ВАРИАНТЫ ВНЕЗЕМНОЙ ЖИЗНИ

Выше мы рассмотрели жизнь в условиях Земли. Возможна ли жизнь в других условиях, когда, например, нет воды, зато много аммиака или кремния? Можно рассматривать и другие варианты, например возможность жизни при низких температурах и т. п.

Напомним еще раз, что в основе жизни на Земле лежит углерод, он образует молекулярные цепочки. Вторым важным (необходимым) элементом жизни является вода. Она служит биологическим растворителем. Собственно, растворитель — это все. Он определяет весь химический характер жизни. Из растворителя — воды образуются и водород, и гидроксил, и кислород. Все они входят в состав живого вещества. Определяющей в данном случае является водородная связь. Она важна для структуры белков, нуклеиновых кислот и других органических соединений. Что же касается аммиака NH3 и ортофосфорной кислоты H3PO4, то они дают положительные ионы для образования связей при поликонденсации белков и нуклеиновых кислот. Эти связи создаются в реакции нейтрализации. При этом кислота и основание соединяются с образованием соли и воды. Напомним, что кислота и основание относятся к воде как к нейтральному веществу. Вода для них является родительским растворителем. Но только ли вода? Нет ли других веществ, которые выполняли бы такие же функции? Мы покажем, что такие вещества есть.

При усвоении органических соединений протекают процессы, которые по своей сути являются обратными процессу поликонденсации. Молекулы органических соединений распадаются в процессе гидролиза. При этом потерянная молекула воды вновь распределяется между остатками кислот и основания. Как мы уже видели, живые системы черпают энергию, которая высвобождается в реакциях окисления и брожения. Эти реакции относятся к воде подобным же образом. Поэтому вода с углекислым газом является конечным продуктом происходящего при реакции распада веществ. Нелишне напомнить, что при эволюции земной атмосферы она меняла свой состав от восстановительного до окислительного именно посредством воды. Ведь и углекислый газ, и свободный кислород являются продуктами различных преобразований воды, различных реакций. Можно даже сказать, что мы дышим кислородом, потому что мы пьем воду.

Не менее важны и металлы. Они являются катализаторами. Неметаллы также входят в живые организмы. Но они в основном заменимы (одни другими), кроме азота и фосфора.

Жизнь в активной форме возможна до тех пор, пока раствор (вода) остается в жидком состоянии. Это возможно в диапазоне температур от –20 до +100 °C. Правда, высшая температура (температура кипения) зависит от давления. Чем ниже давление, тем меньше эта предельная температура. При высоких температурах большинство органических соединений разлагается. Но при низких температурах границы для существования скрытой жизни практически нет. Из всего сказанного следует очень важный вывод: диапазон температур, в котором возможна жизнь, зависит от химического состава. В нашем земном варианте жизни при высоких температурах разрушается химическая основа цепочек и колец, которая состоит из связанных друг с другом углеродных атомов. Но жизнь в других местах Вселенной не обязательно основана на углеродных соединениях. Поэтому и роль температуры там может быть иной. Известно, что образовывать цепочки может не только углерод. Это могут делать и другие элементы, особенно элементы IV группы. Они характеризуются тем, что у них на внешней оболочке имеется четыре электрона. Это значит, что там остаются еще четыре вакансии. Поэтому и создается валентность или, чаще, ковалентность, которая равна четырем. Напомним, что ковалентность — это такая связь, когда электроны внешней оболочки распределяются между обоими атомами. При такой симметрии сцепление атомов между собой очень прочное.

У углерода ковалентная связь легче всего устанавливается с атомами водорода или же с другим углеродным атомом. Связь углерода с углеродом (С — С) очень стабильна. Ее прочность не уступает прочности связи углерода с другими элементами. Поэтому углерод и может образовывать крупные молекулы полимеров большого молекулярного веса, которые стабильны в своей основе настолько, что их устойчивость соответствует требованиям живых систем. Одновременно они достаточно нестабильны в боковых ответвлениях для того, чтобы они могли быстро реагировать на изменения условий (физических и химических) в окружающей среде. Можно сказать, что, с одной стороны, они прочные, а с другой стороны, высокочувствительные. Такие молекулы непрерывно обновляются. Поэтому их называют лабильными. По сути именно лабильность составляет химическую сущность жизни.

