Книга Воображаемая жизнь - Майкл Саммерс

Мы могли бы продолжить эту дискуссию, двигаясь по всей периодической таблице, но чем дальше мы уходим от углерода, тем более слабыми становятся аргументы. Думаем, что лучше всего придерживаться углерода, сохраняя при этом непредвзятое отношение к случайному редкому появлению жизни, основанной на других химических элементах.

Заменители воды

Быть водным шовинистом во многих отношениях даже ещё проще, чем углеродным. Вода обладает многими свойствами, которые делают её пригодной для поддержания жизни, и она действительно практически вне конкуренции. Давайте начнём нашу дискуссию с рассказа о некоторых из её желательных свойств.

Прежде всего, для повышения температуры воды требуется много энергии. На языке физиков мы говорим, что она обладает высокой удельной теплоёмкостью. Это позволяет относительно легко поддерживать постоянную температуру в водоёмах, что является очевидным преимуществом для живых систем.

Кроме того, вода обладает довольно необычным свойством, состоящим в том, что плотность её твёрдой фазы (льда) меньше, чем плотность жидкой фазы. Почти все прочие материалы обладают противоположными свойствами. Это означает, что когда вода начинает замерзать, лёд всплывает наверх, а не опускается на дно. Как правило, в больших водоёмах лёд образует теплоизолирующий слой, а вода под ним остаётся жидкой, что является ещё одним очевидным преимуществом для жизни. Если бы лёд был плотнее жидкой воды, он опустился бы на дно, едва образовавшись, и озеро или океан промёрзли бы полностью снизу вверх. И это, как минимум, создало бы стресс для водных обитателей.

Возможно, важнейшим свойством воды с нашей точки зрения является её способность растворять самые разнообразные вещества. Собственно, её часто называют универсальным растворителем, так как она может растворять больше веществ, чем любая другая обычная жидкость. Это означает, что молекулы других веществ, растворённых в воде, в целом свободно перемещаются и взаимодействуют друг с другом — это очевидный плюс в том, что касается развития жизни. Причина, по которой вода обладает такой способностью, заключается в том, что она представляет собой пример так называемой полярной молекулы.

Небольшое пояснение: законы квантовой механики управляют силами, действующими между атомами в молекулах воды, определяя их конфигурацию. Если вы представите, что атом кислорода — это голова, то два атома водорода — это прикреплённые к нему уши Микки Мауса, причем угол между отрезками, проведёнными от кислорода к двум водородам, составляет 105 градусов. Законы квантовой механики также говорят нам, что электроны в молекуле будут стремиться собираться вокруг атома кислорода. Таким образом, хотя молекула воды в целом электрически нейтральна, один её конец будет нести отрицательный заряд, тогда как другой конец будет положительным. Это распределение зарядов и делает воду полярной. Давайте посмотрим, как это работает, когда вода растворяет другое вещество.

Представьте себе молекулу воды, приближающуюся к куску вещества. Чисто теоретически предположим, что она приближается отрицательным концом вперёд. Молекула в веществе будет испытывать воздействие электрических сил от обоих концов приближающейся молекулы воды, но те, которые связаны с отрицательно заряженным концом, находящимся ближе, будут оказывать более сильное воздействие. Вступив в контакт с молекулой вещества, молекула воды приобретает чистый отрицательный заряд. Из-за этого электроны в молекулах материала будут отталкиваться от приближающейся воды, оставляя в веществе положительно заряженную область, обращённую в сторону молекулы воды. В итоге у нас получается, что к положительному концу молекул материала приближается отрицательно заряженный конец молекулы воды.

Мы знаем, что противоположные электрические заряды притягиваются, а это означает, что, как только электроны сместятся, как описано выше, между молекулой воды и молекулой вещества возникнет сила притяжения. Это вытянет молекулу вещества из её первоначального положения, и по мере продолжения этого процесса вещество будет растворяться молекула за молекулой.

Любой, у кого есть кулинарный опыт, знает, что один из способов удалить липкий налёт с кастрюль и тарелок — просто дать им немного побыть в воде. Эта маленькая кухонная хитрость работает, потому что полярные процессы, запущенные конфигурацией электронов в молекуле воды, медленно растворяют липкий материал.

Учёные рассуждали о многих веществах, которые могли бы заменить воду в химии жизни. В целом мы можем выделить здесь две функции воды. Одна из них, упомянутая выше — просто быть средой, поддерживающей сложные молекулы. Для описания жидкостей, способных образовывать жидкие океаны, писатель-фантаст и биохимик Айзек Азимов придумал слово «талассоген» (образователь морей). Вторая функция — участие в химических процессах жизни. Образование молекул воды играет определённую роль в создании так называемой пептидной связи, которая, например, удерживает белки вместе. Далее мы рассмотрим два возможных заменителя воды. Один из них — аммиак, распространённая молекула, больше всех похожая на воду, а другой — метан. Последний упомянут здесь, потому что мы знаем об одном метановом океане во Вселенной — он находится на спутнике Сатурна Титане.

Давайте начнем с аммиака, NH3. Аммиак, состоящий из азота и водорода, двух распространённых элементов, является обычным веществом — это была одна из первых сложных молекул, обнаруженных в межзвёздных облаках. Вы, вероятно, сталкивались с ним в виде водного раствора, обычного бытового чистящего средства (его часто используют для стекла и керамики, потому что он высыхает, не оставляя разводов). И, конечно же, он играет важную роль в производстве удобрений, которые позволяют относительно небольшому числу фермеров прокормить миллиарды людей на нашей планете. При давлении в 1 атмосферу аммиак представляет собой жидкость в диапазоне от -108° до -28°F (от -78° до -33°C). В этом состоянии он способен растворять самые разнообразные материалы, в том числе некоторые металлы. Кроме того, многие важные молекулы, обнаруженные в системах на основе углерода, имеют аналоги в системах на основе аммиака. Относительное изобилие аммиака и такого рода химические свойства побудили некоторых учёных предложить его в качестве заменителя воды в процессе развития жизни.

Однако здесь есть некоторые проблемы. Вероятно, важнейшей из них является то, что аммиак является жидкостью только при температурах, которые значительно ниже, чем встречающиеся в большинстве мест на Земле. Как правило, при понижении температуры химические реакции замедляются. Вот почему мы используем холодильники и морозильники — если уж об этом заговорили, порча продуктов представляет собой химический процесс. У химиков есть общее эмпирическое правило, согласно которому скорость реакции падает вдвое при каждом снижении температуры на 18°F (10°C). Таким образом, химические реакции в аммиачном океане происходили бы примерно в 30-50 раз медленнее, чем в относительно спокойных океанах Земли. Таким образом, развитие жизни, которое на Земле заняло сотни миллионов лет, в аммиачном океане может занять несколько миллиардов лет. (Мы столкнёмся с проблемой температуры в ещё более выраженной форме далее, когда будем обсуждать жидкий метан.)