Земният живот, единственият познат в момента, се основава на огромно разнообразие от въглеродни съединения. Междувременно това не е единственият химичен елемент, който може да стои в основата на живота.
Съществуването на други форми на живот, коренно различни от нашето земно присъствие, местоположение и брой лапи, очи, зъби, нокти, пипала и други части на тялото е една от любимите теми в научно-фантастичната литература.
Писателите на научна фантастика обаче не се ограничават само с това - те измислят както екзотични форми на традиционен (въглероден) живот, така и неговите не по-малко екзотични основи - да речем, живи кристали, безплътни същества от енергийното поле или силиконови същества.
В допълнение към писателите на научна фантастика, учените също са ангажирани в обсъждането на подобни въпроси, въпреки че са много по-предпазливи в своите оценки. В крайна сметка единствената основа на живота, която е точно известна на науката, е въглеродът.
Независимо от това, по едно време известният астроном и популяризатор на науката Карл Сейгън каза, че е напълно погрешно да се обобщават твърдения за земния живот по отношение на живота в цялата Вселена. Сагън нарече подобни обобщения "въглероден шовинизъм", докато самият той смята силиция за най-вероятната алтернативна основа за живота.
Основният въпрос на живота
Органосилициева форма на живот от научнофантастичния сериал "Звездни пътеки"
Промоционално видео:
Какво е живот? Изглежда, че отговорът на този въпрос е очевиден, но колкото и да е странно, все още има дискусии относно формалните критерии в научната общност. Въпреки това могат да се разграничат редица характерни черти: животът трябва да се възпроизвежда и да се развива и за това трябва да бъдат изпълнени няколко важни условия.
Първо, за съществуването на живота са необходими голям брой химични съединения, състоящи се главно от ограничен брой химични елементи. В случая на органичната химия това са въглерод, водород, азот, кислород, сяра и броят на такива съединения е огромен.
На второ място, тези съединения трябва да бъдат термодинамично стабилни или поне метастабилни, т.е. техният живот трябва да бъде достатъчно дълъг, за да извършват различни биохимични реакции.
Третото условие е да има реакции за извличане на енергия от околната среда, както и за нейното натрупване и освобождаване.
Четвърто, за самовъзпроизвеждането на живота е необходим механизъм на наследственост, при който голяма апериодична молекула действа като носител на информация.
Ервин Шрьодингер предполага, че апериодичният кристал може да бъде носител на наследствена информация и по-късно е открита структурата на ДНК молекулата, линеен съполимер. И накрая, всички тези вещества трябва да са в течно състояние, за да осигурят достатъчна скорост на метаболитни реакции (метаболизъм) поради дифузия.
Традиционни алтернативи
В случая с въглерода всички тези условия са изпълнени, но дори и с най-близката алтернатива - силиция - ситуацията далеч не е толкова розова. Силицийорганичните молекули могат да бъдат достатъчно дълги, за да носят наследствена информация, но тяхното разнообразие е твърде лошо в сравнение с въглеродните органични вещества - поради по-големия размер на атомите силиций почти не образува двойни връзки, което значително ограничава възможностите за свързване на различни функционални групи.
Освен това наситените водородни силикони - силани - са напълно нестабилни. Разбира се, има и стабилни съединения, като силикати, но повечето от тях са твърди вещества при нормални условия.
С други елементи, като бор или сяра, ситуацията е още по-тъжна: органоборните и високомолекулните съединения на сярата са изключително нестабилни и тяхното разнообразие е твърде лошо, за да осигури на живота всички необходими условия.
Под напрежение
„Азотът никога не е бил разглеждан сериозно като основа за живота, тъй като при нормални условия единственото стабилно азотно-водородно съединение е амонякът NH3“, казва Артем Оганов, ръководител на компютърно подпомаганото проектиране на лаборатория за материали в MIPT, професор в университета Стони Брук в Ню Йорк и Института за наука и технологии в Сколково (Skoltech).
„Въпреки това, наскоро, докато симулирахме различни азотни системи при високи налягания (до 800 GPa), използвайки нашия алгоритъм USPEX (Universal Structure Predictor: Evolutionary Xtallography), нашата група откри невероятно нещо.