Энергия высвобождается следующим образом. Когда разрушаются метастабильные молекулы, у которых велика теплота образования, значительное количество энергии высвобождается легко. Наиболее типичной молекулой этого класса является глюкоза (С6Н12О6). В органических реакциях, проходящих на земле, растворителем является вода. Если растворителем является не вода, то вся химия будет другой. У органических систем, которые основаны на другом растворителе, основной элемент молекулярных цепей также другой (не углерод). Для рассматриваемой нами проблемы это крайне важно.

Для земной жизни растворителем является вода. Это нейтральное вещество, которое в равной мере является кислотой и основанием. Это возможно потому, что она сама по себе может производить диссоциацию (разрыв молекулы). Можно сказать, что вода образует ионный раствор в самой себе. Ионами являются Н+ (протон) и НО— (гидроксил). Первый ион характеризует воду как кислоту, а второй — как основание. Ион Н+ обычно присоединяется к молекуле воды. При этом образуется гидроксоний Н3О+. Затем он вступает в реакцию и высвобождает ион Н—. Все указанные атомы и группы находятся в воде в состоянии динамического равновесия.

Попробуем воду заменить жидким аммиаком. В принципе он ведет себя подобным же образом. Так, он диссоциирует (разрывается) на ионы Н+ и NH2—. Затем ион Н+ соединяется с молекулой аммиака NH3 и образует аммоний NH4+. Подобным образом ведут себя и другие растворители, которые сами способны создавать в себе ионы. Кислота — это вещество, которое путем прямой диссоциации или при взаимодействии с растворителем образует положительный ион, который характерен для данного растворителя. Для воды и аммиака это Н+. Основание — это вещество, которое дает аналогичным образом отрицательный ион. Для воды это НО, а для аммиака — NН2.

Когда кислота нейтрализуется основанием, положительный ион основания присоединяется к отрицательному иону кислоты (его называют остатком или радикалом), образуется соль. Одновременно отрицательный ион основания соединяется с положительным ионом кислоты. В результате образуется молекула растворителя. В том случае, когда электрический заряд иона является кратным, для его нейтрализации (уравновешивания) необходимо иметь столько же зарядов противоположного знака. Например, при реакции двуокиси углерода с аммиаком в воде образуется углекислый аммоний (NН4)СО3. Но для этой реакции присутствие воды обязательно. Без воды СО2 и NН3 не взаимодействуют (по терминологии химиков «не реагируют»).

В родительском растворителе частично диссоциирует и соль. Так, отдельные молекулы соли распадаются на ионы. В случае углекислого аммония такими ионами являются 2NH4+ и СО32-. Это жидкость. Она обладает очень высокой электропроводностью, которая больше электропроводности чистого растворителя. Такая жидкость называется электролитом. Электролит должен (обязан) содержать в себе ионы. Если в жидкости нет ионов, она никогда не будет электролитом. В так называемом родительском растворителе ионные растворы дают кислоты, основания и соли, и только. Но в других растворителях ионные растворы могут вообще не давать ионов. Правда, они могут образовывать другие ионы.

Специалисты особо выделяют эффективные растворители из всех остальных. Эффективный растворитель должен растворять (эффективно!) большой ряд веществ. Для нас это вещества, которые могут создавать основу органических или псевдоорганических систем.

Растворы данного типа должны быть ионными. Это может реализоваться или вследствие способности растворителя разрушать полярные ковалентные связи растворенного вещества (так действует вода, когда притягивает местные избыточные заряды в молекуле Н3РО4), или вследствие химического сродства ионов растворителя и растворенного вещества.

Для того чтобы молекула растворителя могла разрывать полярные ковалентные связи, она сама должна иметь сильный неском-пенсированный электрический заряд на своих «полюсах». При этом она должна оставаться в целом нейтральной. Другими словами, она должна обладать дипольным моментом. Для того чтобы эти связи оставались разорванными, необходимо, чтобы растворитель был хорошим изолятором. В противном случае разноименные заряды устремятся навстречу друг другу, и диполя не станет. Это свойство характеризуется диэлектрической постоянной («ди» означает «два», то есть плюс и минус). Чем больше сила взаимодействия двух электрических зарядов, которые находятся в жидкости на определенном расстоянии, тем меньше диэлектрическая постоянная. Электролитический растворитель еще характеризуют вязкостью. Такой раствор должен обладать хорошей текучестью (малой вязкостью). В противном случае ионы не смогут достаточно свободно перемещаться. В результате все реакции будут протекать медленно.

