https://www.thermofisher.com/ru/ru/home/products-and-services/promotions/russia-promos.html?cid=PJT6312-WPR2373-russiapromos-FURL-0620-EU
Подписаться
Оглавление
Биомолекула

Альтернативная биохимия

Альтернативная биохимия

  • 842
  • 0,0
  • 9
  • 0
Добавить в избранное print
Обзор

Так может выглядеть жизнь на экзопланете в системе двух звезд

Статья на конкурс «Био/Мол/Текст»: В этой статье я бы хотел рассказать об альтернативной биохимии, которая занимается поиском жизни вне нашей планеты в разных уголках Вселенной. Это один из самых интересных разделов биологии и науки в целом, ведь неизвестное и неизведанное всегда пугало и интересовало людей. Я уверен, что альтернативная биохимия поможет нам хоть чуть-чуть приблизиться к тайнам Вселенной.

Конкурс «Био/Мол/Текст»-2020/2021

Эта работа опубликована в номинации «Свободная тема» конкурса «Био/Мол/Текст»-2020/2021.


BiotechClub

Генеральный партнер конкурса — ежегодная биотехнологическая конференция BiotechClub, организованная международной инновационной биотехнологической компанией BIOCAD.


SkyGen

Спонсор конкурса — компания SkyGen: передовой дистрибьютор продукции для life science на российском рынке.


«Диа-М»

Спонсор конкурса — компания «Диаэм»: крупнейший поставщик оборудования, реагентов и расходных материалов для биологических исследований и производств.


«Альпина нон-фикшн»

«Книжный» спонсор конкурса — «Альпина нон-фикшн»

Земля — единственная обитаемая из всех известных на данный момент планет. Ученые сканируют небо в попытках найти жизнь в космосе, но никаких признаков, хоть отдаленно ее напоминающих, пока нет. Конечно, они не унывают и продолжают свои поиски, но что, если внеземная жизнь скрывается совсем не там, где ее ищут?

Что, если на других планетах жизнь совсем не похожа на земную? Она может настолько отличаться от наших с вами представлений, что мы просто не заметим ее, даже если она будет у нас под носом.

Для внеземных организмов могут оказаться вовсе не обязательными все те химические вещества, без которых жизнь на Земле не может обойтись. Например, углерод, основа всей жизни на Земле, может быть заменен кремнием. Воду можно заменить аммиаком, метаном, цианистым водородом или фтороводородом. Мышьяк может занять место азота. Более того, инопланетная жизнь может не иметь органической природы, а представать в форме шаровой молнии или так называемого Больцмановского мозга.

В этой статье я попробую представить, как бы могла выглядеть внеземная жизнь.

Появление планеты Земля и жизни на ней

Планета Земля. Одна из множества миллиардов планет земной группы, находящихся в галактике Млечный Путь. Такая маленькая, незаметная и беззащитная. Одна из восьми планет Солнечной системы, вращающаяся по своей орбите на расстоянии 150 000 000 км от Солнца. Но именно на этой планете смогла зародиться и развиться жизнь.

Невольно задаешься вопросом, почему это случилось? Почему жизнь на Земле именно такая? Почему основа жизни на ней — углерод, а не другой элемент, и есть ли ему альтернатива? Чтобы разобраться в этих вопросах, нам придется познакомиться сначала с прошлым Земли, понять с чего собственно все начиналось.

Для этого перенесемся на 5 миллиардов лет назад, в то время, когда Земля только образовалась. Как и другие объекты Солнечной системы, она возникла из межзвездного облака пыли и газа, состоящего преимущественно из водорода и гелия [1], [2]. Вскоре ударная волна (скорее всего из-за взрыва сверхновой) заставила это облако уплотняться и вращаться [3]. Именно вращение превратило его в протопланетный диск, перпендикулярный оси своего вращения. Вещество в центре туманности, не имея углового наклона, под силой гравитации начало сжиматься и нагреваться. В результате температура и давление возросли настолько, что началась термоядерная реакция. Так образовалось наше Солнце. В нем атомы водорода начали сливаться друг с другом с образованием атомов гелия и выделением энергии. Эта энергия до сих пор питает жизнь на Земле. Камни, булыжники и астероиды, которые под действием гравитации начали слипаться друг с другом, стали не чем иным, как планетами (рис. 1) [2].

Протопланетный диск

Рисунок 1. Протопланетный диск

Интересно, что все планеты вращаются вокруг Солнца в одну сторону. Почему? Дело в том, что, вращаясь сперва в разных направлениях, крупные тела все время сталкивались друг с другом. Это было похоже на игру в бильярд, только в космических масштабах. В конце концов, после многочисленных столкновений, все молодые планеты стали двигаться в одном направлении.

В самый момент появления Земли она представляла собой полностью расплавленную планету (рис. 2).

Земля в момент её появления

Рисунок 2. Земля в момент её появления

Железо и никель, так как они имеют более высокую плотность, чем силикаты, погрузились вглубь планеты. Именно железо и никель образуют магнитное поле Земли, без которого невозможно было бы развитие жизни [4]. Но это далеко не все. Примерно 4,5 миллиардов лет назад с Землей столкнулась планета, размерами схожая с Марсом (рис. 3) [1].

Столкновение Земли и «Марса»

Рисунок 3. Столкновение Земли и «Марса»

Удар пришелся по касательной, оторвав при этом от нашей планеты довольно большие куски. Со временем эти многочисленные куски вышли на орбиту Земли и слиплись, образовав единственный спутник нашей планеты — Луну. Позднее она сыграет немаловажную роль в зарождении и развитии жизни.

