О формах инопланетной жизни

---

...

Альтернативная биохимия

Бывают ли кремниевые, а также фтороводородные, аммиачные и т. п. пришельцы — возможна ли альтернативная биохимия? За десятки лет на этой поляне успели оттоптаться научные фантасты, придумав большинство возможных вариантов. Я попытался рассортировать эти варианты по убыванию чуждости. Совсем экзотикой оказалась жизнь совсем не на химической основе: плазмоиды, вихри токов в сверхпроводнике... Об этом лучше поинтересоваться у физиков. Чуть менее экзотична жизнь на совсем другой химической основе с другими основными элементами вроде кремния или бора вместо углерода. Еще чуть более похожа на нашу жизнь на основе углерода, но с совсем другими соединениями этого элемента и, возможно, не в воде, а в другом растворителе. Затем следует жизнь из белков и нуклеиновых кислот, но с аминокислотным набором, отличным от нашего. И, наконец, близкий к нам, но несовместимый вариант — зазеркальная жизнь из правых аминокислот в белках и зеркального отражения ДНК. Про такую жизнь мы точно можем сказать, что она возможна (ведь она по всем химическим параметрам не отличается от нашей), но несовместима с нашей (например, «зазеркальные» вирусы нас не заразят, и наоборот). В лабораториях уже идут работы по воплощению такой зазеркальной жизни.


...

Красными кружочками обведена семерка из топ-10 самых распространенных элементов, используемых нашей земной жизнью: водород H, углерод C, кислород O, азот N, сера S, магний Mg, железо Fe. Все они играют важнейшие роли в нашей биохимии. Земная жизнь выглядит довольно-таки оптимально с точки зрения использования самого доступного. Из топ-10 не выбраны два инертных газа — гелий He, неон Ne и любимый научными фантастами кремний Si. Еще по графику сразу же можно отбросить фтор F. Океаны из плавиковой кислоты, описанные Иваном Ефремовым в «Сердце змеи», к сожалению, антинаучная фантастика. Фтору в этой Вселенной не повезло со стабильностью атомного ядра; в нашей галактике этого элемента на пять порядков меньше, чем кислорода, и он плохо образуется в звездах. Бор B — элемент с очень интересной химией, образующий сложные молекулы с цепочками и кольцами из своих атомов, но его в миллион раз меньше, чем углерода. Искусственную жизнь на основе бора, может быть, когда-нибудь и создадут в лаборатории, а вот естественной борной жизни во Вселенной мы никогда не найдем — в этом я уверен.

А вот кремния много. Тем не менее этот элемент не встречается в нашей биохимии, базовой универсальной основе. В «Звездном пути» есть жизненная форма кремниевого цикла под названием Хорта, но за пределы своего сеттинга она не выходит. Кремний образует цепочки из своих атомов не хуже углерода и способен образовывать сложные молекулы как таковые. Кремние-органические молекулы, которые синтезируют химики, получаются, как правило, в безводной среде. В результате воздействия воды или кислорода или кислородосодержащих соединений кремний в конечном итоге превращается в SiO2 — твердые устойчивые кристаллы вроде кварца или опала. Оксид углерода, в свою очередь, достаточно химически активный газ, который даже при комнатной температуре растения успешно используют в фотосинтезе. Соответственно, основная проблема с кремнием состоит в том, что он слишком охотно и слишком прочно связывается с кислородом — из получившихся соединений его уже не достать. Такое случается не только на Земле, но и в космических условиях. Радиоастрономы своими спектроскопическими методами могут определять различные молекулы в газовых туманностях. Для углерода удалось найти более сотни органических молекул, среди них привычные биохимикам уксусная кислота, мочевина и глицин. А вот для кремния молекул найдено куда меньше, и это в основном прочные устойчивые соединения либо с углеродом (карбиды кремния), либо с кислородом (оксиды), либо с азотом (нитриды). Карбид кремния еще устойчивей оксида, а по твердости мало уступает алмазу. Для биохимии это не очень удобно. Собственно, единственное, на что земная жизнь пустила кремний в виде оксида, — на скелеты некоторых групп одноклеточных, вроде радиолярий или диатомовых водорослей. Эти красивые ажурные структуры весьма инертны химически. Ни на что, кроме скелетов, кремний не сгодился.


