Неуглеродные формы жизни: кремний или азот?

30.10.2013 Наука и жизнь

Существование иных форм судьбы, принципиально отличающихся от отечественной земной наличием, количеством и расположением лап, глаз, зубов, когтей, других частей и щупалец тела — одна из любимых тем в фантастической литературе. Но, фантасты не ограничиваются лишь этим — они придумывают как экзотические формы классической (углеродной) судьбе, так и не меньше экзотические ее базы — скажем, живые кристаллы, бестелесные энергетические полевые существа либо кремнийорганические создания.

Кроме фантастов, дискуссией аналогичных вопросов занимаются и ученые, не смотря на то, что они в собственных оценках значительно более осмотрительны. Так как до тех пор пока единственная база судьбы, которая совершенно верно известна науке, — это углеродная. Однако в свое время популяризатор науки и известный астроном Карл Саган объявил, что обобщать утверждения о жизни в отношении судьбы во всей Вселенной совсем неправильно.

Подобные обобщения Саган назвал «углеродным шовинизмом», наряду с этим он сам в качестве самая вероятной другой базы судьбы разглядывал прежде всего кремний.Неуглеродные формы жизни: кремний или азот?

Основной вопрос судьбы

Что же такое жизнь? Казалось бы, ответ на данный вопрос очевиден, но как ни необычно, о формальных параметрах в научном сообществе до сих пор идут дискуссии. Однако возможно выделить последовательность характерных показателей: жизнь обязана самовоспроизводиться и эволюционировать, а для этого необходимо соблюдение нескольких ответственных условий. Во-первых, для существования судьбы нужно много химических соединений, состоящих преимущественно из ограниченного числа химических элементов.

При органической химии это углерод, водород, азот, кислород, сера, причем число аналогичных соединений огромно. Во-вторых, эти соединения должны быть термодинамически стабильными либо хотя бы метастабильными, другими словами время их жизни должно быть достаточно продолжительным для осуществления разных химических реакций. Третье условие — должны существовать реакции для извлечения энергии из внешней среды, и ее высвобождения и накопления.

Четвертое — для самовоспроизводимости жизни требуется механизм наследственности, носителем информации в котором выступает большая апериодическая молекула. Эрвин Шрёдингер предполагал, что носителем наследственной информации возможно апериодический кристалл, а позднее была открыта структура молекулы ДНК — линейный сополимер. Наконец, все эти вещества должны быть в жидком состоянии, дабы обеспечить достаточную скорость реакций метаболизма (обмена веществ) за счет диффузии.

Классические альтернативы

При с углеродом все эти условия выполняются, а вот кроме того с ближайшей альтернативой — кремнием — дело обстоит далеко не так радужно. Кремнийорганические молекулы смогут быть достаточно долгими, дабы нести наследственную данные, но их многообразие через чур бедно если сравнивать с углеродной органикой — из-за большего размера атомов кремний еле образуетдвойные связи, что очень сильно ограничивает возможности присоединения разных функциональных групп.

Помимо этого, предельные кремнийводороды — силаны — и вовсе нестабильны. Само собой разумеется, существуют и стабильные соединения, такие как силикаты, но большая часть из них — жёсткие при обычных условиях вещества. С другими элементами, такими как бор либо сера, дело обстоит еще печальнее: борорганика и высокомолекулярные соединения серы очень нестабильны, а их разнообразие через чур бедно, дабы обеспечить жизнь всеми нужными условиями.

Под давлением

«Азот ни при каких обстоятельствах действительно не рассматривался как база для жизни, потому, что при обычных условиях единственным стабильным азотоводородным соединением есть аммиак NH3, — говорит Артем Оганов, начальник лаборатории компьютерного дизайна материалов МФТИ, доктор наук Нью-Йоркского университета Стоуни-Брук и Сколковского технологий и института науки (Сколтех). — Но сравнительно не так давно, проводя моделирование разных азотоводородных совокупностей при больших давлениях (до 800 ГПа) посредством отечественного метода USPEX (Universal Structure Predictor: Evolutionary Xtallography, Универсальный предсказатель структур: эволюционная кристаллография, см. «ПМ» № 10’2010), отечественная несколько нашла необычную вещь. Оказалось, что при давлениях более чем 36 ГПа (360?000 атм) появляется множество стабильных азотоводородов, таких как долгие одномерные полимерные цепи из звеньев N4H, N3H, N2H и NH, экзотические N9H4, листы и образующие атомов азота с присоединенными катионами NH4+, и молекулярные соединения N8H, NH2, N3H7, NH4, NH5.