Оказа се, че при налягания над 36 GPa (360 000 atm) се появяват редица стабилни водородни азоти, като дълги едномерни полимерни вериги от N4H, N3H, N2H и NH звена, екзотични N9H4, които образуват двуизмерни азотни атоми с прикачени NH4 + катиони и молекулни съединения N8H, NH2, N3H7, NH4, NH5.
Всъщност установихме, че при налягания от порядъка на 40-60 GPa азотно-водородната химия в своето разнообразие значително надвишава химията на въглеводородните съединения при нормални условия. Това ни позволява да се надяваме, че химията на системите, включващи азот, водород, кислород и сяра, също е по-богата на разнообразие от традиционната органична при нормални условия."
Стъпка към живота
Тази хипотеза на групата на Артем Оганов отваря напълно неочаквани възможности по отношение на невъглеродна основа на живота.
„Водородният азот може да образува дълги полимерни вериги и дори двуизмерни листове“, обяснява Артем. - Сега изучаваме свойствата на такива системи с участието на кислород, след това ще добавим въглерод и сяра към разглеждането в нашите модели и това, вероятно, ще отвори пътя към азотни аналози на въглеродните протеини, макар и най-простите за начало, без активни центрове и сложна структура.
Въпросът за енергийните източници за живот на базата на азот все още е отворен, въпреки че може да е някакъв вид редокс реакции, които все още са неизвестни за нас, протичащи при условия на високо налягане. В действителност такива условия могат да съществуват в недрата на гигантски планети като Уран или Нептун, въпреки че температурите там са твърде високи. Но засега не знаем точно какви реакции могат да възникнат там и кои от тях са важни за живота, поради което не можем да оценим точно необходимия температурен диапазон."
Условията на живот на базата на азотни съединения могат да изглеждат изключително екзотични за читателите. Но е достатъчно да си припомним факта, че изобилието на гигантски планети в звездните системи е поне не по-малко от това на скалисти земни планети. И това означава, че именно нашият, въглероден живот във Вселената може да се окаже много по-екзотичен.
„Азотът е седмият най-разпространен елемент във Вселената. Има доста от него в състава на гигантски планети като Уран и Нептун. Смята се, че азотът се намира там главно под формата на амоняк, но нашето моделиране показва, че при налягания над 460 GPa амонякът престава да бъде стабилно съединение (както е при нормални условия). Така че, може би в недрата на гигантските планети вместо амоняк има напълно различни молекули и именно тази химия ние изследваме сега."
Азот екзотичен
При високо налягане азотът и водородът образуват много стабилни, сложни и необичайни съединения. Химията на тези водородно-азотни съединения е много по-разнообразна от въглеводородната химия при нормални условия, така че има надежда, че азотно-водород-кислород-сулфидните съединения могат да надминат органичната си химия по богатство.
Фигурата показва структурите N4H, N3H, N2H, NH, N9H4 (розово - водородни атоми, синьо - азот). Розовата рамка съдържа мономерни единици.
Жилищно пространство
Възможно е в търсене на екзотичен живот да не ни се налага да летим до другия край на Вселената. В нашата собствена Слънчева система има две планети с подходящи условия. И Уран, и Нептун са обвити в атмосфера на водород, хелий и метан и изглежда имат сърцевина от силициев желязо-никел.
А между ядрото и атмосферата има мантия, състояща се от гореща течност - смес от вода, амоняк и метан. Именно в тази течност при правилното налягане на подходящите дълбочини може да се получи разлагането на амоняка, предсказано от групата на Артем Оганов и образуването на екзотичен водороден азот, както и по-сложни съединения, включително кислород, въглерод и сяра.
Нептун има и вътрешен източник на топлина, чиято природа все още не е ясно разбрана (предполага се, че е радиогенно, химично или гравитационно нагряване). Това ни позволява значително да разширим "обитаемата зона" около нашата (или друга) звезда, далеч над границите, налични за нашия крехък въглероден живот.
Дмитрий Мамонтов
