Книга История всего. 14 миллиардов лет космической эволюции - Дональд Голдсмит

Важен ли углерод для жизни во всей Вселенной? Как насчет кремния, который так часто всплывает в научно-фантастических романах в качестве базового структурного атома для различных экзотических форм внеземной жизни? Как и в случае с углеродом, атомы кремния могут одновременно соединяться с четырьмя другими атомами, однако природа образуемых кремнием связей такова, что его популярность в роли кандидата в создатели структурных основ для образования более сложных молекул несравнима с углеродом. Углерод формирует с другими атомами довольно слабые связи, поэтому, к примеру, пары атомов углерод-кислород, углерод-водород и углерод-углерод разбить довольно просто. Это позволяет основанным на углероде молекулам формировать все новые типы молекул, сталкиваясь и взаимодействуя друг с другом, без чего невозможно представить себе активный обмен веществ, обязательный любой формы жизни. В отличие от углерода, кремний формирует очень прочные связи со многими другими атомами, особенно с кислородом. Земная кора состоит преимущественно из силикатных — кремниевых — пород, образовавшихся в основном из атомов кремния и кислорода, соединенных друг с другом достаточно крепко для того, чтобы просуществовать незыблемо на протяжении миллионов лет. Эти соединения будет довольно трудно заставить поучаствовать в образовании новых типов молекул.

Различия в механике формирования углеродом и кремнием химических связей с другими атомами подсказывает нам, что мы с гораздо большей вероятностью обнаружим внеземные формы жизни, в основе которых будут лежать углеродные, а не кремниевые молекулярные хребты. Помимо этой парочки, остается лишь несколько довольно экзотических типов атомов, распространенных во Вселенной во много раз меньше, чем углерод и кремний, которые могли бы одновременно соединяться сразу с четырьмя другими атомами. Исключительно из статистических соображений вероятность того, что где-то существуют формы жизни, образованной с помощью, скажем, германия — таким же образом, как земная жизнь образовалась на основе углерода, — кажется весьма и весьма незначительной.

Пункт 3 говорит о том, что всем формам жизни необходим жидкий растворитель, в котором молекулы вещества могли бы плавать и взаимодействовать между собой. Здесь слово «растворитель» подчеркивает тот факт, что подобная ситуация, в которой молекулы могли бы «плавать и взаимодействовать», возможна именно в «растворе». Обычная жидкость, как бы сильно она ни была насыщена молекулами, никак не ограничивает подвижность этих самых молекул в своем составе. С другой стороны, в твердых веществах атомы и молекулы имеют свое четко определенное место. Они все еще могут сталкиваться и взаимодействовать, но это происходит в разы медленнее, чем в составе жидкостей. Если взять газ, то там молекулы перемещаются еще более свободно, чем в жидкостях, и могут сталкиваться друг с другом с еще меньшими препятствиями; но их столкновения и взаимодействия происходят по факту в разы реже, чем в жидкостях, потому что плотность газа, как правило, минимум в 1000 раз ниже плотности жидкости. «Если бы только нам хватало мира и времени», как однажды сказал Эндрю Марвел, мы, может, и обнаружили бы истоки жизни в газах, а не в жидкостях. В реальном космосе, которому всего-то 14 миллиардов лет, астробиологи не рассчитывают когда-нибудь обнаружить жизнь, возникшую внутри газовой среды. Нет — они ожидают, что вся внеземная жизнь, как и земная, полагалась, полагается и будет полагаться на резервуары жидкости, внутри которой с помощью сложных химических процессов разные типы молекул сталкиваются друг с другом и образуют все больше новых химических соединений.