Прошло время, поверхность планеты остыла, но на нее все еще продолжали падать многочисленные кометы и астероиды. Они приносили с собой то, без чего была бы невозможна жизнь на Земле в принципе. Думаю, вы уже догадались: они приносили воду. Пары воды при этом оставались в атмосфере планеты. Это длилось очень долго, но не могло продолжаться вечно. Как только атмосфера Протоземли не смогла больше удерживать такое количество воды, влага начала конденсироваться и изливаться дождем, а точнее потопом, который не прекращался многие миллионы лет. Так на древней Земле образовались океаны. Сперва это был один большой океан зеленоватого цвета из-за растворенных в воде ионов железа, который покрыл собою всю планету. В нем плавали простые органические вещества: белки, жиры, сахара, нуклеиновые кислоты. По одной из теорий, первая клетка представляла собой жировую каплю с нуклеиновыми кислотами внутри нее, ведь белки и нуклеиновые кислоты растворимы в воде, а вот жиры — нет. А поспособствовала этому, как ни странно, Луна. Она многие миллионы лет взбалтывала воды океана, что позволило капле жира и нуклеиновой кислоте образовать одно целое (рис. 4).

Протоклетка

Рисунок 4. Теоретическая протоклетка

Первые на Земле клетки, как предполагает одна из теорий, были гетеротрофными. Они начали поглощать органические вещества «первичного бульона», из которого они и появились. Но вскоре корм закончился, и некоторые клетки, чтобы выжить, в ходе эволюции сами научились вырабатывать органические вещества для своего существования. Для этого им была нужна энергия солнечного света (фотосинтез) или химических реакций (хемосинтез). Так возникли первые автотрофные клетки. И именно эти два типа клеток стали прародителями всего живого на Земле [5].

Проследив за тем, как появились первые живые клетки, мы можем выделить несколько главных элементов, сыгравших в этом процессе ведущую роль:

  1. Вода. Она является растворителем в химических реакциях, происходящих в клетке.
  2. Белки, жиры и нуклеиновые кислоты. Белки служат главным строительным материалом для живых организмов, жиры нужны для создания мембран клеток, а нуклеиновые кислоты хранят генетическую информацию.

Не удивительно, что NASA (Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства) сосредоточено именно на тех местах на других планетах, где возможно существование жидкой воды, и ищет структуры, похожие на земные клетки. Предполагается, что химически жизнь там будет очень похожа на земную . Однако лабораторные эксперименты показывают, что жизнь может основываться на структурах, отличающихся от земных [6].

О том, какова вероятность существования жизни в космосе, и где ее ищут, рассказывает статья Федора Галкина «Дикий-дикий космос» [7]. — Ред.

Альтернативная биохимия: разнообразие жизни в космосе

Все биологические молекулы состоят из шести элементов. Это углерод, водород, кислород, азот, фосфор и сера. Фосфор, например, входит в состав фосфолипидов, которые, важны для работы клеточной мембраны. Азот является компонентом нуклеиновых кислот. Но с другими планетами все намного сложнее. Жизнь на них может быть представлена организмами химически и анатомически схожими с земной, а может быть настолько не похожа на земную, что мы не сможем даже узнать ее, когда встретим. Абсолютное большинство ученых высказалось, что образование органических молекул возможно с помощью других элементов, отличных от земных [8]. Например, возможна замена химических элементов, играющих очень важную роль для живых существ на нашей планете, другими, которые на Земле не представляют большой важности.

Альтернатива углероду

Все живые организмы на Земле состоят из органических соединений. А во все органические соединения входит углерод. Доля углерода в живых клетках примерно 25%. Но можно ли заменить его другими химическими элементами? Пытаясь ответить на этот вопрос, ниже я разобрал несколько самых вероятных «кандидатов» на роль углерода, обратив внимание на их преимущества и недостатки.

Кремний вместо углерода

Кремний рассматривается как самый вероятный «кандидат» на роль структурообразующего вещества в альтернативной биохимии.

Преимущества кремния
Силан

Рисунок 5. Силан, аналог метана

Свойства кремния и углерода во многом схожи, так как оба элемента находятся в одной группе периодической таблицы Менделеева. Кроме того, кремний, как и углерод, способен образовывать четыре устойчивые связи с другими элементами. В пример можно привести как силан (рис. 5) — аналог метана, так и длинные силановые полимеры, очень похожие на биополимеры на основе углерода.

Недостатки кремния

Атомы кремния имеют бóльшую массу и радиус, чем углерод, а потому сложнее создают двойные и тройные ковалентные связи, а значит, хуже образуют биополимеры. Поэтому органические соединения на основе кремния менее распространены в природе, чем соединения на основе углерода.

Силаны, к сожалению, не такие устойчивые, как углеводороды. Всё потому, что кремний является более активным химическим элементом, чем углерод. Силаны имеют свойство самопроизвольно воспламеняться при относительно низких температурах, в присутствии кислорода воздуха. Это значит, что, если жизнь на какой-нибудь далекой планете состоит из кремния, то эта планета, скорее всего, бескислородная, ведь кислород будет очень опасен для «кремниевой» жизни. С другой стороны, силиконы — полимеры, которые включают в себя повторяющиеся цепочки атомов кремния и кислорода, более жаропрочны (рис. 6). Это дает повод думать, что жизнь на основе кремния возможна на планетах с температурой, превышающей земную. Правда, растворителем в клетках тогда должна быть не вода, а жидкость, имеющая бóльшую температуру кипения, например, серная кислота [9], [10]. Соединения кремния в кислоте будут гораздо прочнее.