Хороший электролитический растворитель может быть или выравнивающим, или дифференцирующим (то есть делящим). Если растворитель выравнивающий, то в нем разные растворенные вещества создают электролиты примерно одинаковой силы. У них степени ионной диссоциации сравнимы. Такими являются высокополярные растворители с большим дипольным моментом: вода и аммиак. В дифференцирующем растворителе сила электролита сильно меняется в зависимости от растворенного вещества. То есть растворитель реагирует дифференцированно на разные вещества, он их различает, разделяет. Примером таких растворителей являются некоторые амины и галоидозамещенные углеводороды, такие как метиламин СН32 и хлороформ СНСl3.

Кроме этого, хороший биологический растворитель должен обладать высокой удельной теплоемкостью, а также большой скрытой теплотой превращения. Что касается удельной теплоемкости, то она представляет собой количество тепла в калориях, которое необходимо для нагревания определенной массы (один грамм) данного вещества на один градус Цельсия. Если удельная теплоемкость вещества высокая, то оно будет нагреваться и охлаждаться медленно. Благодаря этому свойству находящийся в таком веществе организм предохраняется от негативного влияния быстрого изменения температуры. То же самое справедливо и в том случае, если это вещество находится внутри организма.

Скрытая теплота перехода из одного состояния (или фазы) в другое равна количеству тепла, которое поглощено или выделено телом, когда оно переходит из одной фазы в другую без изменения температуры. Так, скрытая теплота парообразования у воды равна 539 кал/г при температуре кипения. У аммиака эта теплота равна 341 кал/г. Это при давлении в одну атмосферу. Для живых организмов все указанные выше величины вполне подходят. Имеется и еще один растворитель — сероводород Н2S. Его скрытая теплота при давлении в одну атмосферу равна всего 132 кал/г. Этого, конечно, мало. Ситуацию может исправить только высокое давление.

Для того чтобы активная жизнь была возможна в широком диапазоне температур, надо, чтобы растворитель (жидкость) имел высокую скрытую теплоту перехода. Тогда этот растворитель не будет легко закипать и замерзать.

От изменений температуры эффективно защищают вещества с низкой теплопроводностью. Это хорошие изоляторы тепла. Но как меняется теплопроводность, так же меняется и диэлектрическая постоянная. Поэтому растворитель с высокой диэлектрической постоянной хорош для жизни по двум причинам: как хороший изолятор и как хороший термос.

Но перечисленных свойств растворителей для жизни мало. Надо еще, чтобы растворитель мог выполнять функции биологического растворителя, то есть он должен укладываться в определенную химическую схему. Он должен образовывать определенные ионы, которые могут с пользой для жизни войти в осуществимую в данных условиях схему органической химии. Что касается аммиака, то при умеренно низких температурах, когда вода уже превращается в лед, он очень напоминает воду по своему поведению. К тому же он является одним из нескольких десятков водоподобных растворителей. Эти растворители можно называть протонными, поскольку у них, как у воды и аммиака, образуется ион Н+ (протон). Такими растворителями являются гидразин N2Н4, гидроксиламин NН2ОН, синильная кислота HCN и фтористый водород HF. Примерами непротонных растворителей являются сернистый ангидрид SO2, четырехокись азота N2O4, двубромистая ртуть HgBr2.

Для того чтобы тот или иной растворитель стал основой жизни на планете, надо, во-первых, чтобы он вообще мог присутствовать на данной планете, а во-вторых, чтобы его количество было для этого достаточным. Так, двубромистая ртуть является очень хорошим растворителем для жизни, но очень маловероятно, чтобы она находилась на какой-либо планете в достаточном количестве. То, что характерные ионы этого растворителя не укладываются в известную нам химическую схему, ничего не значит. Почему же жизненные реакции не могут быть повторены с некоторыми изменениями в данном растворителе? Специалисты полагают, что водные группы Н и ОН могут быть замещены характерными ионами другого растворителя. Образовавшееся при этом соединение, растворенное или взвешенное в этом растворителе, должно вести себя по отношению к этому растворителю в химическом плане так же, как его незамещенный аналог по отношению к воде. Значит, это соединение по-прежнему будет способно выполнять в новой среде те же жизненные функции.

Что касается протонных растворителей, то в них различны только отрицательные ионы (анионы). В аммиаке это NH2–, а в сероводороде HS—. Сероводород при низких температурах является водоподобным растворителем. Указанные два замещения часто встречаются в органической химии.

