Воображаемая жизнь (ЛП) - Трефил Джеймс

Это упражнение объясняет, почему формы жизни на основе кремния на протяжении десятилетий были неотъемлемой частью научной фантастики. С химической точки зрения кремний — это элемент, обладающий наибольшим сходством с углеродом, и, как мы уже отмечали, он довольно распространён во Вселенной. Однако, сделав это замечание, мы должны отметить, что между углеродом и кремнием существует фундаментальная разница. Поскольку валентные электроны кремния находятся на третьем энергетическом уровне, тогда как электроны углерода находятся на втором, атом кремния крупнее своего углеродного аналога. Химики предположили, что именно это различие так затрудняет образование длинных цепочек из атомов кремния. Это означает малую вероятность того, что в жизни на основе кремния цепочки атомов кремния смогут играть ту же роль, что и молекулы типа ДНК в жизни на углеродной основе: «липучки» расположены слишком далеко друг от друга, чтобы два атома кремния могли образовать больше одной связи друг с другом. Таким образом, значительная часть сложности, которую мы наблюдаем в молекулах на основе углерода, просто недоступна кремнию. Это отражается в таком факте: известно, что специалисты в области органической химии используют для описания самых сложных молекул на основе кремния такие слова, как «монотонный».

Другая проблема возникает во время анализа обмена веществ у кремниевой жизни. Углеродный метаболизм основан на соединении атмосферного кислорода с углеводами — молекулами, содержащими атомы углерода и водорода. Простейшим примером этого процесса является сжигание метана[13], молекулы, в которой один атом углерода связан с четырьмя атомами водорода. Конечными продуктами этой реакции являются углекислый газ (газообразный) и вода. (По сути, кислород воздуха соединяется с углеродом метана с образованием двуокиси углерода и с его водородом с образованием воды.) Оба эти вещества легко удалить из того места, где вырабатывается энергия организма — например, такого рода взаимодействием с кислородом является появление углекислого газа в воздухе, выдыхаемом вами прямо сейчас.

Аналогичной реакцией в кремниевом мире было бы сгорание молекулы, в которой один атом кремния связан с четырьмя атомами водорода — вещества, известного как моносилан. Это привело бы к образованию в качестве отходов диоксида кремния (диоксида кремния). При привычных для нас температурах это вещество является твёрдым и выводится из организма с гораздо большим трудом, чем углекислый газ — оно является основным компонентом кварца и песка, например. Кстати, есть такие научно-фантастические рассказы, в которых формы жизни на основе кремния выдают свою истинную природу, испражняясь кирпичами из твёрдого диоксида кремния и оставляя за собой безошибочный след.

Из-за сложностей такого рода в научном сообществе существует общее мнение о том, что живые системы, полностью основанные на кремнии (то есть системы, в которых кремний полностью заменяет углерод), вряд ли будут существовать на планетах, которые мы обычно считаем пригодными для жизни. (Сделав это замечание, мы должны добавить, что данное утверждение не означает, что кремний не может быть включен в живые системы. Многие организмы на Земле — например, диатомовые водоросли в океане — создают твёрдые части, используя атомы кремния в своей основанной на углероде структуре.) Однако мы можем представить себе экзотические планеты, где химия кремния может генерировать некоторые очень сложные молекулярные структуры: например, находящаяся в приливном захвате планета земной группы с расплавленной дневной стороной в звёздной системе, богатой металлами и другими тяжёлыми элементами. Но у нас нет возможности узнать, будут ли большие потоки энергии, пронизывающие такую экзопланету, создавать автономные самовоспроизводящиеся системы, которые мы обычно ассоциируем с жизнью.

Мы завершаем это обсуждение жизни на основе кремния представлением того, что мы считаем одним из самых сильных аргументов в пользу углеродного шовинизма. Как мы видели выше, кремния на Земле гораздо больше, чем углерода. Однако, несмотря на это численное преимущество, роль кремния в живых системах на Земле лучше всего охарактеризовать как незначительную, в то время как углерод, представленный относительно бедно, составляет основу всех живых систем. Это подсказывает нам, что в углероде есть нечто особенное, если дело касается жизни, и что жизнь в других местах, возможно, за некоторыми исключениями, будет основана на углероде.