Структура силиконовых полимеров

Рисунок 6. Структура силиконовых полимеров

Разберем отдельно кремниевый аналог углекислого газа, диоксид кремния (SiO2). Он представляет собой твердое, плохо растворимое вещество и входит в состав песка. Это создает проблемы для его поступления в клетку, так как в воде он практически не растворяется. К тому же живые организмы, состоящие из соединений кремния, наверняка при дыхании будут выдыхать SiO2 наподобие земных организмов, выделяющих углекислый газ (СО2) при дыхании. В отличие от углекислого газа, диоксид кремния — твердое вещество, он просто забьет кремниевым существам легкие песком. Эту проблему можно было бы решить с помощью специальных органов, которые удаляли бы силикатные соединения из организма в виде «геля» или, вообще, в твердом виде. Похожим образом действуют почки, которые удаляют азотные соединения (в основном аммиак — NH3) в виде мочевины.

Стоит отметить, что и на Земле кремний в биологии играет далеко не последнюю роль. Например, из диоксида кремния собирают свой скелет радиолярии, одноклеточные планктонные организмы (рис. 7).

Панцири радиолярий

Рисунок 7. Панцири радиолярий

Из кремния формируют свой панцирь диатомовые водоросли, которые получают этот элемент из воды. 25 ноября 2016 года в журнале Science была опубликована статья, где исследователи сообщили об открытии белков (обычно содержащихся в бактериях исландских горячих источников), которые способны образовывать молекулы с углеродно-кремниевыми связями в клетках [11].

Что же мы можем сказать о жизни на основе кремния? Как считает инженер-химик из Калифорнийского технологического института в Пасадене Френсис Арнольд, «жизнь в нормальных условиях на этой планете, вероятно, не будет работать с кремнием. Предположительно, мы могли бы создать компоненты жизни, включающие кремний — возможно, кремниевый жир или кремнийсодержащие белки, — и спросить, как жизнь с этим связана?.. Обеспечивает ли это новые функции, которых раньше не было в жизни?».

К сожалению, почти все органические соединения на основе кремния, созданные в лаборатории, слишком нестабильны или слишком реактивны. К тому же, некоторые кремниевые аналоги углеродных органических соединений невозможно получить ни при каких условиях. На Земле много кремния и очень мало углерода, но именно на основе углерода на нашей планете смогла зародиться и развиться жизнь. Это указывает на то, что именно углерод больше подходит для зарождения жизни. К тому же во Вселенной углеродные соединения распространены больше, чем кремниевые. При всем разнообразии молекул в космосе, 84 основаны на углероде и только у восьми в основе кремний [8]. Более того, из этих восьми соединений четыре содержат и углерод (что может указывать на промежуточную, кремниево-углеродную альтернативную биохимию). Соотношение углерода к кремнию во Вселенной составляет 10 к 1. Тем не менее вероятность существования кремниевой жизни на планетах с отличающимися от Земли температурой и давлением все еще существует.

Азот и бор вместо углерода

Азот и бор тоже можно считать кандидатами на замену углерода в биомолекулах.

Преимущества азота и бора
Боразол

Рисунок 8. Боразол

Азотофиксирующие бактерии (в том числе цианобактерии) и некоторые водоросли могут усваивать азот из воздуха [12]. Точно так же инопланетная жизнь могла бы усваивать азот из атмосферы. В аммиачной среде она может брать аммиак из воздуха, а фосфор из почвы. В клетках инопланетных растений происходило бы окисление аммиака с образованием земных моносахаридов, а водород выделялся бы в атмосферу. Животные же вдыхали бы водород, окисляли бы моносахариды до аммиака и фосфора, двигаясь как бы в обратном направлении. Если такой «круг» был бы на нашей планете, то место аммиака занял бы метан.

А как же бор, скажете вы? Так как бор вместе с азотом могут имитировать связь углерод—водород, из них можно создать некоторые соединения, похожие на органические, например, боразол3N3Н6, его иногда называют неорганическим бензолом) (рис. 8).

Недостатки азота и бора

В атмосфере Земли азот составляет 78%, но из-за инертности он почти не вступает в химические реакции с другими веществами (в очень редких случаях азот может взаимодействовать с кислородом воздуха; например, во время разряда молнии образуется диоксид азота NO2).

И поэтому, даже обладая способностью к образованию структур, схожих с углеводородными, азот и бор из-за инертности азота никак не смогут создать всё разнообразие молекул, которое возникло на Земле на основе углерода.

Замена фосфора

Замена углерода кремнием — это далеко не предел изысканий в альтернативной биохимии. Есть и более интересные идеи. Заменять можно не только углерод, но и другие химические элементы в органических веществах, из которых состоит жизнь. Например, можно попробовать заменить фосфор элементом с похожими на него свойствами — мышьяком. Как же тогда будет выглядеть жизнь?

Мышьяк как замена фосфора

Мышьяк можно считать одним из самых главных кандидатов на замену фосфора в глубинах космоса.

Преимущества мышьяка

Мышьяк очень похож на фосфор. Поэтому теоретически, он может занимать место фосфора в органических молекулах на других планетах. Пусть органические и неорганические соединения мышьяка ядовиты (например, арсин H3AS является одним из самых сильных неорганических ядов на планете), он включен в биохимию живых организмов на Земле. Потому мышьяк является важным ультрамикроэлементом наравне с селеном, ванадием и хромом. Кстати, необходимая суточная доза мышьяка для человека составляет 10–15 мкг [13]. В небольших дозах некоторые соединения мышьяка способствуют обмену веществ, укреплению костей, благотворно влияют на кроветворную и иммунную системы. Мышьяк, регулируя фосфорно-кальциевый обмен, препятствует потере фосфора организмом. В этом отношении он сродни витамину D. Но в земных организмах мышьяк находится, прежде всего, в неорганических соединениях. Сам человек получает мышьяк с питьевой водой, с пищей (рыба, морепродукты), с винами и соками (из-за использования на виноградных плантациях пестицидов и гербицидов).

