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...

---