Биологических растворителей много. Но большинство из них находится в жидком состоянии при температурах, когда вода либо замерзает, либо целиком обращается в пар. Конечно, в таких условиях земная жизнь невозможна. Но у аммиака точка замерзания равна –77,7 °C. Когда вся вода превратится в лед, аммиак может образовывать океаны. Так же и растворители с высокой точкой кипения могут заменять воду при температурах, когда вода может существовать только в состоянии пара. Она находится в атмосферном газе или вообще убегает в космическое пространство, если находится очень высоко. Это происходит тем легче, чем меньше масса планеты, то есть чем меньше сила гравитационного притяжения. Отметим, что диссоциация воды (разрыв молекулы на атомы) происходит в результате действия коротковолнового ультрафиолетового излучения Солнца.

Если на планете высокая температура, то условия для жизни на ней будут плохими, потому что при высоких температурах происходит разрыв углеродных связей. Собственно, любая химическая реакция с увеличением температуры ускоряется. Причем очень сильно. На каждые 10 °C скорость химических реакций увеличивается в 2–3 раза. Если же температура увеличится от 0 до 100 °C, то скорость реакций увеличится не менее чем в 1000 раз. Ясно, что при этом лабильные органические молекулы разрушаются или же вступают во взрывную реакцию. Это может происходить очень эффектно. Например, на той стороне Меркурия, которая обращена к Солнцу, можно было бы взорвать мост при помощи глюкозы. Справедливо и обратное. Многие применяемые у нас взрывчатки в условиях очень низких температур являются простыми органическими соединениями. Поэтому в интересах безопасности большие заряды взрывчатки (например, тысячекилограммовые бомбы) лучше держать при низких температурах. Так и поступали во время Второй мировой войны.

Атомный вес также играет важную роль. Если он увеличивается, то химическая активность элемента (вещества) уменьшается. Это и понятно. Чем тяжелее частица, тем она ленивее в смысле химической активности. Большие тела движутся медленно, зато при этом происходит компенсация роста температуры. Поэтому более тяжелые атомы с той же валентностью ведут себя при высоких температурах почти так же, как и легкие атомы (их аналоги) при низких температурах. Отсюда следует важный для проблемы жизни вывод: одни атомы, более легкие, могут быть заменены другими, более тяжелыми. Более тяжелые атомы смогут справиться с высокими температурами. Так, углерод С может быть замещен более тяжелым кремнием Si. У них одинаковые свойства, поскольку они находятся в IV группе таблицы Менделеева. В V группе азот N может быть заменен фосфором Р. В VI группе кислород О может быть заменен более тяжелой серой S. Значит, если в земных условиях в жизненных процессах участвуют более легкие указанные элементы, то в более высокотемпературных условиях их могут заменить указанные более тяжелые элементы. Так жизнь может справиться с высокой температурой в неземных условиях. Более того, даже в земных условиях сера иногда замещает в органических соединениях кислород. Подобным образом в обычных органических структурах встречается кремний.

Что касается кремния, то этот элемент образует цепочки, как и углерод. Поэтому специалисты серьезно обсуждают идею высокотемпературной жизни, которая могла бы быть основана на кремнии. Главное, что требуется от заменителей углеродной химии, это то, чтобы они содержали большие, обязательно лабильные молекулы, которые способны выполнять структурные и функциональные обязанности наших органических молекул, но в иных планетных условиях. Конечно, их структура может быть весьма различной.

Рассмотрим подробнее возможности жизни при низких температурах. Если температура не очень низкая, то для этих условий имеются несколько подходящих растворителей, которые могут заменить воду. Каждому из этих растворителей можно подобрать систему аналогов органических соединений. Одним из таких растворителей, как уже говорилось, является сероводород H2S. Его температура замерзания равна –85,6 °C, кипит он при атмосферном давлении при температуре — 60,75 °C. Скрытая теплота испарения у него низкая. При низких атмосферных давлениях все эти показатели не очень благоприятны для жизни. Но для планет с большой массой, которые имеют мощные атмосферы, а значит, и большую гравитационную силу притяжения, этот вариант с сероводородом ученые не исключают. Примером такой планеты является Юпитер. Имеются и другие плане ты-гиганты.

Рассмотрим подробнее свойства сероводорода. Он остается в жидком состоянии и тогда, когда даже аммиак (а не только вода) замерзает. Сероводород является серным аналогом воды. Правда, диэлектрическая постоянная сероводорода сравнительно низка. Она равна всего 10,2 против 81,1 для воды и 22,0 для аммиака. Тем не менее у него есть много свойств, которые говорят о том, что он может быть основой жизни в качестве растворителя. Сероводород является протонным растворителем, то есть содержит ионы Н+. Этот растворитель, как и вода, сам себя диссоциирует, то есть производит разрыв своих молекул на ионы. Таким же свойством обладает и аммиак. У сероводорода диссоциация протекает по реакции:

2S ±5 H3S+ + HS—.