Чуть менее экзотический вариант — жизнь на основе углерода, но на основе совсем других соединений и с участием другого растворителя. В научной фантастике встречались варианты жизни во фтороводороде или аммиаке. Бывает, что фантасты селят жизнь в жидкости, составляемой из доступных в космосе элементов, вроде диоксида серы. Но вот лично мне больше всего нравится жизнь в диоксиде углерода, которую фантастика еще не описала: в привычных условиях это соединение не бывает жидким, а сжижается лишь при повышенных давлениях выше земного атмосферного. Его обычное агрегатное состояние — газ или твердое вещество, сухой лед. Но при давлении в сотню атмосфер диоксид углерода становится жидким в широком диапазоне температур. Жидкий CO2 используется в химической промышленности как растворитель, например бескофеиновый кофе получается путем экстракции кофеина жидким диоксидом углерода под давлением. Это очень хороший растворитель, превосходящий воду. Он совместим с белками: белковые ферменты в нем сохраняют структуру, и многие работают даже активнее, чем в воде. Жидкий CO2 гораздо менее вязок, чем вода, что ускоряет процесс диффузии и других химических реакций — молекулы двигаются быстрее. Более того, на Земле есть места, где жидкий CO2 встречается, и в нем живут микробы — привычные микробы с белками и ДНК. Его можно найти только на больших глубинах: лишь на океанском дне достаточно давления для существования такого соединения. Японские океанологи запускали подводного робота в Окинавский желоб на глубину около 1300 м. Там есть черные гидротермальные источники — черные курильщики — а в стороне от них под слоем глины скрылось озеро с жидким CO2, который медленно просачивается из глубин земной коры. Пузыри, которые выходят, когда робот ковыряет глину пробоотборником, на самом деле — капли жидкой углекислоты. Их плотность меньше плотности воды, и они всплывают вверх. Вот самое близкое и реальное, что можно найти на Земле в качестве прообраза альтернативной биохимии. В этом жидком CO2 живут микробы, бактерии и археи, вполне родственные остальным живым микробам. Для такого образа жизни им пришлось перестроить только свои клеточные мембраны, так как жидкий диоксид углерода растворяет стандартные мембраны. (Поэтому, кстати, в промышленности его используют для мягкой стерилизации.) Белки совместимы с жидким CO2, а вот ДНК вступает в конфликт. У микробов, живущих в этой среде, внутри клетки все-таки вода. Двойные спирали ДНК не образуются в среде диоксида углерода — образуются только одиночные цепи. Поэтому у жизни в такой среде, если она образовалась с самого начала с CO2 внутри клеток, белки быть могут, а вот вместо ДНК явно будет что-то другое.

...

«Я читал, что сжатые азотоводороды могут давать гораздо более разнообразную химию, нежели углеводороды. Тогда, может быть, будущее не за кремнием, и средневековые цивилизации Урана и Нептуна только и ждут, пока мы их откроем?»

— Про интересную химию азота при высоких давлениях известно не из экспериментов, но только из квантовомеханического моделирования. Этим занимается, например, группа Артёма Оганова в Сколтехе: азотоводороды — это их история. Молекулы, вылезающие в их моделировании, выглядят очень интересно и красиво, а по сложности их можно сравнить с углеродной биохимией, но проблема в том, что они могут существовать только при чудовищных давлениях. При попытке перенести эксперимент в более-менее комнатные условия всё превратится в газообразный азот и взорвется. В планетах — ледяных гигантах типа Урана и Нептуна — давление достаточное, а азота с водородом много, так что исключать существование такой жизни нельзя, но судьба ее незавидна, ведь с родной планеты в космос ей не выйти.


...

А. С.: А РНК в углекислоте тоже не строится?

