, что и наша ДНК. И действительно, учёные смогли создать в лаборатории ДНК, которая содержит кодирующие молекулы, отличные от упомянутых выше, и это позволяет предположить, что в других мирах могли возникнуть другие молекулы, переносящие информацию.

История кремния

Подход многих учёных к решению вопроса об альтернативной жизни состоит в том, чтобы найти в живых системах на Земле какую-то функцию, которую сейчас выполняют молекулы на основе углерода, а затем узнать, могут ли выполнять ту же функцию молекулы на основе иного химического элемента. Это такой же хороший способ начать нашу дискуссию, как и любой другой, хотя ниже мы утверждаем, что он может быть полон всякого рода ограничений.

Однако прежде, чем перейти к подробному обсуждению конкретных типов атомов, мы должны уделить чуточку внимания одной вещи: относительному изобилию химических элементов в природе. Очевидно, что более обычный в природе атом с большей вероятностью послужит основой для жизни, чем более редкий — уже хотя бы потому, что первый более доступен для химических реакций, ведущих к образованию жизни. Следовательно, в дальнейшем мы сосредоточим наше внимание на обычных элементах и проигнорируем возможность жизни, основанной на относительно редких атомах.

Если мы взглянем на нашу Солнечную систему или на галактику в целом, то обнаружим, что самыми распространёнными элементами являются водород и гелий, за которыми следуют кислород и углерод. Чтобы подчеркнуть то, что будет важно в ходе нашего последующего обсуждения, скажем, что на каждый атом кремния в Солнечной системе приходится около 10 атомов углерода. Один балл в пользу углеродных шовинистов.

Однако если мы рассмотрим только Землю, ситуация будет совершенно иной. Формирование планет земной группы включало процесс сортировки — например, на Земле почти нет гелия, хотя во Вселенной он встречается в изобилии. Мы считаем, что значительная часть углерода, который мог бы пойти на формирование Земли, вместо этого связалась в виде летучих соединений, которые были выброшены из внутренней области Солнечной системы новорождённым Солнцем. По сути, оказывается, что на Земле на каждый атом углерода приходится около 30 атомов кремния — полная противоположность их относительному содержанию в Солнечной системе в целом. Один балл в пользу парней, топящих за кремний, хотя значительная часть кремния на Земле заключена в минералах глубоко под её поверхностью и, следовательно, недоступна жизни.

Когда мы получим представление о распространённости химических элементов, реальный вопрос о жизни, не похожей на нас, сводится к следующему: существуют ли атомы, отличные от атомов углерода, которые могли бы обеспечивать такую сложность молекул, которую мы наблюдаем у земной жизни? То есть, могут ли эти другие атомы образовывать цепочки, кольца и сложные структуры, как это делает углерод, чтобы заложить основу для существования широкого спектра молекул, необходимых для жизни? Это, как мы указывали выше, ведёт нас к кремнию.

Самый простой способ наглядно представить это — вспомнить о втором правиле квантовой механики, приведённом выше. Представьте, что вы начинаете с углерода, а затем добавляете восемь электронов (конечно же, сопровождая это аналогичным увеличением числа протонов в ядре). Это даст нам атом, который, как и углерод, имеет четыре валентных электрона, поскольку из новых электронов четыре заполнят до конца второй энергетический уровень, и останется ещё четыре для следующего, самого верхнего уровня, на котором они могут образовывать связи. И действительно, элемент, у которого на восемь электронов больше, чем у углерода, — это кремний, расположенный в периодической таблице прямо под углеродом.