Вся жизнь на планете Земля основана на углеродных соединениях. Однако, по мнению учёных, углерод – не единственный химический элемент, способный дать начало жизни. Есть и другие кандидаты. 

Эта статья была опубликована в журнале OYLA №1(29). Оформить подписку на печатную и онлайн-версию можно здесь.

Один из основоположников марксизма Фридрих Энгельс в своём труде «Анти-Дюринг» утверждал: «Жизнь есть способ существования белковых тел, существенным моментом которого является постоянный обмен веществ с окружающей их внешней природой. Причём с прекращением этого обмена веществ прекращается и сама жизнь, что приводит к разложению белка».

Немецкий философ написал это ещё до возникновения биохимии в её современном виде и осознания учёными того, что белки — не только основной строительный материал жизни на Земле, но и главное действующее «лицо» всех жизненных процессов. При этом, несмотря на огромные размеры и сложную структуру, зачастую включающую сотни тысяч атомов (крупнейший одиночный белок имеет брутто-формулу C ₁₃₂₉₈₃H₂₁₁₈₆₁N₃₆₁₄₉O₄₀₈₈₃S₆₉₃), белки устроены просто. Чаще всего это комбинация 20 природных аминокислот, состоящих из углерода (C), водорода (H), азота (N), кислорода (O); в двух аминокислотах есть ещё сера (S), В состав некоторых белков входит также селен (Se). Молекулы, ответственные за запасание энергии в клетках, содержат фосфор (P). Он также входит в состав ДНК, обеспечивающей хранение и передачу генетической информации.

Но почему именно эти элементы? И может ли существовать жизнь на основе других? В наше время, когда, с одной стороны, поиски жизни в Солнечной системе не увенчались успехом, а с другой — в иных звёздных системах были открыты уже тысячи планет, в том числе очень похожих на Землю, этот вопрос особенно актуален, и дискуссии об альтернативной биохимии развернулись с новой силой.

Чтобы понять, почему жизнь такая, какая есть, нам придётся вернуться к рождению Вселенной. Спустя 380 000 лет после Большого взрыва появились первые ядра, затем водород (H) и гелий (He). Ну и небольшое количество лития (Li). Пока строительного материала маловато. Придётся подождать возникновения первых звёзд.

Основные процессы, протекающие в недрах звёзд,— это так называемый CNO-цикл и тройная гелиевая реакция. Продуктами этих термоядерных реакций являются углерод, азот и кислород — важнейшие «кирпичики» жизни. Теперь у нас есть всё необходимое, чтобы создать два главных компонента жизни: сложные органические молекулы и растворитель для них. Зачем нужен растворитель? Дело в том, что в газовой фазе сложные реакции не идут, а в твёрдой невозможно перемешивание реагирующих компонентов. Именно поэтому жизнь зародилась в жидкости.

И тут нам с вами очень повезло, причём дважды.

Первый раз повезло с растворителем. Из водорода и кислорода образовалось уникальное вещество — вода (H₂O). Она отвечает двум важнейшим требованиям к растворителю для живых систем.

Во-первых, вода полярна: один конец молекулы имеет частичный положительный заряд, другой — частичный отрицательный. И это, как выяснилось, важно для клеток и биомолекул: многие их свойства зависят от частичного заряда. А для нормального функционирования организма нужны ионы (без ионов калия, натрия и кальция, например, принципиально невозможна работа нервной системы).

Во-вторых, вода может оставаться жидкой в широком диапазоне температур — от 0 до 100 °С. Эти свойства выгодно отличают воду от похожих растворителей. Например, ближайший аналог — сероводород (H₂S) — в жидком состоянии существует лишь между –82 и –60 °С. Конечно, есть вещества, остающиеся жидкими в ещё больших температурных пределах, например серная кислота (10–337 °С). Она, кстати, тоже полярна, но при этом является очень агрессивной средой.

 Диапазон температур, при которых вещества находятся в жидком состоянии

Многие учёные в качестве альтернативы воде рассматривали жидкий аммиак. Его молекула способна, как и вода, принимать и отдавать ион водорода (протон), что очень важно для биохимических реакций. Однако температурный диапазон жидкой фазы аммиака — всего 44,5 градуса, а сила поверхностного натяжения составляет всего треть от водной, что помешает крупным биомолекулам собраться и создать самовоспроизводящуюся структуру. Кроме того, аммиак существует в жидком состоянии при достаточно низких температурах (от –78 °С), поэтому, если бы аммиачная жизнь и была возможна, то эволюционировала бы она гораздо медленнее.