Практически мы поняли, что при давлениях порядка 40−60 ГПа азотоводородная химия по собственному разнообразию существенно превосходит химию углеводородных соединений при обычных условиях. Это разрешает сохранять надежду, что химия совокупностей с участием азота, водорода, серы и кислорода кроме этого более богата по собственному разнообразию, чем классическая органическая при обычных условиях».

Ход к судьбе

Эта догадка группы Артема Оганова открывает совсем неожиданные возможности в плане неуглеродной базы судьбы. «Азотоводороды смогут образовывать долгие полимерные цепи а также двухмерные страницы, — растолковывает Артем. — на данный момент мы изучаем свойства подобных систем с участием кислорода, позже добавим к рассмотрению в отечественных моделях углерод и серу, а это, быть может, откроет путь к азотным аналогам углеродных белков, пускай для начала и самых несложных, без сложной структуры и активных центров. Вопрос об источниках энергии для жизни, основанной на азоте, пока остается открытым, не смотря на то, что это в полной мере смогут быть какие-то до тех пор пока малоизвестные нам окислительно-восстановительные реакции, идущие в условиях больших давлений.

В действительности такие условия смогут существовать в недрах планет-гигантов типа Урана либо Нептуна, не смотря на то, что температуры в том месте через чур высоки. Но пока мы не знаем совершенно верно, какие конкретно реакции смогут в том месте происходить и какие конкретно из них серьёзны для жизни, исходя из этого не можем достаточно совершенно верно оценить нужный температурный диапазон».

Условия «обитания» живых существ на базе азотных соединений смогут показаться читателям очень экзотичными. Но достаточно отыскать в памяти тот факт, что распространенность планет-гигантов в звездных совокупностях как минимум не меньшая, чем каменистых земплеподобных планет. А это указывает, что во Вселенной как раз отечественная, углеродная судьба может оказаться куда большей экзотикой.

Артем Оганов, начальник лаборатории компьютерного дизайна материалов МФТИ, доктор наук Нью-Йоркского университета Стоуни-Брук и Сколковского технологий и института науки (Сколтех):

«Азот — седьмой по распространенности элемент во Вселенной. Его много в составе планет-гигантов, таких как Нептун и Уран. Считается, что в том месте азот находится по большей части в виде аммиака, но отечественное моделирование говорит о том, что при давлениях более чем 460 ГПа аммиак перестает быть стабильным соединением (каким он есть при обычных условиях).

Так что, быть может, в недрах планет-гигантов вместо аммиака существуют совсем другие молекулы, и как раз эту химию мы на данный момент исследуем».

Азотная экзотика

При больших давлениях водород и азот образуют множество стабильных, сложных и необыкновенных соединений. Химия этих азотоводородов значительно более разнообразна, чем углеводородная при обычных условиях, так что имеется надежда, что азото-водородо-кислородо-сернистые соединения смогут превзойти по достатку возможностей органическую химию.

На рисунке — структуры N4H, N3H, N2H, NH, N9H4 (розовые — атомы водорода, светло синий — азота). В розовой рамке — мономерные звенья.

Жизненное пространство

В полной мере быть может, что в отыскивании экзотической судьбе нам не нужно будет лететь на другой финиш Вселенной. В отечественной собственной Солнечной совокупности присутствуют две планеты с подходящими условиями. И Уран, и Нептун окутаны воздухом, складывающейся из водорода, гелия и метана, и, по-видимому, имеют силикатно-железо-никелевое ядро. А между атмосферой и ядром находится мантия, складывающаяся из тёплой жидкости — смесь воды, аммиака и метана.

Как раз в данной жидкости при нужных давлениях на соответствующих глубинах может происходить предсказанный группой Артема Оганова образование и распад аммиака экзотических азотоводородов, и более сложных соединений, включающих кислород, углерод и серу. Нептун к тому же владеет внутренним источником тепла, природа которого до сих пор точно не узнана (предполагается, что это радиогенный, химический либо гравитационный нагрев). Это разрешает существенно увеличить «территорию обитаемости» около отечественной (либо второй) звезды далеко за пределы, доступные для отечественной хрупкой углеродной жизни.

Статья «Углеродный шовинизм» размещена в издании «Популярная механика» (№151, май 2015).

Случайные записи:

НЕУГЛЕРОДНАЯ ФОРМА ЖИЗНИ [Новости науки и технологий]


Похожие статьи, которые вам понравятся: