Всем привет! Это канал «Феи / Роботы / Пришельцы», меня зовут Сергей Балашов. Поговорим о том, какой может быть инопланетная жизнь. Когда мы говорили о пригодных для жизни планетах, одним из обязательных требований было наличие на них жидкой воды и стабильного излучения звезды. Это критически важно для известной нам жизни на основе углерода. Но в научной фантастике можно встретить инопланетян, которые приспособлены для куда более суровых условий, которые могут жить даже на планетах без атмосферы и в озерах из концентрированной кислоты. Дело в том, что в их телах углерод заменен на другой элемент: кремний.
Может ли существовать жизнь на основе кремния? И если да, то почему мы не видим ее на нашей планете?
Углеродный шовинизм
Жизнь, как мы ее знаем, основана на углероде. Ключевые для земной жизни элементы — это углерод, водород, кислород и азот. Химический механизм жизни, вся органическая химия, основана на свойстве атома углерода. Если мы хотим понять возможное разнообразие и изобилие жизни во Вселенной, мы должны задаться вопросом, является ли этот вариант единственным.
В периодической таблице есть еще один элемент, который обладает некоторыми ключевыми свойствами углерода, но гораздо более распространен на большинстве планет. Речь идет о кремнии.
Жизнь на основе кремния – самая популярная в научной фантастике альтернатива углероду как основе жизни. Это самый многообещающий элемент из-за его химического сходства с углеродом. Более того, на Земле его намного больше, чем углерода.
В чем же особенность углерода, и почему именно кремний выступает в фантастике его заменой?
Когда мы говорим, что жизнь основана на углероде, мы не просто имеем в виду, что жизнь активно использует углерод. Буквально каждый аспект молекулярного механизма, из которого состоит жизнь, основан на химии углерода. Углеродные цепи и кольца образуют каркас для огромного разнообразия молекул, формирующих механизм жизни — от ДНК и РНК до аминокислот и белков и всех построенных ими структур.
Биохимия по определению является химией углерода. В органической химии даже не пишут в формулах «углерод», а просто рисуют линии, и подразумевается, что в место в цепочке атомов занимает атом углерода.
Почему же именно углерод дает нам жизнь? Это просто совпадение, что первая форма жизни была основана на углероде, и потом дальнейшая эволюция застряла на этом атоме? Или химия на основе углерода действительно единственный способ возникновения жизни?
Немного химии
В конечном счете невероятная важность углерода сводится к тому, как он связывается с другими элементами, что обеспечивает правильный баланс реактивности и стабильности.
Природа всегда будет пытаться достичь самого низкого из возможных энергетических состояний. В сложных химических связях хранится много энергии, а простых – меньше. Если атомы найдут путь к более низкому энергетическому состоянию, они сразу же перейдут на него. В процессе преобразования в более мелкие молекулы будет высвобождаться энергия. Так происходят взрывы: взрывчатой смеси сложных веществ для разрыва связей требуется совсем немного энергии, это в свою очередь высвобождает гораздо больше энергии, чем затрачено, инициируя цепную реакцию, и происходит горение со взрывом. Такая реакция идет только в одном направлении, потому что энергетически невыгодно снова собирать все более мелкие молекулы в сложные.
Жизнь — это, по сути, непрерывная химическая реакция. Мы превращаем сложные вещества в более простые с выделением энергии, и тратим эту энергию на создание новых сложных веществ. Когда реакция заканчивается, и новые сложные вещества прекращают появляться, все атомы и молекулы живой ткани распадутся на самые простые и стабильные. Мы называем это явление «смертью». Для жизни требуется, чтобы молекулы могли распадаться, но при этом все-таки были достаточно стабильны — они должны существовать достаточно долго, чтобы выполнять свою работу.
Другими словами, вам нужен баланс реактивности и стабильности.
Давайте посмотрим на таблицу Менделеева и оценим, какие элементы могут подойти для достижения такого баланса. Существует три основных типа связи между химическими элементами: ионная, металлическая и ковалентная. Ионные связи слишком нестабильны. Металлические связи порождают повторяющиеся структуры — кристаллы, которые не обладают химическим разнообразием, необходимым для жизни.
Единственный подходящий вариант – это ковалентные связи. В них атомы делят электроны с одним или несколькими соседями, чтобы заполнить свои внешние, или валентные, оболочки. Например, углерод имеет 4 валентных электрона. Он хочет получить 8 для максимальной стабильности. Он достигает этой стабильности, соединяясь с 4 атомами водорода и разделяя с ними свой единственный электрон. Это также дает каждому из этих атомов водорода еще один электрон для заполнения собственных валентных оболочек. Результатом такого расположения атомов является молекула метана CH4.
