Насколько вероятны неуглеродные формы жизни?


Химик Артем Оганов об условиях возникновения жизни, альтернативах ДНК и возможности жизни на газовых гигантах.



Происхождение жизни — это большая загадка. Но можно сказать, что жизнь возникает в результате самоорганизации материи тогда, когда cпонтанно возникают особые сложные химические вещества, которые самоорганизуются и обретают способность самовоспроизводиться, то есть некие химические вещества смогут перерабатывать то, что их окружает, производя собственные копии.

И мы знаем, что это происходит в известных нам формах жизни. Все известные нам формы жизни основаны на углеродной химии, которую мы называем органической. И, анализируя то, что происходит в известных нам формах жизни, можно сделать несколько обобщений, которые должны быть применимы и к другим возможным химическим формам жизни, а именно: для существования жизни необходимо огромное химическое разнообразие, порождаемое небольшим числом химических элементов. В случае органической химии это углерод, водород, азот, кислород, сера. Известно колоссальное число органических соединений. Это число можно увеличивать фактически до бесконечности.

Второе условие: хотя эти соединения не обязаны быть термодинамически стабильными, они обязаны быть как минимум метастабильными и существовать в течение продолжительного времени.

Третье: для того чтобы жизнь была возможна, должна быть реакция, обеспечивающая хранение энергии. В частности, во всех известных формах жизни это аденозинтрифосфат, который является формой запасания энергии и распад которого позволяет живым клеткам совершать работу.

Должна быть еще реакция, которая бы извлекала энергию из окружающей среды, из тех веществ, которые поступают из окружающей среды. В частности, в аэробных формах жизни это окисление глюкозы, которое сопровождается выделением энергии. В анаэробных организмах это другие реакции: переработка сернистых соединений и так далее.

Должен быть и какой-то механизм наследственности. Ее материальный носитель — какая-то крупная апериодическая молекула (Шредингер указывал, предчувствуя открытие структуры ДНК, на апериодический кристалл). Этим апериодическим кристаллом, как мы бы сказали сейчас — полимером, или еще точнее — сополимером, является молекула ДНК. В принципе эту роль могут играть не только линейные сополимеры типа ДНК, но и двумерные полимерные структуры. Трехмерные — уже слабо в это верится. Одномерные, двумерные — вполне.

И еще одним условием является то, что вот эти вещества, на основе которых мы хотим представить себе новые формы жизни, должны быть в жидком или в близком к жидкому состоянии, чтобы диффузия молекул была достаточно быстрой, чтобы продукты жизнедеятельности удалялись, а вещества из окружающей среды легко могли поступать в этот живой организм.

Недавно мы нашли вещь, которая нас удивила: мы нашли исключительно богатую химию у соединений азота и водорода. Дело в том, что если вы посмотрите на химию углеводородов, ту самую химию, разнообразие которой является фундаментом для разнообразия всей органической химии, то получите всю органическую химию, присоединяя или замещая атомы кислорода, серы, азота.

Так вот, для сжатых азотоводородов мы нашли гораздо более разнообразную химию, чем известна для углеводородов.

Азотоводородов очень много во Вселенной. На самом деле планеты Уран и Нептун примерно на 8% по массе состоят из аммиака, то есть простейшего азотоводорода. Это гораздо больше, чем углерода на Земле. Азотоводороды также имеют низкую температуру плавления, которая растет с давлением (как и температура в планетных недрах). Для ковалентных соединений азота с очень сильными направленными связями тоже будет характерна метастабильность — иными словами, мало того, что под давлением есть необычайно большое число стабильных соединений, там еще будет практически неограниченное число метастабильных соединений. А если туда начать добавлять другие атомы: кислород, серу, — то химическое разнообразие превысит разнообразие органической химии. Это та область химии, которую мы пока что практически не знаем и которая вышла из наших расчетов.

Изучая разнообразие азотоводородов, мы были поражены, насколько их много. Причем их много в термодинамически стабильном состоянии. Для углеводородов при обычных условиях термодинамически стабильное соединение только одно — метан. Для азотоводородов таких устойчивых соединений больше дюжины. И они имеют крайне разнообразную химию, еще более разнообразную, чем углеводороды. Если мы добавим кислород и серу, может быть, в небольших количествах и углерод, то перед нами, скорее всего, раскинется химия, во много раз или даже на порядки более разнообразная и богатая, чем органическая, которая в принципе может служить основанием для новых других форм жизни.

Возможна ли жизнь на таких планетах, как Уран и Нептун — там, где 8% по массе составляет аммиак, — мы не знаем. Потенциальная проблема состоит в том, что время жизни метастабильных соединений в планетных условиях (высокие температуры и давления) может оказаться недостаточно долгим.

Азотистые соединения — это пока что лучший, но, вероятно, не единственный кандидат на неуглеродную жизнь. Их преимущество перед, например, соединениями кремния состоит в более разнообразной химии, большей близости к жидкому состоянию и обычно большему времени жизни метастабильных состояний за счет более прочных и более направленных ковалентных связей.

Автор: Артем Оганов
Habilitation in Crystallography, PhD in Crystallography, Full Professor, State University of New York at Stony Brook



Источник:

Комментарии

Комментарии не найдены ...
Добавлять комментарии могут только
зарегистрированные пользователи!
 
Имя или номер: Пароль:
Регистрация » Забыли пароль?
 
© decoder.ru 2003 - 2017, создание портала - Vinchi Group & MySites