Некоторые морские водоросли и беспозвоночные включают мышьяк в комплекс органических соединений, таких как арсеносахара (углеводы с присоединенными к ним соединениями мышьяка), арсенобетаины, арсенохолин и соли тетраметиларсония. Грибы и бактерии могут производить летучие метилированные соединения, включающие в свой состав мышьяк.

2 декабря 2010 года в журнале Science командой во главе с американским микробиологом Фелисой Вулф-Саймон была опубликована статья о термофильных микроорганизмах рода Halomonas штамма GFAJ-1 [14], которые встраивают в свой генетический материал атомы мышьяка .

Подробнее об этом исследовании можно прочесть в статье «Почти детективная история о том, как элемент-убийца помог возникнуть жизни» [15]. — Ред.

Мышьяк здесь занимает место фосфора, так как он обладает схожими с ним свойствами. Но стоит отметить, что через два года после выхода статьи несколько групп ученых независимо друг от друга опровергли существование биологически значимого мышьяка в ДНК клеток [16].

Недостатки мышьяка

Дискуссии насчет мышьяка как замены фосфора ведутся до сих пор. Среди доводов со стороны скептиков: соединения на основе мышьяка крайне неустойчивы. Но это не отменяет возможность существования жизни, основанной на мышьяке, на других планетах (рис. 9).

ДНК с мышьяком

Рисунок 9. Вот так примерно должна выглядеть ДНК с мышьяком

Замена кислорода

Кроме углерода и фосфора есть и другие элементы, пригодные к замене в биомолекулах. Например, можно попробовать заменить кислород. Существует два самых вероятных «кандидата», которые могут стать его альтернативой.

Сера как замена кислорода

Сера считается одним из самых вероятных претендентов на роль кислорода для инопланетной жизни.

Преимущества серы

Интересной особенностью серной кислоты является то, что она становится кислотой только в присутствии воды. Молекулы воды не будут выделяться при полимеризации органических веществ, если вместо атомов кислорода в молекулах будут находиться атомы серы. Такие организмы смогут обитать в океане из серной кислоты при температурах, намного превышающих привычные температуры на Земле.

Есть большая вероятность существования жизни, использующей серу вместо кислорода. Иногда говорят о возможности существования такой жизни на Венере. Пусть условия на ней, мягко говоря, не самые приятные, там есть соединения сероводорода (H2S) и диоксида серы (SO2), которые не могут уживаться друг с другом, если их кто-то или что-то постоянно не производит.

Также, теоретически, возможна замена кислорода и на другие халькогены (элементы главной подгруппы VI группы таблицы Менделеева). Это селен (Se), теллур (Te), полоний (Po) и искусственно полученный радиоактивный элемент ливерморий (Lv), но их содержание в природе для этого очень мала.

Недостатки серы

Отсутствие кислорода в атмосфере планеты, где сера встанет на его место, будет означать отсутствие озонового слоя, защищающего планету от жесткого ультрафиолета, а это создаст большие проблемы при выходе живого из океана на сушу.

Фтор как замена кислорода

Кислород и фтор — «соседи» по таблице Менделеева. В атоме кислорода 8 электронов, а в атоме фтора — 9. Но для нас кислород — это жизнь, а фтор в чистом виде — смертельный яд. Дозы фтора в 5–10 г для человека смертельны [17].

Несмотря на это, теоретически, жизнь на основе фтора вполне возможна. Правда моря и океаны на планете с такой жизнью должны состоять не из воды (для фтора это растворитель страшной силы), а из жидкого фтористого водорода, то есть плавиковой кислоты. На нашей планете плавиковая кислота легко разъедает практически все минералы [18].

Преимущества фтора

Фторсодержащие растения, как и земные, будут осуществлять фотосинтез. Расщепляя с помощью света своей звезды фтористый водород вместо воды, они будут выделять свободный фтор [18]. Этим фтором в смеси с азотом будут дышать животные — подобно тому, как мы с вами дышим смесью кислорода и азота. А выдыхать они будут не углекислый газ, а фтористый углерод в смеси с фтористым водородом. Отличный пример такого развития жизни — инопланетная цивилизация гуманоидов из повести «Сердце Змеи» Ивана Ефремова.

Недостатки фтора

У персонажей Ефремова были по отношению к землянам вполне дружелюбные намерения. Но, даже если в действительности это было бы не так, землянам опасаться нечего: фтор, в отличие от кислорода, далеко не самый распространенный элемент во Вселенной. А уж количество планет с подходящими для «фторных» организмов условиями жизни и вовсе в миллионы раз меньше, чем для «кислородных» [18].

Замена воды

Вода — с виду такое простое, но такое необходимое вещество на Земле. Ведь жизнь на нашей планете зародилась и развивалась бóльшую часть своей истории именно в воде. И именно там обитает большая часть живых организмов на данный момент. Я уверен: не было бы воды, не было бы жизни. Но существует ли замена воде? Что может составить ей конкуренцию? Может быть, вода является незаменимой составляющей жизни не только на Земле, но и во всей Вселенной? Чтобы это понять, нужно разобраться, что делает воду такой особенной.

Вода играет на Земле роль универсального растворителя. Ведь именно в водной среде происходят химические реакции внутри клетки. Уникальность воды в том, что она способна хорошо растворять как неорганические, так и органические вещества. Благодаря водородным связям вода остается жидкой в довольно большом диапазоне температур. Также вода амфотерна. Это значит, что она может и отдавать, и принимать протон, что позволяет ей быть как кислотой, так и основанием. Все это вместе дало возможность зародиться и развиться жизни на нашей планете. Еще одно уникальное свойство воды состоит в том, что ее твердое состояние (лед) обладает меньшей плотностью, чем вода в жидком состоянии, поэтому лед всегда находится на поверхности воды. Если бы лед опускался на дно, это бы очень мешало развитию жизни на Земле. Корка льда на поверхности защищает живые организмы от холода и сохраняет температуру воды в водоеме положительной. Есть ли в природе вещества, похожие по своим свойствам на воду? Да, такие вещества есть, и одно из них — это аммиак.

