В предыдущей части были кратко перечислены основные возможные виды неуглеродных форм жизни исходя из наиболее явного критерия их отличия от неживой природы. Рассмотрение начато с молекулярных форм жизни на основе твёрдых веществ, растворимых в жидкой среде, как и в случае земной жизни.
Для хранения генетической информации и формирования на её основе определённых веществ, способных к обеспечению метаболизма, кроме подходящего агрегатного состояния требуются достаточно крупные молекулы типичной структуры, иначе говоря, должен содержаться элемент, который, подобно углероду, способен образовывать длинные цепочки.
Одной из особенностей углерода является заполненность валентных орбиталей ровно наполовину, что делает его четырёхвалентным почти во всех соединениях. Аналогичной особенностью обладает кремний, поэтому с него начнём рассмотрение вариантов альтернативной биохимии.
Кремний отличается от углерода большим радиусом атома, соответственно, более слабой связью валентных электронов с ядром, иначе говоря, более выраженными металлическими свойствами. В виду этого его соединение с кислородом будет иметь ионную связь в отличие от ковалентной связи кислорода с углеродом. Поскольку ионная связь приводит к какой-либо пространственной симметрии без выраженных фрагментов, передача генетической информации становится неосуществимой, поэтому биохимия на основе кремния должна исключать его соединение с таким сильным окислителем, как кислород, причём аналогичное свойство присуще азоту.
Водород может выполнять схожую функцию и для кремниевых форм жизни, но при этом его связь с атомами кремния будет слабее, чем с атомами углерода. Соответственно, ионы кислорода или азота могут легко вырвать атомы водорода из его соединений с кремнием, а поскольку эти ионы сами легко с ним соединяются, их наличие приведёт к разрушению таких соединений.
Стоит учитывать, что ионы кислорода или азота могут легко образовываться при растворении многих солей в воде или аммиаке, а какая-то концентрация солей в почти всегда присутствует на поверхности любой планеты, тем более, что вряд ли какие-либо живые организмы могут не использовать в своем составе минералы. Фактически это означает, что для кремниевых форм жизни подобного типа вода и аммиак будут опасными ядовитыми веществами.
Поскольку водород является наиболее распространённым элементом во вселенной, а кислород и азот по этому показателю занимают одни из ближайших за ним мест, и при их взаимодействии с водородом выделяется много энергии, вода и аммиак неизбежно являются одними из самых распространённых веществ во вселенной. Соответственно, говоря о возможности существования кремниевых форм жизни, следует обратить внимание на возможные формы присутствия воды и аммиака на планетах и степень их опасности для таких форм жизни.
Например, находящиеся в твёрдом состоянии вода и аммиак не могут высвободить большое количество ионов кислорода или азота, которые могли б нанести урон кремниевым формам жизни. Тем не менее, последние не могли б безопасно существовать на поверхности водяного или аммиачного льда, поскольку непременно находились б источники нагрева, вызывающие его подтаивание, аналогично тому, как земные организмы, находясь на свинцовой поверхности, не могут полностью избегать интоксикации. Это означает, что на холодных ледяных планетах кремниевые формы жизни не могли б существовать. Только те холодные планеты, на которых присутствуют какие-то геологические процессы, способные освобождать от водного и аммиачного льда обширные территории, могли б стать пригодными для кремниевых форм жизни, поскольку падение комет неизбежно будет постепенно увеличивать количество этого льда.
Очевидно, что холодные планеты, свободные от водного и аммиачного льда, как минимум являются крайне редкими, поэтому имеет смысл рассмотреть случай более нагретых планет, на которых вода и аммиак всегда находились б в газообразном состоянии. Водяной пар в отличие от жидкой и плотной супержидкой воды гораздо слабее взаимодействует с солями металлов, только некоторые щелочные металлы способны выделять ионы кислорода в водяном паре низкой плотности, из которых распространённым является только натрий. Поскольку водяной и аммиачный пары способны распадаться под действием ультрафиолетового излучения, а с не очень крупных планет водород может улетучиваться, такие планеты с достаточно высокой температурой могли б иметь подходящие условия для кремниевых форм жизни.
Сера, хлор, фосфор, йод и ряд других не очень редких элементов могли б обеспечить достаточное разнообразие возможных соединений для существования кремниевой жизни. Но стоит обратить внимание на возможный способ метаболизма, в основе которого вряд ли может быть какой-то другой процесс, кроме диффузии.