— Она не разрывается, но двуспиральные участки расплетаются.


...


На Титане пытаются найти жизнь на какой-то другой химической основе — явно углеродную с использованием азота, но при низких температурах и в другом растворителе. Проблема, во—первых, в том, что жидкий метан — довольно плохой растворитель. (В принципе, чем ниже температура, тем хуже все крупные молекулы растворяются в жидкостях.) Во-вторых, конкретно метан представляет собой неполярную молекулу без местных положительных и отрицательных зарядов, которые есть в молекулах воды, аммиака, углекислого газа, диоксида серы... Из-за этой неполярности растворяющие качества метана ухудшаются еще больше: в нем почти ничего, кроме других углеводородов, и то не слишком тяжелых, растворяться не будет. Химическое разнообразие того, что там возможно в жидкой фазе, как-то маловато.


...

— Свойства образовывать длинные прочные цепочки из своих атомов — редкое явление в таблице Менделеева. Это умеют делать углерод, кремний, бор; при некоторых условиях на такое становится способен фосфор; при высоких давлениях подобные свойства может проявлять азот (но это еще экспериментально не проверено). Вот и всё. Вариантов немного...

---

От 2015

Азотосома вместо липосомы - гипотеза о жизни на Титане.txt

Американские химики и физики из Корнелльского университета доказали, что в метановых морях Титана могут существовать способные к размножению, передвижению и обмену веществ клетки, которым для этих процессов не нужны ни вода, ни кислород. Об этом сообщается на сайте университета.

Зарождение и развитие жизни на Земле было бы невозможным без фосфолипидов: эти вещества образуют водонепроницаемые мембраны, защищающие клетки от внешних факторов. Пузырь из фосфолипидов называется липосомой. Поскольку фосфолипиды состоят из воды, астрономы обычно исключают планеты с низкими температурами на поверхности из списка гипотетически обитаемых. Но если предположить, что клетки организма состоят не из воды, а из метана, температура замерзания которого гораздо ниже, жизнь может существовать даже в считающихся в традиционной биологии непригодных для этого условиях. Например, на Титане.

Именно от этой идеи отталкивались ученые. Они назвали такую построенную на метане модель мембраны азотосомой. Она состоит из молекул азота, углерода и водорода, существующих в морях Титана.

С помощью метода молекулярной динамики ученые вычислили соединение, которое с наибольшей вероятностью может самостоятельно «собраться» в органическую мембрану в данных условиях. Им стал акрилонитрил. Он прочен, практически не распадается и не мене гибок, чем фосфолипидные мембраны на Земле. И он есть в атмосфере Титана.

 

Одним из возможных растворителей в безводной среде может быть тетрахлорид титана. Его важным преимуществом является полярность. При этом его диапазон температур жидкого агрегатного состояния почти вдвое шире, чем у воды.

Замена кислорода

Интересной особенностью серной кислоты является то, что это вещество становится кислотой только в присутствии воды. Но вода в процессе полимеризации молекул сахаров и аминокислот не будет выделяться, если в органических молекулах на месте атомов кислорода будут находиться атомы серы. Такие «серные» организмы должны существовать при заметно более высокой температуре и в океане из олеума (безводной серной кислоты). Такие условия существуют на Венере. Поскольку молекулярный кислород, который бы мог образовать озоновый слой, защищающий от ультрафиолета, не образуется, то это создаёт сложности для выхода жизни на сушу. Этим можно объяснить то, что жизнь на Венере до сих пор не найдена, хотя есть косвенные свидетельства — наличие в одних и тех же регионах {\displaystyle {\ce {H2S}}}{\displaystyle {\ce {H2S}}} и {\displaystyle {\ce {SO2}}}{\displaystyle {\ce {SO2}}}, которые не могут сосуществовать, если их кто-то или что-то постоянно не производит[35].

Теоретически возможна замена кислорода другими халькогенами, но для существования жизни на их основе эти элементы встречаются крайне редко. Также известны анаэробные организмы, использующие другие элементы в качестве акцептора электронов.