Аммиак как замена воды

Аммиак часто рассматривается как альтернатива воде.

Преимущества аммиака

Аммиак, так же как и вода, широко распространен во Вселенной (так как это соединение водорода — самого распространенного вещества во Вселенной). При земном давлении и температуре аммиак находится в жидком состоянии, как и вода (рис. 10).

Планета, на которой аммиак исполняет роль воды

Рисунок 10. Примерно так должна выглядеть планета, на которой аммиак исполняет роль воды

Аммиак способен растворять органические вещества и многие металлы, а также в аммиаке могут протекать многие химические реакции, как и в водной среде. Он способен как отдавать, так и принимать ион водорода. В первом случае образуется анион амида — аналог OH-группы. Во втором случае образуется катион аммония, аналогичный гидронию. Так как карбонильная группа (C=O) не будет устойчива на планете с океаном из аммиака, жизнь в аммиачной среде, скорее всего, будет построена на основе аминогруппы (C–NH).

Недостатки аммиака

Аммиак имеет свои недостатки. Во-первых, водородные связи у него слабее, чем у воды. Это значит, что поверхностное натяжение аммиака будет в три раза меньше, а теплота испарения вдвое меньше. Во-вторых, твердый аммиак при замерзании тонет, а не плавает на поверхности. Поэтому океан из аммиака при низких температурах будет промерзать до дна.

Нельзя исключать существование инопланетной жизни на основе аммиака в смеси с водой. При этом, так как температура кипения аммиака ниже, чем у воды, метаболизм (обмен веществ) у таких организмов будет медленнее, чем у организмов на Земле (химические реакции протекают медленнее при низких температурах). Зато жизнь на таких планетах сможет существовать при давлении во много раз больше земного, ведь при большом давлении и земной температуре аммиак будет жидкостью. Жизнь на основе аммиака может существовать и в Солнечной системе. Так как аммиак остается жидкостью при температурах, более низких, чем вода, жизнь на его основе возможна, например, на Титане, спутнике Сатурна.

Метан как замена воды

Кроме аммиака функции воды могут взять на себя метан или этан. Метан и этан образуют целые реки и озера на поверхности Титана (рис. 11).

Метановые и этановые озера на Титане

Рисунок 11. Метановые и этановые озера на Титане. Радиолокационное изображение с «Кассини», 2006 год.

Организмы, появившиеся в таких реках, должны будут поглощать водород вместо кислорода, а в результате обмена веществ получать метан, а не углекислый газ.

Преимущества метана

Метан менее реактивный, чем вода, что позволяет легче образовываться в нем органическим веществам, например белкам. Это означает, что жизнь на основе метана возможна при давлении и температурах, крайне отличающихся от земных.

Недостатки метана

Однако нельзя забывать, что вода — более сильный растворитель, чем метан, что позволяет ей растворять и переносить вещества в клетку. Метан с этим не справится, но помочь ему вполне способен фосфин (РН3). Тем более что в метане фосфин принимает форму пузырьков, которые могут заменить мембраны альтернативным живым клеткам.

Нехимические формы жизни

Проблема большинства ученых, занятых поисками внеземной жизни, в том, что они забывают, насколько разнообразной она может быть. Если же живое в космосе окажется неорганическим, мы его просто не узнаем.

Астроном Фрэнк Дрейк предположил существование живых организмов внутри нейтронных звезд. Они могут состоять из атомов звезды, и жизненный цикл у них будет идти в миллионы раз быстрее, чем у земных существ. Карл Саган в 1976 году предполагал существование организмов, летающих в верхних слоях Юпитера и других планет-гигантов. Константин Циолковский считал, что жизнь может представлять собой любую систему, способную к сохранению формы и самовоспроизведению, например плазмиды (шаровые молнии). Но один вид нехимической жизни я считаю наиболее интересным и заслуживающим особого внимания. И это Больцмановский мозг.

Больцмановский мозг

Больцмановский мозг — это гипотетический объект, самопроизвольно собравшийся во Вселенной и способный осознавать свое существование. Этот объект может появиться буквально из чистого вакуума благодаря флуктуации (отклонению случайной величины от среднего значения в квантовой механике). И об этом я бы хотел поговорить поподробнее.

Говоря о Больцмановском мозге, мы должны мысленно перенестись на много миллиардов лет вперед, а если точнее, то на 103003 лет в будущее. К тому времени из-за исчерпания межзвездного газа перестанут появляться звезды, и Вселенная погрузится в полную и вечную тьму. Вся материя, из которой состоит все, что нас окружает, разложится на атомы, а они, спустя какое-то время (примерно через 1041 лет), распадутся на субатомные частицы (кварки и электроны) и фотоны света. Черные дыры — единственные к тому времени оставшиеся космические объекты во Вселенной, — и те в конце концов испарятся из-за излучения Хокинга [20]. И Вселенная будет представлять собой одно пустое пространство с лишь изредка встречающимися протонами (если они к тому времени не распадутся), кварками и одинокими фотонами света. Это будет пространство с очень высокой энтропией (беспорядком), или так называемый де-ситтеровский вакуум.