Как говорилось в предыдущей части, более или менее значительную скорость метаболизма может обеспечить либо жидкая, либо плотная супержидкая среда. Соответственно, для форм жизни на основе кремния и водорода это должны быть вещества, в состав которых не входят многовалентные более или менее сильные окислители, как кислород и азот. Одновалентный фтор не может создать избыток ионов, поэтому плавиковая кислота для кремниевых формы жизни опасной не является. Относительно безопасной является также серная кислота, поскольку кислород достаточно надёжно связан с серой, чтоб он не мог образовать свободный радикал. Но более безопасной средой для кремниевых форм жизни могли б быть сероводород, соляная кислота и углеводородные вещества.
Хлор является во многом подходящим для кремниевых форм жизни умеренно сильным окислителем, поэтому они могли б функционировать в хлороводородной среде, разумеется, при отсутствии воды. Но это вещество очень легко смешивается с водой, и имеет чрезвычайно низкую температуру кипения, так что имеет смысл говорить только о супержидкой соляной кислоте, а кроме того должен быть какой-то абиотический механизм отделения соляной кислоты от воды. Но если учесть тот факт, что кислород образует более сильную связь с водородом, чем хлор, и является гораздо более распространённым элементом, такая возможность представляется чрезвычайно маловероятной.
Сероводород имеет ещё более низкую температуру кипения и ещё менее устойчив, но при этом меньше склонен смешиваться с водой, кроме этого сера является более распространённым элементом, чем хлор. Но при этом сероводород является сравнительно плохим растворителем, соответственно, он не мог б повысить скорость метаболизма до того уровня, которую для земной жизни обеспечивает вода. Но поскольку сероводород тяжелее водяного пара, имеет смысл рассмотреть возможность кремниевой жизни в среде плотного супержидкого сероводорода при давлении в сотни и тысячи атмосфер.
Преимуществом сероводородной среды для кремниевых форм жизни может быть также его способность нейтрализовывать опасные для них соединения кислорода и азота, при этом многие соединения углерода не представляли б опасности для таких форм жизни. Но чтоб такая среда сформировалась на какой-то планете, приповерхностный слой должен каким-то образом избавиться от избытка кислорода в виде каких-либо его соединений, поскольку кислород является одним из наиболее распространённых элементов и превосходит серу по этому показателю. Прочие распространённые во вселенной элементы представляют меньшую сложность для формирования такой среды обитания, например, инертные газы - неон и аргон - не будут влиять на биохимические реакции, многие металлы - натрий, магний, алюминий - легко образуют сульфиды и сульфаты, азот может быть выделен из возможных соединений ультрафиолетовым излучением и сконцентрироваться в верхних слоях атмосферы, поскольку имеет в молекулярном виде достаточно прочные ковалентные связи, а многие его соединения имеют меньшую плотность, чем соединения серы.
Кислород представляет сложность для формирования подходящей для кремниевых форм жизни среды обитания именно тем, что является самым сильным окислителем из распространённых элементов, в итоге обладая способностью образовывать достаточно разнообразные устойчивые соединения с разными элементами, имеющие разную плотность, температуру плавления, кипения и т. д.. В итоге становится вряд ли возможным механизм, способный обеспечить разделение всех соединений кислорода с приповерхностной средой.
Одним из существенных дополнений этой сложности является в среднем большая распространённость кислорода во вселенной, чем многих других элементов, которые он может окислить. Единственным явным исключением является водород, но уже упоминавшиеся свойства соединений кремния требуют отсутствия воды на планете, которая могла б быть пригодной для жизни на его основе, но вряд ли возможен механизм, обеспечивающий потерю планетой молекул воды. Если гравитация планеты будет достаточно слабой, чтоб была возможной потеря молекул кислорода, то сероводород сможет быть лишь разреженным газом, и тогда у кремниевых форм жизни будет возможен лишь чрезвычайно медленный метаболизм, свойственный сухой среде.
Сравнимым по распространённости во вселенной с кислородом является углерод. Его прямое соединение с кислородом - углекислый газ - тоже было б опасным для кремниевых форм жизни, тем более что имеет схожую с сероводородом плотность. Но соединения с участием некоторых других элементов, включая водород, могут обеспечить связывание кислорода в безопасных для кремниевых форм жизни веществах с сохранением сероводородной среды. Для этого требуется сравнимое, а лучше большее количество углерода по сравнению с кислородом. Поскольку состав вселенной в некоторых пределах варьируется, т. с. в углеродных областях галактик могли б существовать такие планеты, на которых кремниевые формы жизни смогут успешно эволюционировать в среде супержидкого сероводорода.
Очевидно лишь то, что планет с такими формами жизни наверняка будет существенно меньше, чем с углеродными. Прежде чем рассматривать, насколько такие формы жизни могут быть распространёнными и какие могут быть сложности в их эволюции до разумных существ, в следующей части рассмотрим, какие ещё возможны варианты жизни на основе кремния.
