ЗАМЕНА УГЛЕРОДА
Ученые немаловысказывались на тему возможности построения органических молекул с помощьюдругих атомов, но на практике доказать эту возможность на данный момент неудалось.
Кремний
Среди наиболее вероятныхпретендентов на роль структурообразующего атома в альтернативной биохимииназывают кремний. Он находится в IV группе периодической таблицы, в той же чтои углерод, эти два элемента во многом схожи. Кремний четырехвалентен, как иуглерод, а значит, он тоже обладает необходимым качеством симметрии. Его атомыспособны образовывать циклические структуры и длинные цепочки, которые служатостовом многих биологических молекул. Однако атомы кремния имеют бо́льшуюмассу и радиус, сложнее образуют двойную или тройную ковалентную связь, что,возможно, в данном случае будет мешать.
Силаны, представляющиесоединение кремния и водорода, которые будут являться аналогом алканов(соединений углерода и водорода), отличаются куда меньшей устойчивостью цепочкиатомов кремния, а так же повышенной реакционноспособностью. Плотность,температуры кипения и плавления силанов выше, чем у соответствующихуглеводородов. В то же время, силиконы — полимеры, включающие цепочкичередующихся атомов кремния и кислорода, являются более устойчивыми. Вчастности, силиконовым полимерам свойственна значительная жаропрочность. Наэтом основании предполагается, что органические соединения на основе кремния могутсуществовать на планетах со средней температурой, значительно превышающейземную. Кроме того, связь между атомами кремния неустойчива в присутствии воды,аммиака или кислорода, поэтому роль универсального растворителя в этом случаебудут играть соединения со значительно большей температурой кипения иплавления. Такими соединениями могут стать серная кислота, сульфиды фосфора итакое абсолютно неизученное соединение, как Н3PS4-серный аналог ортофосфорнойкислоты, получающийся из фосфористого водорода и H2S.
В целом же, сложныемолекулы с кремниево-кислородной цепью менее устойчивы по сравнению суглеродными аналогами. К тому же, соединения кремния не настолько разнообразныпо строению, как белки.
Другая проблемазаключается в том, что диоксид кремния (основной компонент песка), которыйявляется аналогом углекислого газа, представляет собой твердое,плохорастворимое вещество. Это создаст трудности для поступления кремния в биологическиесистемы, основанные на растворах, даже если окажется возможным существованиебиологических молекул на его основе.
Кроме того, во всемразнообразии молекул, которые были обнаружены в межзвездной среде, 84 основанына углероде и лишь 8 — на кремнии. Более того, из этих 8 соединений, 4 такжевключают в состав углерод. Примерное соотношение космического углерода ккремнию — 10 к 1. Это дает основание предполагать, что сложные углеродныесоединения более распространены во Вселенной, уменьшая шанс формированиябиологических молекул на основе кремния, по крайней мере, в тех условиях, чтоможно ожидать на поверхности планет.
На Земле, как и на другихпланетах земной группы, много кремния и очень мало углерода. Однако, земнаяжизнь развилась на основе углерода. Это, вероятно, свидетельствует в пользутого, что этот элемент куда более подходит для формирования биохимическихпроцессов на планетах, подобных нашей. Остается возможность того, что придругих условиях температуры и давления, кремний может участвовать вформировании биологических молекул в качестве замены углероду.
Следует отметить, чтосоединения кремния (в частности, диоксид кремния) используются некоторымиорганизмами на земле. Из них свой панцирь формируют диатомовые водоросли,получая кремний из воды. В качестве структурного материала соединения кремниятакже используются радиолярией, некоторыми губками и растениями, они входяттакже в состав соединительной ткани человека.
Азот и фосфор
Азот и фосфор считаютдругими претендентами на роль основы для биологических молекул. Как и углерод,фосфор может составлять цепочки из атомов, которые, в принципе, могли быобразовывать сложные макромолекулы, если бы он не был таким активным. Однако, вкомплексе с азотом, возможно образование более сложных ковалентных связей, чтоделает возможным возникновение большого разнообразия молекул, включая кольцевыеструктуры.
В атмосфере Земли азотаоколо 78 процентов, однако в силу инертности двухатомного азота, энергетическая«цена» образования трехвалентной связи слишком высока. В то же время,некоторые растения могут связывать азот из почвы в симбиозе с анаэробнымибактериями, живущими в их корневой системе. В случае присутствия в атмосферезначительного количества диоксида азота или аммиака, доступность азота будетвыше.