Очень редко в таком вакууме может происходить флуктуация, тогда энтропия понижается. Материя при этом может слипнуться и образовать сложные структуры. Даже структуры наподобие мозга, осознающего свое существование [21]. Это ни в коем случае не нарушает второй закон термодинамики: никто не отрицает, что появление Больцмановского мозга — очень большая редкость. По словам Андрея Линде, советского и американского физика, профессора Стэнфордского университета, подобные события происходят примерно раз в 101050 лет [22]. Однако, биологический мозг, такой, как наш, все равно проигрывает Больцмановскому. Удивительно, но его возникновение еще менее вероятно. Дело в том, что время, за которое мог бы развиться биологический мозг в результате эволюции, конечно. А предположительное время существования де-ситтеровского вакуума в конце «жизни» Вселенной бесконечно (если теория тепловой смерти Вселенной верна). Это делает Больцмановский мозг не таким уж фантастически невероятным.

Признаться честно, я не хотел бы быть Больцмановским мозгом. Ведь, скорее всего, это будет что-то похожее на сгусток материи с вращающимся вокруг него межзвездным газом. Я думаю, что такой мозг не сможет воспринимать информацию извне (видеть, слышать, обонять, осязать и ощущать вкус) или двигаться, а только мыслить. Скорее всего, такой «мозг» будет жить очень долго, пока второй закон термодинамики все же не убьет его, превратив в отдельные нуклоны, из которых он и появился. Конечно, говорить о Больцмановском мозге всерьез пока не представляется возможным. Это лишь гипотеза, не подтвержденная доказательствами, и она вряд ли когда-нибудь подтвердится. Но зато эта гипотеза вселяет надежду в то, что жизнь не прекратит появляться после исчезновения звезд, спутников, планет и нас, в конце концов.

Трудности колонизации

Хиральность — это свойство молекул не совмещаться в пространстве со своим зеркальным отражением. Если взять одну хиральную молекулу и начать как угодно переворачивать: вверх, вниз или на 180 градусов, ее никогда нельзя будет совместить с ее зеркальной копией. Самый простой пример, который можно привести — это правая и левая рука. Как бы вы ни поворачивали левую руку, она никогда не станет похожа на правую. Такие молекулы называются энантиомерами (рис. 12).

Энантиомеры ибупрофена

Рисунок 12. Энантиомеры ибупрофена

Энантиомеры — это близнецы, которые не могут общаться между собой, иными словами, все «левые» молекулы не могут взаимодействовать с «правыми». Это свойство играет очень большую роль в фармакологии. Ведь если сделать лекарственный препарат хиральным к молекулам, из которых состоит человеческое тело, то лекарство просто не будет иметь никакого действия, так как оно не сможет взаимодействовать с веществами в организме человека.

Именно с этой проблемой может столкнуться человек на другой планете, если на ней будет существовать жизнь. Если человек высадится на планете, где хиральность всех молекул противоположна его собственной, он просто умрет от голода, ведь никакая еда на этой планете не будет усваиваться его организмом [23]. В будущем это может сыграть очень большую роль в жизни космических колонистов.

А теперь я предлагаю вместе представить, как может выглядеть внеземная жизнь, с которой нам когда-то предстоит встретиться.

Жизнь на других планетах, какая она?

Галактика Млечный Путь, в которой находится наша Солнечная система, по приблизительным подсчетам содержит 200–400 миллиардов звезд [24]. Большинство из них наверняка будут иметь хотя бы одну планету. А значит, можно предположить, что хотя бы на некоторых из них будут все необходимые условия для зарождение жизни. Но как будет выглядеть такая жизнь, на каких типах планет будет возможно ее существование, как планета и условия на ней будут влиять на эволюцию и возможно ли появление жизни не на планетах, а на других космических объектах? Ниже я попытался ответить на эти вопросы.

Двойники Земли

Двойники Земли — это гипотетические экзопланеты земного типа, которые имеют примерно такую же массу, диаметр, гравитацию и лежат в так называемой зоне Златовласки (или зоне обитаемости), то есть в зоне, где вода находится в жидком состоянии (рис. 13). Иными словами, планета-двойник должна быть во всём схожа с Землей.

Kepler-186f

Рисунок 13. Экзопланету Kepler-186f можно считать двойником Земли

Очень сложно подсчитать количество таких двойников хотя бы в нашей галактике. Если верить теории уникальности Земли, ее двойники встречаются очень редко; еще более редки подходящие планеты, где есть жизнь, которая должна быть очень похожа на нашу, и где эволюция может пойти по тому же пути, что на Земле.

Очевидно, что поиск таких планет интересен людям в первую очередь с точки зрения заселения новых территорий в будущем [25].

Планеты с малой гравитацией

Такие планеты должны иметь массу в несколько раз меньше массы Земли. Отличным примером является знакомый нам Марс (рис. 14).

Марс

Рисунок 14. Марс можно отнести к планетам с маленькой гравитацией

Жизнь на Марсе и других небольших планетах должна сильно отличаться от жизни на Земле. Из-за небольшой гравитации живым организмам там не нужны будут прочные кости и сильные мышцы, ведь им не придется бороться с большой силой тяжести. Поэтому гипотетические марсиане — это худые существа с очень тонкими и длинными конечностями. Костно-мышечная система у них, скорее всего, развита намного хуже, чем у земных организмов. Для жизни им нужно меньше энергии, тепла и пищи. Их сердце бьется реже и перекачивает меньше крови (рис. 15) [25].

Именно так могут выглядеть жители планет с маленькой гравитацией

Рисунок 15. Именно так могут выглядеть жители планет с маленькой гравитацией. Вероятно, они очень сильно будут напоминать тех самых «зеленых человечков», которых мы очень много раз видели в фильмах и сериалах об инопланетянах.

Суперземля

Большинство экзопланет земного типа, найденных на данный момент, — это суперземли, планеты с массой в 1,2–5 раз больше, чем у Земли (рис. 16).