Мы потратили много времени на разговоры о возможности жизни на основе кремния по нескольким причинам. Во-первых, как мы уже отмечали, кремний является элементом, в наибольшей степени подобным углероду. Кроме того, научно-фантастических сценариев, затрагивающих жизнь на основе кремния, существует, вероятно, больше, чем посвящённых любой другой её форме. Такая художественная литература обычно изображает кремниевые формы жизни в виде оживших минералов или скал. Если же принять во внимание аргументы, приведённые в этом разделе, то нам кажется, что эти формы жизни будут редкими в галактике, или же вообще не будут существовать.

Так какие же другие виды жизни, не похожей на нас самих, мы обнаружим с большей вероятностью?

Иной выбор

До настоящего момента мы достаточно вольно использовали словосочетание «жизнь на основе углерода». В целом молекулы в живых системах на Земле в своём функционировании могут зависеть от уникальных свойств углерода, но многие из них содержат атомы других материалов, чередующихся с их углеродом. Например, знакомая нам двойная спираль ДНК построена на каркасе из атомов фосфора и кислорода. Поэтому мы должны рассмотреть возможность появления в живых системах кремния в сочетании с другими атомами.

Мы знаем много веществ, в структуре молекул которых есть цепочки из кремния и кислорода, но не цепочки, полностью состоящие из атомов кремния: например, водонепроницаемые герметики и иная коммерческая продукция. Недавно учёные из Калифорнийского технологического института, используя бактерии, собранные в горячих источниках в Исландии, создали молекулы с химическими связями непосредственно между углеродом и кремнием. Хотя основной химический интерес к таким молекулам заключается в том, что они могут выступать в качестве ферментов для создания широкого спектра промышленных материалов, но они также предполагают возможность развития в других мирах форм жизни, основанных на комбинациях углерода и кремния.

Изредка учёные рассматривали в качестве замены углерода в живых существах элементы, отличные от кремния. Как мы уже видели, основная стратегия состоит в том, чтобы найти элемент, который (1) является довольно распространённым и (2) способен образовывать длинные молекулярные цепочки. Одним из элементов, отвечающих этим критериям, является сера, которая находится в периодической таблице прямо под кислородом. Хотя сера встречается не в таком изобилии, как углерод или кремний, она всё же входит в первую десятку самых распространённых элементов в галактике. Она также способна образовывать линейные цепочечные молекулы, хотя это явно не такие сложные разветвлённые структуры, как в биомолекулах на Земле.

Наиболее заметные концентрации серы в Солнечной системе находятся на спутнике Юпитера Ио (это тот, что похож на пиццу с пепперони). Ио является ближайшей к Юпитеру среди четырёх больших галилеевых лун планеты (остальные — это Европа, Ганимед и Каллисто), и гравитационные взаимодействия между этими спутниками генерируют много тепла в его недрах. В результате Ио оказывается самым вулканически активным объектом в Солнечной системе, а вулканы выбрасывают продукты извержения на сотни миль в атмосферу. Пятнистая окраска на его поверхности в основном обусловлена серой из вулканов, которая осела после этих извержений. Большая часть этого покрытия представляет собой чистую серу в нескольких из множества её форм.

Атомы серы обычно объединяются в группы от 6 до 20 атомов, причем наиболее распространённой является структура в форме короны из 8 атомов. Нет ничего необычного в том, что атомы одного элемента группируются в разных конфигурациях: например, алмазы и графит (карандашный грифель) являются чистым углеродом, но у них разное расположение связей между атомами. Когда две молекулы, состоящие из атомов одного и того же типа, имеют разную конфигурацию, говорят, что они являются аллотропными модификациями друг друга. Большое количество аллотропных модификаций серы, которые мы наблюдаем в таких местах, как Ио, иногда используется как основание для предположения о возможности жизни на основе серы — предположения, рождённого широким разнообразием форм, которые могут принимать аллотропные модификации серы. Однако мы не знаем ни одной работы, которая выводила бы этот аргумент за рамки простых предположений.