Самое интересное в ковалентных связях заключается в том, что существует бесчисленное множество способов совместного использования электронов, что обеспечивает огромное разнообразие молекул. Например, если в двух молекулах метана мы удалим по атому водорода и соединим их, получится этан C2H6. Теперь замените один из атомов водорода на кислород, и мы получим этанол С2Н5ОH. Ковалентные связи являются ключом к сложным и устойчивым молекулярным структурам, необходимым для жизни.
Элементы для основы жизни
Таким образом, выбирая основу для возникновения жизни, мы исключить все элементы таблицы Менделеева, образующие в основном ионные или металлические связи - на самом деле это большинство элементов. Мы также можем исключить благородные газы, поскольку они почти не реагируют, и галогены, потому что их связи непрактичны: их трудно заставить образовывать ковалентные связи более чем с одним элементом одновременно, и когда они реагируют с чем-то, это обычно происходит взрывоопасно.
Наконец, нам придется исключить элементы в периодах 4 и ниже. Хотя они могут образовывать ковалентные связи, эти атомы настолько велики, что ядро не удерживает электроны с достаточной силой, что приводит к опасно слабым молекулам.
Кстати, именно поэтому мышьяк токсичен. Клетки могут случайно построить молекулы, используя мышьяк вместо фосфора из-за того, что они имеют одинаковое количество валентных электронов. Когда это происходит, образующиеся молекулы разрушаются, разрушая важные структуры клетки или прерывая важные процессы, и если это происходит слишком часто, клетка погибает.
В итоге у нас осталось всего семь элементов: водород, углерод, азот, кислород, кремний, фосфор и сера. Из них все, кроме кремния, считаются основными строительными блоками жизни на Земле. Другие элементы используются жизнью для очень специфических функций, но водород, углерод, азот, кислород, фосфор и сера являются наиболее важными. Из них углерод обеспечивает основу всей органической химии. Причина такой универсальности в том, что он образует прочные связи с самим собой, и делает это различными способами. На самом деле, из 6 строительных блоков жизни только углерод может образовывать с собой как одномерные, так и двухмерные структуры.
Итак, выбирая элементы, которые могут быть основой для жизни, мы добрались до 6 основных строительных блоков плюс кремний. Но почему эволюция не использует кремний? Это особенно странно, поскольку кремний химически подобен углероду, также имеющему 4 валентных электрона. Кремний может имитировать углерод и образовывать длинные цепочки и кольца, а полученные молекулы часто обладают свойствами, сходными с молекулами на основе углерода.
Более того, кремний составляет почти треть массы земной коры, а углерод – меньше 1%. Это говорит нам о том, что углерод должен иметь существенные преимущества перед кремнием.
Сложности с кремнием
Итак, давайте посмотрим, какие сложности возникают с кремнием как основой жизни.
Одной из важнейших сложностей является то, что молекулы на основе кремния, как правило, гораздо больше реагируют на воду, чем молекулы на основе углерода. Самые сложные молекулы кремния нестабильны в воде. Это будет огромным препятствием для жизни на основе кремния на такой покрытой водой планете, как Земля.
В целом жизни нужен растворитель — жидкая среда, которая позволяет молекулярным механизмам двигаться и взаимодействовать. Вода – лучший кандидат на эту роль. Ее температурная стабильность, эффективность в качестве растворителя и широкое распространение во Вселенной делают воду лучшим и, возможно, единственным достойным выбором основного растворителя для жизни. Нестабильность большинства молекул кремния в воде является огромным ударом по жизнеспособности существ на основе кремния.
Однако вода — не единственный вариант. Многие молекулы на основе кремния вполне устойчивы в жидких углеводородах — которые присутствуют на спутниках газовых гигантов, и даже в серной кислоте, которой много в атмосфере Венеры.
В обоих случаях есть свои проблемы — жидкие углеводороды холодные, а значит им трудно удерживать в растворе большие сложные молекулы, из которых строится известная нам жизнь. Серная кислота слишком химически агрессивна для зарождения известной нам жизни.
Еще одна причина, по которой кремний мало подходит как основа для жизни, заключается в том, что этот элемент очень любит образовывать связи с кислородом. С ним кремний образует более прочные связи, чем с другими атомами кремния.
Молекулы на основе кремния легко разрушаются кислородом, а связи кремний-кислород, в свою очередь, трудно разорвать. Это означает, что в присутствии кислорода реакции имеют тенденцию идти в одном направлении. На Земле действительно много кремния. Но основной объем его заперт в скалах в виде кремнезёма, диоксида кремния SiO2, и недоступен для жизни. С другой стороны, большая часть углерода Земли находится в атмосфере в виде углекислого газа CO2, который относительно легко распадается посредством фотосинтеза.
Еще одна особенность жизни — это производство энергии. Наша энергия возникает из превращения молекул кислорода O2, которые содержат огромное количество энергии в своих связях, в молекулы углекислого газа CO2, которые содержат ее очень мало. Самый простой способ получить эту энергию — это горение. В живых клетках реакция проходит сложнее, но итог тот же.