Суперземля

Рисунок 16. Суперземля

А чем больше масса, тем больше гравитация. Из-за увеличенной гравитации большинство обитателей суперземель должны походить на пресмыкающихся. Больших животных, таких как слоны, там не будет в принципе, они просто не выживут в таких условиях. Чтобы сердце смогло противостоять большой силе тяжести и могло нормально перекачивать кровь по телу, оно должно быть в несколько раз больше, чем сердца сходных по массе земных животных. Костям в одиночку сложно будет справиться с супергравитацией, поэтому большое значение приобретут мышцы: мышечная масса будет преобладать над костной (рис. 17) [25].

Вот так могут выглядеть рептилии на суперземле

Рисунок 17. Вот так могут выглядеть рептилии на суперземле — их мышечная масса будет преобладать над костной

Горячие планеты

Жители тропиков могут со мной не согласиться, но в масштабах Вселенной Земля считается довольно холодным местом. Жизнь на основе углерода может существовать и в более жарких местах. Конечно, она будет иметь ряд особенностей. Тела обитателей горячих планет будут покрыты защитой, скорее всего, каким-нибудь панцирем, который должен оберегать от высокой температуры и обжигающих лучей, исходящих от близко расположенной звезды. Возможно, у них будет что-то вроде второй кровеносной системы, отводящей тепло к коже. Своеобразный холодильник, где хладогенная жидкость забирает у тела тепло и отдает его окружающей среде (рис. 18) [25].

«Горячая» планета

Рисунок 18. «Горячая» планета

Холодные планеты

Если есть горячие планеты, значит, есть и холодные, расположенные далеко от родных звезд. Взять хотя бы спутники планет-гигантов, например Европу, спутник Юпитера, или Энцелад, спутник Сатурна [26].

Вода на холодных «Землях» (если она есть) покрыта многокилометровым слоем льда. На поверхности таких планет жизни нет и не может быть, но в подледном океане она вполне возможна (рис. 19).

«Холодная» планета

Рисунок 19. «Холодная» планета

Так как фотосинтез на такой планете будет невозможен (по вполне понятной причине), вероятнее всего, жизнь на ней будет использовать хемосинтез. Это схожий с фотосинтезом процесс, только в его основе лежит энергия, выделившаяся при реакции окисления органических веществ, а не энергия света.

Я предполагаю, что на холодной «Земле» будут распространены только три вида хемосинтетиков:

  • железобактерии, которые окисляют двухвалентное железо до трехвалентного;
  • серобактерии, которые окисляют сероводород до молекулярной серы или до солей серной кислоты;
  • нитрифицирующиехемосинтетики, которые окисляют образовавшийся при гниении органикиаммиак с получением сперва азотистой и азотной кислот, а затем — нитратов и нитритов.

Хемосинтетики будут обитать, прежде всего, у геотермальных источников, там, где теплее, ведь мы знаем, что при более высоких температурах обмен веществ идет быстрее. Кроме того, там можно найти все необходимые для хемосинтеза элементы.

Вполне вероятно, что организмы подледного океана будут очень похожи на земную глубоководную жизнь. На дно океанов не попадает солнечный свет, что ставит их жителей в похожие условия [25].

Водные планеты

Из тысячи экзопланет, найденных на данный момент, многие лежат в зоне Златовласки, то есть вода на них будет жидкой. Считается, что большинство из таких планет полностью покрыты водой (рис. 20).

Раньше ученые склонялись к тому, что жизнь на таких планетах невозможна из-за давления, которое оказывает вода. Но сегодня мы знаем, что на Земле даже глубоко на дне океана кто-то живет. Отличный пример — Марианская впадина. Там настолько большое давление, что человек не продержался бы там и секунды. Но и там есть живые организмы. В их телах такое же давление, какое оказывает на них вода на такой огромной глубине (глубина Марианской впадины примерно 11 километров, а давление составляет 1072 атмосферы [27]). Поэтому нет повода отрицать возможность жизни в полностью «водном» мире [25].

Звезда

Звезды — это огромные сгустки плазмы в космосе (рис. 21). Их температуру нам сложно даже представить. Например, поверхность Солнца раскалена до 6000 градусов, а ядро — до 13,5 миллионов градусов [28].

Солнце

Рисунок 21. Солнце — одна из триллионов звезд во Вселенной

Органическая жизнь там никогда не возникнет. Но, как мы выяснили, жизнь может быть не только органического происхождения. В частности, Нил Деграсс Тайсон предполагает, что на звездах могут существовать некие энергетические формы жизни, зародившиеся в результате реакций. Нет, такое вещество получали и на Земле в адронных коллайдерах, но на Солнце, с его давлением и температурой, жизнь таких вот «атомов» может быть заметно продлена. Это странно, но кто сказал, что жизнь должна быть только такой, какой мы ее знаем. Просто пока сложно свыкнуться с идеей о ней [25].

Жизнь на планетах с разными звездами

Жизнь на планете зависит не только от ее массы и диаметра, но и от типа звезды, которая ее освещает. Например, Солнце освещает Землю по большей части в диапазоне 500 нм (вот почему Солнце кажется нам желтым, ведь желтый свет находится примерно в этом спектре излучений). Но другие «Солнца» способны излучать в совсем других спектрах. Например, небольшие звезды могут излучать в инфракрасном спектре (рис. 22).

Звезда, излучающая свет в инфракрасном спектре

Рисунок 22. Звезда, излучающая свет в инфракрасном спектре

Кожа обитателей таких вот звездных систем будет красной, а их глаза будут очень большими, чтобы лучше друг друга видеть, прямо как в сказке про Красную Шапочку. Не помешает им и повышенная светочувствительность [25].