Обязательно ли этой жидкости быть водой? Мы живем на весьма водянистой планете, почти три четверти поверхности которой покрывают океаны. Это делает нас уникальным миром Солнечной системы, а также, вполне возможно, довольно нестандартной планетой с точки зрения всей галактики Млечный Путь. Вода, которая состоит из молекул, составленных из двух самых распространенных химических элементов во Вселенной, имеется как минимум в скромных количествах внутри комет, метеороидов и в большинстве планет Солнца и их лун. С другой стороны, в своем жидком состоянии вода существует ишь на Земле и под ледяной поверхностью крупной луны Юпитера Европы, чьи мировые приповерхностные океаны воды до сих пор являются лишь предположением, а не заверенным фактом. Могут ли другие химические соединения образовать собой более удачный тип жидкости для заполнения ею морей или водоемов поменьше, чтобы затем внутри них молекулы могли поработать над созданием первых форм жизни? Три самых распространенных во Вселенной химических соединения, способных оставаться в жидкой форме при довольно большом диапазоне температур, — это аммиак, этан и метиловый спирт. Каждая молекула аммиака состоит из трех атомов водорода и одного атома азота; молекула этана — из двух атомов водорода и шести атомов углерода; а молекула метилового спирта — из четырех атомов водорода, одного атома углерода и одного атома кислорода. Мы вполне можем включить в список возможных вариантов форм инопланетной жизни существа, которые применяют аммиак, этан метиловый спирт также, как жизнь на Земле использует воду — в качестве основной жидкости, внутри которой, предположительно, когда-то возникла жизнь и которая представляет собой среду для реакций и контактов различных молекул. Им остается лишь плавать в ней и образовывать новые молекулы. Четыре планеты-гиганта Солнечной системы обладают огромными запасами аммиака, а также скромными запасами этана и метилового спирта; а Титан, одна из крупнейших лун Сатурна, вполне может содержать огромные озера жидкого этана на своей жесткой поверхности.

Остановив свой выбор на том или ином конкретном типе молекулы в качестве основы базовой жидкости, без которой невозможна жизнь, мы снова оказываемся перед очередным условием для ее существования: такое жидкое вещество должно оставаться жидким всегда. Мы не предполагаем, что жизнь возникла в вечных льдах Антарктики или в насыщенных водяным паром облаках, потому что нам нужна жидкость, в которой будут активно взаимодействовать молекулы. В условиях атмосферного давления, характерного для поверхности Земли, вода остается жидкой в рамках температурного диапазона от 0 до 100 градусов по шкале Цельсия (это от 32 до 212 градусов по шкале Фаренгейта). Все три альтернативных типа растворителей остаются в жидком состоянии в рамках существенно меньшего температурного диапазона, чем у воды. Так, аммиак замерзает при температуре в 78 градусов по шкале Цельсия и испаряется при 33 градусах. Это не позволяет ему стать главной жидкостью и «водой жизни» на Земле, но в каком-то другом мире, где всегда в среднем на 75 градусов холоднее, чем в нашем, вода как раз совершенно не сгодилась бы в растворители жизни — а вот аммиак был бы настоящей находкой.

Важная отличительная особенность воды заключается не в том, что ее можно смело возвести в ранг «универсальных растворителей мира», о чем нам всем рассказывали на уроках химии, и не в том, что она остается жидкой в столь широком температурном диапазоне. Самое удивительное свойство воды — это тот факт, что в то время, как большинство веществ, включая воду, сжимается и становится плотнее по мере охлаждения, вода, стоит температуре охлаждения упасть ниже 4 градусов по шкале Цельсия, начинает расширяться, становясь все менее плотной по мере приближения температуры к нулю. Затем, стоит воде замерзнуть при нуле градусов по шкале Цельсия, она становится еще менее плотным веществом, чем жидкая вода. Лед не тонет, что само по себе отличная новость для рыб. Зимой, когда температура на улице падает ниже отметки замерзания воды, четырехградусная (по шкале Цельсия) вода уходит на дно водоема и там остается, потому что она плотнее холодной воды, что остается плавать у поверхности. Затем на этой поверхности водоема начинает постепенно формироваться слой льда, который заодно служит природным герметиком для нижнего слоя воды, не давая ее температуре падать еще ниже.