Есть и ещё два потенциальных растворителя — фтороводород (HF) и циановодород (HCN) По формальным показателям они подходят, однако существование океанов из фтороводорода маловероятно: в реакцию с ним вступали бы почти все минералы каменных планет, и содержимое океана быстро растворило бы дно и исчезло, превратившись во фториды; кроме того, фтор редко встречается во Вселенной. Что же касается циановодорода, то в жидкой фазе он неустойчив и быстро разлагается.

Не так давно автоматическая межпланетная станция Cassini, созданная для исследования планеты Сатурн, её колец и спутников, обнаружила на крупнейшем спутнике Сатурна Титане моря из жидких углеводородов. Однако эти жидкости ещё меньше подходят на роль среды для зарождения жизни: на Титане очень холодно, поэтому скорость химических процессов невероятно мала. Вдобавок молекулы углеводородов неполярны.

Второе, с чем нам невероятно повезло, так это с количеством углерода во Вселенной. Этот элемент уникален тем, что образует четыре прочные ковалентные связи, направленные к вершинам тетраэдра, в том числе с самим собой, и формирует сколь угодно длинные углеродные цепочки. Кроме того, он образует прочные связи с другими распространёнными элементами: водородом, кислородом, азотом, серой, фосфором. Наконец, углерод способен формировать не только одинарные связи, но и двойные, тройные, что делает возможным существование веществ с самыми разными химическими связями и свойствами, а также структурой. Например, наша способность видеть основана на взаимодействии фотона с белком родопсином. Фотон изменяет конфигурацию одной двойной связи в белке, и этого достаточно, чтобы запустить нервный импульс — и дать вам возможность читать этот текст.

Можно ли выстроить жизнь на основе других атомов? Наиболее вероятной альтернативой углероду принято считать кремний. Он находится в той же периодической группе, свойства этих элементов во многом схожи. К тому же кремний тоже достаточно распространён во Вселенной. Однако его атом тяжелее, чем у углерода, а больший диаметр делает невозможным образование стабильных двойных и тройных связей. Поэтому «обычные» аналоги органики из кремния менее устойчивы.

Тем не менее возможность существования кремниевой жизни исключить нельзя — но в других условиях. Хотя водородные соединения кремния менее устойчивы по сравнению с углеводородами, силиконы — полимеры с чередующимися атомами кремния и кислорода — более жаропрочны. Поэтому принято считать, что жизнь на основе кремния возможна на планетах со средней температурой значительно выше земной. Однако в этом случае вода на роль растворителя не подойдёт — выкипит прежде, чем сделает своё дело. Учёные считают, что подходящей средой мог бы стать расплав из оксида кремния.

Жизнь можно попытаться построить и на основе соединений бора (B): он образует длинные устойчивые цепочки, при этом бороводородов достаточно много. Но, будучи элементом третьей группы, бор способен образовывать только три ковалентные связи, что уменьшает количество вариантов . К тому же некоторое (гораздо меньшее, чем углеродное) разнообразие «боровых» молекул реально создать только в сочетании с азотом (тем не менее «неорганический бензол» — боразол B₃N₃H₆ — вполне себе существует). Последнее «но» состоит в том, что бор, а также литий (Li) и бериллий (Be), как правило, образуются во Вселенной весьма хитрым способом — скалыванием: космические лучи откалывают куски от более массивных ядер. Поэтому литий, бериллий и бор распространены гораздо меньше, чем их соседи по таблице Менделеева.

Современные астробиологи склоняются к тому, что без углерода нам всё-таки не обойтись. Постулирование тезиса, что жизнь возможна только на основе углерода, знаменитый астроном, астрофизик и выдающийся популяризатор науки Карл Саган назвал углеродным шовинизмом.

Впрочем, это не единственно возможная точка зрения. Международная исследовательская группа под руководством Вадима Цытовича в 2007 году опубликовала статью в журнале New Journal of Physics. Учёные с помощью компьютерного моделирования показали, что плазма, содержащая взвешенные заряженные частички пыли (типичные для космоса условия), может образовывать самовоспроизводящиеся структуры.

Такие работы ставят вопрос: что, собственно, мы подразумеваем под словом «жизнь»? Если речь идёт о сложных эволюционирующих структурах, которые способны воспроизводить себя и развиваться, в таком случае «живой» можно назвать и компьютерную программу.

Жизнь может принимать самые невероятные формы. Простор для фантазии огромный: в обозримой Вселенной около 20 триллионов (20 000 000 000 000) галактик, и только в нашей — Млечном Пути — от 200 до 400 млрд звёзд.

А ещё есть так называемая инфляционная модель, согласно которой в каждый момент времени рождается множество Вселенных с разными законами природы. Быть может, в одной из них атомы, появившиеся в результате Большого взрыва, оказались совсем другими — и создали совершенно иную жизнь. Кто знает?..