Кремниевое будущее: углерод — не единственная основа жизни во Вселенной

Когда мы задумываемся о жизни на других планетах, то обычно представляем жизнь такой, какой мы ее знаем, основанную на углероде, требующую воды, света и химических веществ в качестве источников энергии. В этом есть смысл в случае (довольно) похожей на Землю планеты, такой как Марс. Но как обстоит дело относительно других планетных тел, особенно тех, что находятся за пределами нашей Солнечной системы?

Одна из распространенных версий из научной фантастики заключается в том, что углерод возможно заменить кремнием в качестве основного строительного элемента жизни. Вспомните расу хорта из эпизода «Звездного пути» 1967 года «Дьявол в темноте» или кремниевые формы жизни в рассказе Айзека Азимова «Говорящий камень».

Почему углерод доминирует на Земле

На Земле органическая химия — химия углерода. Это связано с невероятной гибкостью углерода при образовании сложных, стабильных молекул — не только с собой, но и с другими элементами, особенно с водородом, кислородом и азотом. Существуют миллионы соединений углерода, необходимых для жизни, — от белков и ДНК до газообразных метана и углекислого газа, которые имеют решающее значение для метаболизма многих форм жизни на планете.

На Земле не получится заменить углерод кремнием в качестве ингредиента жизни — не позволят реалии биохимии на планете. Элементарный кремний под воздействием атмосферного кислорода быстро и яростно окисляется в силикаты (горные породы). То же самое происходит с кремнием под воздействием воды. На Земле большинство горных пород, таких как гранит и базальт, созданы из силикатных минералов, основу которых составляет каркас из кремния и кислорода. Любой свободный кремний был бы связан в этой структуре и был бы инертным, то есть неспособным соединяться с другими элементами, при умеренных температурах. Кремний начал бы соединяться с другими элементами только при очень высоких температурах, например, в магматических очагах. Согласно статье, подготовленной Янушем Петковски из Массачусетского технологического института, даже в этом случае все прочные кремниево-кислородные связи разорвутся примерно в одно время, что сделает их непригодными для биологических процессов.

Но это не говорит о том, что на Земле не используется кремний. Обычные водоросли, известные как диатомовые, нуждаются в кремнии для роста. Без кремния растения не были бы прямостоящими и в то же время гибкими. Кремниевая кислота содержится в соединительной ткани волос, ногтей и кожи. При переломе, по мере заживления кости, обнаруживается высокий уровень кремнезема.

Кремниевый образ жизни

Как ни странно, Земля — планета, богатая кремнием. И если здесь нет шансов для жизни, в основе которой лежит кремний, не делает ли это негодными другие планеты, наподобие нашей? Необязательно. Экзопланета или экзолуна не имеют значительного количества свободного кислорода или жидкой воды — это и стоит считать предпосылкой для жизни на основе кремния. В этом случае органические соединения кремния способны существовать. В такой среде силан (SiH4) заменяет метан (CH4). Так называемые полисиланы (соединения с несколькими группами SiH4) выступают началом альтернативной биохимии.

Как бы выглядел такой мир? Ближайший аналог в нашей Солнечной системе — это Титан, большой спутник Сатурна. Он не только не содержит кислорода и жидкой воды, но и очень холодный, а это полезно для жизни на основе силанов. Однако для жизни на Титане потребуется не вода, а другой растворитель. Озера жидкого метана и этана на Луне помогли бы в этом. Но на Титане много углерода, который превосходит кремний в соединении с другими элементами. На планете с несколько более высокими температурами, чем на Титане, растворителем для жизни на основе кремния мог бы стать метанол.

Одно из неожиданных открытий в статье Петковски заключалось в том, что серная кислота, которую мы обычно считаем смертельно опасной, теоретически может поддерживать богатое разнообразие химии органического кремния. В нашей Солнечной системе есть два места с большим количеством серной кислоты: нижние слои атмосферы Венеры и приповерхностный слой луны Юпитера Ио. Возможно, неправдоподобно строить предположения об этих местах как об убежищах для жизни, но следует отказаться от взглядов, ориентированных на Землю, чтобы рассмотреть все возможности. Жизнь часто удивляла нас в прошлом. И если мы когда-нибудь выйдем за пределы нашей Солнечной системы, то обнаружим множество планет и лун, недоступных нашему воображению.

Альтернативная биохимия

До сих пор мы говорили только о мирах, вращающихся вокруг звезд или планет. А как насчет «планет-изгоев»‎, которые блуждают по Вселенной, не прикрепленные ни к одной звезде? Возможно, они использовали бы тепловую энергию вместо звездного излучения в качестве основного источника. На Земле солнечный свет поддерживает жизнь, потому что его много. Но на нейтронной звезде или магнетаре жизнь получает энергию из магнитного поля звезды. Джеральд Файнберг и Роберт Шапиро предположили, что различные выравнивания магнитных моментов можно использовать в качестве механизма передачи информации от одного поколения к другому, подобно ДНК на Земле.

На сегодняшний день астрономам удалось обнаружить в космосе лишь несколько кремнийорганических соединений и гораздо больше соединений углерода. Углерод преобладает в инопланетной жизни. Но тем не менее, возможно существование планет, на которых жизнь развивается на основе кремния.

Конечно, если мы подумаем о будущей эволюции, даже на нашей собственной планете дверь для жизни на основе кремния широко открыта. Некоторые определения жизни включают самовоспроизводящиеся машины, которые (когда-нибудь) будут собирать себя из исходных материалов, а затем передавать инструкции по сборке вновь построенным машинам, которые будут повторять процесс изготовления.

Однажды такая форма «жизни»‎ превзойдет примитивные углеродные формы жизни, которые в настоящее время господствуют на Земле, — нас.

Источник