Могут ли инопланетяне на основе кремния получать энергию, превращая кислород O2 в диоксид кремния SiO2? На первый взгляд это вполне обосновано, потому что этот оксид SiO2 даже более стабилен, чем углекислый газ CO2, поэтому будет высвобождать больше энергии.
Проблема в том, что CO2 — это газ, который можно легко удалить из организма. А диоксид кремния — это кремнезем, то есть песок. Он будет накапливать в клетках и органах живого существа. И это будет немалое количество песка. Человек выдыхает около килограмма углекислого газа в течение дня, а значит, кремниевым инопланетянам нужно будет выкашливать, большое количество песка. Или выводить его из организма иными способами – в любом случае, это требует больше усилий, чем выдох газа.
Итак, в определенных условиях кремний потенциально обладает свойствами для того, чтобы стать основой для инопланетной органики. Но эти условия довольно специфичны и гораздо менее идеальны, чем те, которые поддерживают жизнь на основе углерода. Углерод в воде — настолько поразительно хороший вариант, что полной замены ему скорее всего не существует. Если у жизни есть возможность использовать углерод, она должна будет это сделать.
Но не исключено, что в крайне необычных условиях может возникнуть жизнь на основе кремния. Давайте не будем забывать углеводородные озера Титана или кислотные облака Венеры, где живые существа на основе кремния могут обитать в условиях, которые непригодны для углеводородной жизни.
Кремневая жизнь в фантастике
Как бы выглядела эта жизнь? Авторы научной фантастики часто представляют жизнь на основе кремния как вариации живых кристаллов или горных пород. Это обычная форма кремния на Земле. Кремниевые инопланетяне – это каменные монстры. Они выглядят как одушевленная масса камней и кристаллов.
Ярким примером будут силикоиды в серии игр «Master of Orion» (и книге «Линия грез» Сергея Лукьяненко, написанной под влиянием этой игры). Это раса разумных кристаллов. Силикоидам не нужно заниматься сельским хозяйством, чтобы производить пищу, они невосприимчивы к воздействию загрязнения и могут колонизировать планеты с любой атмосферой, даже непригодные для других форм жизни. С другой стороны, их более медленный метаболизм означает более медленный рост населения, а сильно отличающаяся психология делает почти невозможным дипломатическое общение с другими расами.
Инопланетянин может быть полностью минеральным, как големы и каменные элементали.
Но с точки зрения химии и биологии внутри каменной оболочки должна быть система внутренних органов.
Ксеноморфы из серии фильмов «Чужой» состоят из органических и неорганических соединений и представляют собой синтез кремниевой и углеродной структуры. Экзоскелет Чужого состоит из органических силикатов. Вместо крови у него кислота, способная разъедать даже металлы.
Еще один стереотип – организмы на основе кремния будут склонны к математическим вычислениям. Процессоры в современных компьютерах основаны на кремнии, и отсюда делается логичный вывод, что кремний связан с обработкой данных и сложными вычислениями. Так что планета кремниевых организмов будет похожа на мир роботов и суперкомпьютеров. Хотя это не совсем верное представление. Да, компьютеры используют кремний, но они не основаны на кремнии в том же смысле, в каком земная жизнь основана на углероде. В компьютерах нет внутренних химических процессов. Кроме того, кремний не является абсолютно необходимым для создания компьютера; он просто наиболее практичен на текущем уровне технологий.
Учитывая особенности связей кремния с водой, про которые мы говорили выше, жизнь на основе кремния, должны существовать при экстремальных температурах расплавленного стекла, в мирах с кислотой вместо воды. Формы жизни на основе кремния могут быть больше похожи на медленных морских звезд, чем на растения и животных. Как минимум, они не смогут есть ту же пищу, что и люди.
Возможно, что эти представления и не верны. Мы, существа на основе углерода, не похожи на ходячие бриллианты или грифели карандаша. Поэтому нет причин думать, что инопланетяне на основе кремния будут выглядеть как ожившие кристаллы.
Впрочем, пока что у нас нет никаких свидетельств того, что такая форма жизни существует где-то во Вселенной.
Спасибо что читали! Канал «Феи / Роботы / Пришельцы» можно читать на Дзен, в Телеграме и ВКонтакте. Аудиоверсия подкаста доступна на сервисах Яндекс.Музыка, Apple Podcasts, Google Podcasts и в подкастах ВКонтакте. Видео-версию смотрите на канале YouTube.
Поддержать канал можно на сервисе Boosty по ссылке в описании.
Оставляйте комментарии и ставьте оценки. Не забудьте подписаться на канал, чтобы не пропустить новые выпуски. Скоро увидимся!