Коричневые карлики

Коричневые карлики — это недосформировавшиеся звезды (рис. 23).

Коричневый карлик

Рисунок 23. Коричневый карлик

Обычно по размеру они представляют собой что-то среднее между планетой-гигантом и звездой. Несмотря на свою незавершенность, коричневые карлики имеют благоприятные условия и ресурсы для зарождения одноклеточной жизни: подходящую температуру и набор необходимых элементов (например, водород, кислород и углерод). Если прибавить сюда атмосферу, а значит и ветра, на карликах смогут появиться и более сложные организмы. Например, летающие по воздуху большие животные вроде китов. Ведь, летая, легче искать пропитание на поверхности планеты (рис. 24) [25].

Вот так могут выглядеть летающие «киты» на коричневых карликах

Рисунок 24. Вот так могут выглядеть летающие «киты» на коричневых карликах

Заключение

Итак, что же можно сказать в заключение? Конечно, большая часть сказанного здесь — всего лишь догадки, не более. Что же полезного может принести альтернативная биохимия? Можно ли применить ее на практике? Безусловно, да!

Прежде всего, альтернативная биохимия помогает понять нашу земную биологию и химию. Лучше разобраться в том, как зародилась и развивалась жизнь на нашей родной планете, понять механизмы эволюции на Земле, как на ней развивалась, развивается и будет развиваться жизнь. Уже знакомое нам свойство энантиомеров можно использовать в фармакологии для производства лекарственных препаратов.

Пусть сегодня мы располагаем одними теориями, завтра все может измениться. Кто знает, может быть, через сотни или тысячи лет человечество вступит в какое-нибудь межгалактическое сообщество, как во Вселенной игры Mass Effect (рис. 25).

Заседание галактического совета

Рисунок 25. Заседание галактического совета

Такое сообщество будет напоминать ООН, только вместо наций в него будут входить внеземные цивилизации. Лично я уверен, что мы не единственные разумные существа во Вселенной, и встреча с расами из других миров — это лишь вопрос времени. А занимаясь альтернативной биохимией, мы незаметно приближаем этот день встречи. Как говорится, всё начинается с мечты! И я уверен, этой мечты мы обязательно достигнем!!!

Литература

  1. Хейзен Р. История Земли. От звездной пыли — к живой планете. Первые 4 500 000 000 лет. М.: «Альпина Нон-фикшн», 2017. — 364 с.;
  2. Encrenaz T. The solar system (3rd Edition). Berlin: Springer, 2004. — 89 p.;
  3. Matson J. (2010). Luminary lineage: did an ancient supernova trigger the Solar system's birth? Scientific American;
  4. Frankel C. Volcanoes of the Solar system. Cambridge University Press, 1996;
  5. Futuyma D.J. Evolution. Sunderland, Massachusetts: Sinuer Associates Inc., 2005;
  6. Смотрова Е. (2017). Космос в пробирке: что могут рассказать аминокислоты о жизни на других планетах. RT;
  7. Дикий-дикий космос;
  8. Lazio J. (2014). F.10. Why do we assume that other beings must be based on carbon? Why couldn't organisms be based on other substances? [sci.astro] ET Life (Astronomy Frequently Asked Questions);
  9. Gillette S.L. and Bova B. World-Building. Writer's Digest Books;
  10. Exotic life beyond Earth? Looking for life as we don’t know it. (2009). Europlanet;
  11. Baggaley K. (2016). Looking for silicon-base dalien life? Don't hold your breath. Popular Science;
  12. Смирнова Г.Ф. (2010). Особенности метаболизма бактерий, восстанавливающих хлораты и перхлораты. «Мікробіологічний журнал». 4, 22–28;
  13. Копылов Н.И. и Каминский Ю.Д. Мышьяк. Новосибирск, 2004;
  14. F. Wolfe-Simon, J. S. Blum, T. R. Kulp, G. W. Gordon, S. E. Hoeft, et. al.. (2011). A Bacterium That Can Grow by Using Arsenic Instead of Phosphorus. Science. 332, 1163-1166;
  15. Почти детективная история о том, как элемент-убийца помог возникнуть жизни;
  16. Клещенко Е. (2012). Две дамы, ДНК и мышьяк. «Химия и жизнь». 3;
  17. Фтор. Himya;
  18. Альтернативная биохимия — изучение возможных форм жизни на других планетах. «Мир знаний»;
  19. Альтернативная биохимия в фантастических произведениях. (2011). 4108.ru;
  20. Don N. Page. (1976). Particle emission rates from a black hole: Massless particles from an uncharged, nonrotating hole. Phys. Rev. D. 13, 198-206;
  21. Кэрролл Ш. Вечность. В поисках окончательной теории времени. СПб.: «Питер», 2017. — 512 с.;
  22. Andrei Linde. (2007). Sinks in the landscape, Boltzmann brains and the cosmological constant problem. J. Cosmol. Astropart. Phys.. 2007, 022-022;
  23. Испаилова С.Т. Об асимметрии живого (3-е изд.), т. 2. М.: «Аванта+», 1996. — 704 с.;
  24. How Many Stars are in the Milky Way?;
  25. Как могут выглядеть жители других планет. Youtube;
  26. Chela-Flores J. Terrestrial microbes as candidates for survival on Mars and Europa. In: Journey to diverse microbial worlds: adaptation to exotic environments / ed. by Seckbach J. Springer, 2000. — P. 387–398;
  27. McKenna A. (2020). Mariana Trench. Encyclopaedia Britannica;
  28. Лившиц М.А. Солнце. «Астронет».
https://www.dia-m.ru/news/programma-vebinarov-i-meropriyatiy-diaem/

Комментарии