Азот и бор
Атомы азота и бора,находящиеся в «связке», в определённой степени имитируют связьуглерод-углерод. Так, известен боразол B3N3H6, который иногда называют «неорганическимбензолом». Являясь неорганическим аналогом бензола, боразол напоминаетбензол по своим физическим свойствам (агрегатное состояние, интервал кипения,плотность и т.п.). В то же время, химические свойства боразола и бензола резкоразличаются. Реакционная способность боразола выше, чем у бензола вследствиеполярности связей (три атома азота поставляют свои неподеленные электронныепары на свободные орбитали атомов бора). Так, он окисляется на воздухе,растворим в воде, с которой постепенно реагирует с образованием В(ОН)3, NH3 иН2, и менее термически устойчив, чем бензол. Всё же, на основе комбинации борас азотом невозможно создать всё то разнообразие химических реакций, известных вхимии углерода. Тем не менее, принципиальную возможность такой замены в видекаких-то отдельных фрагментов искусственных (или инопланетных) биомолекул,нельзя полностью исключать.
Аммиак
Гипотетическая аммиачнаябиохимия, или, как ее еще называют, химия Франклина, получается простой заменойкислорода в органической молекуле на амино-группу (=NH). А вместо воды вкачестве универсального растворителя используется аммиак.
При нормальном давленииаммиак существует как жидкость в очень узком интервале температур от -77,7 до-33,4 градуса Цельсия. Критической температуре + 132,4 градуса, то естьтемпературе, выше которой нельзя получить аммиак в виде жидкости, соответствуетдавление 120 атмосфер. Скрытые теплоты у аммиака равны 332 калориям на граммдля парообразования и 84 калориям на грамм для плавления. По этим параметрамаммиак похож на воду.
Авторы моделей «аммиачнойжизни» утверждают, что в полностью безводных условиях аммиачные формыбелков будут действовать как ферменты-катализаторы столь же хорошо, как и вобычных водных средах. Это предположение выглядит сомнительно, так как скореевсего в жидком аммиаке белки-ферменты из-за изменения их структуры не смогут «работать».Кроме того, если исходить из требования нормальных скоростей химическихреакций, необходимо сильно повысить точку кипения аммиака (скажем, до 100градусов), что соответствует более высоким давлениям около 60 атмосфер.
Очень трудно представитьсебе, что при выбранных значениях давления и температуры могут где-либосуществовать полностью безводные условия. Но как только мы переходим к воднымрастворам аммиака, аммиачные аналоги белков оказываются в сильно щелочной средеи перестают работать как ферменты.
Для регулировкидеятельности клеточных мембран в аммиачной химии предлагаются такиеэкзотические соединения, как хлористый цезий или хлористый рубидий. Из-за малойкосмической распространенности цезия и рубидия подобная схема может представлятьинтерес только для умозрительных построений.
ЗАМЕНА ВОДЫ
Одним из требований длярастворителя, способного к поддержанию альтернативной жизни, является то, чтоэто вещество должно оставаться жидким в большом интервале температур. Водаявляется жидкой в интервале от 0 °С до 100 °С, — но существуют другиерастворители, например, серная кислота, — которые остаются в жидком состоянии винтервале 200 °С и более.
Аммиак
Аммиак часторассматривается в качестве наиболее вероятного (после воды) альтернативногорастворителя для возникновения жизни на какой-либо из планет. Жидкий аммиак поряду свойств напоминает воду, но следует заметить, что при замерзании твёрдыйаммиак не всплывает вверх, а тонет (в отличие от водного льда).
Кроме того, выбор аммиакакак растворителя исключает выгоды от использования кислорода как биологическогореагента. Однако это не исключает возможности возникновения альтернативнойжизни на планетах, где аммиак имеется в смеси с водой.
Фтороводород
По ряду свойствфтороводород напоминает воду. Так, он тоже способен к образованиюмежмолекулярных водородных связей. Однако стоит учитывать, что на 1 атом фторав наблюдаемой вселенной приходится 10000 атомов кислорода, поэтому труднопредставить на какой-либо планете условия, которые благоприятствовали быобразованию океана, состоящего из HF, а не из H2O.
Другой серьёзный аргументпротив такой возможности заключается в том, что твёрдая поверхность большинствапланет (которые её имеют), состоит из двуокиси кремния и алюмосиликатов, с которыми,как известно, фтористый водород реагирует по реакции:
SiO2 + 6 HF => H2SiF6+ 2 H2O
Цианистый водород
Цианистый водород HCNтакже способен к образованию водородных связей, но в отличие от HF, он состоитиз широко распространённых во Вселенной элементов. Более того, считается, чтоэто соединение играло значительную роль в предбиологической химии Земли —например, в образовании аминокислот, нуклеотидов и других компонентов «первичногобульона».
Тем не менее, цианистыйводород не подходит в качестве возможного растворителя для альтернативнойбиохимии хотя бы потому, что это соединение термодинамически неустойчиво. Так,жидкий цианистый водород довольно быстро осмоляется, особенно в присутствиикатализаторов (в роли которых могут выступать кислоты, основания, глина имногие горные породы), причём иногда разложение HCN протекает со взрывом. Поэтим причинам HCN не способен образовать океан на какой-либо планете.