В результате этой реакции в качестве характерного иона появляется Н+. Из сероводорода образуется и отрицательный ион. Им является НS—. Это хорошо известная меркаптогруппа. Поэтому нам достаточно заменить гидроксил НS— во всех органических соединениях. Мало того, такие замещения реальны, поскольку они наблюдаются и в земных условиях. Интересно, что соединение С4Н12S13 было найдено в метеоритах.

Свойства сероводорода таковы, то в нем растворяется ряд кислот, а также галоидных соединений, арили алкилзамещенных сульфидов аммония, а также многие органические вещества. Опытным путем было установлено, что целый ряд химических индикаторов меняет окраску при переходе из кислот в основную относительно Н2S среду. Другими словами, изменение окраски происходит в присутствии кислот и оснований, которые соответствуют этому растворителю и которые растворяются в нем. Ясно, что те химические соединения, которые при диссоциации в растворе дают ион Н+ (протон), в жидком сероводороде должны вести себя как кислоты. Значит, те водные кислоты, которые в нем растворяются, сохраняют кислотный характер. Одна из таких кислот — это НCl. Соединения, которые дают отрицательные ионы HS— или S2—, в системе H2S будут основаниями. Основание вступает в реакцию с кислотой, и образуются соль и растворитель.

Если мы имеем дело с аммиаком, то там протекает реакция, аналогичная гидролизу в воде. Она называется сольволизом. Это реакция, обратная нейтрализации. Соединения реагируют с растворителем, и при этом обычно образуется по одной молекуле основания и кислоты. Любопытно, что одно и то же соединение может вести себя и как кислота, и как основание. Примером этого могут служить спирты. Они в водном растворе ведут себя как кислоты по отношению к органическим кислотам, которым в этом случае приписываются основные свойства. Ряд веществ также ведет себя подобным образом в жидком сероводороде.

При низких температурах жидкого сероводорода некоторые соединения, которые содержат углеродные цепочки, могут стать устойчивыми настолько, чтобы быть лабильными. В других условиях все происходит по-иному. Например, наиболее широко распространенный на Земле азот, который при наших обычных температурах образует только короткие нестабильные цепочки, при низких температурах, характерных для жидкого сероводорода, может образовывать достаточно прочные связи. Эти связи могут в определенной степени заменить углерод-углеродные связи.

Далее рассмотрим фтористоводородную кислоту НF. Ее точка замерзания равна –83,1 °C. Это немногим выше, чем у сероводорода. Другие свойства фтористоводородной кислоты с биологической точки зрения весьма приемлемые. Она остается в жидком состоянии до температуры +19,54 °C (при нормальном атмосферном давлении). Для жизни это важно, так как она остается жидкой в широком диапазоне температур. Скрытая теплота перехода для плавления весьма высока. Она равна 54,7 кал/г. Для парообразования скрытая теплота равна 362 кал/г. Обе эти величины высоки, хотя и ниже, чем для воды. Зато диэлектрическая постоянная и дипольный момент у этой кислоты немного больше, чем у воды. Поэтому можно заключить, что жидкий фтористый водород является хорошим протонным растворителем с отрицательным ионом F—. Диссоциация его протекает по схеме

2НF ±5 H2F— + H+.

Положительный ион Н+ образуется обязательно, поэтому фтористый водород и является протонным (Н+) растворителем. Электропроводность его мала. Он является хорошим изолятором. Теплопроводность его также невелика, поэтому он обеспечивает хорошую теплоизоляцию. С биологической точки зрения это очень важно, поскольку при этом обеспечивается устойчивость органических систем при высоких температурах.

Во фтористом водороде хорошо растворяется вода. В данном случае она выступает в качестве основания. Во фтористом водороде растворяются и фтористые металлы, а также некоторые цианиды, нитраты и сульфаты. Нерастворимыми во фтористом водороде остаются галоидные соединения, кроме фтористых, а также окислы. Не растворяются и углеводороды. Но спирты, альдегиды, кетоны, эфиры, органические кислоты и их ангидриды, а также, по-видимому, азотистые соединения и углеводы образуют проводящие растворы с отрицательным ионом F—, а также со сложными катионами, которые состоят из органической молекулы, ассоциированной с протоном. Многие другие органические соединения разрушаются или же полимеризуются в жидком фтористом водороде. Фтористый водород образует также молекулярные соединения, которые подобны по своим свойствам гидратам.

Но какое это имеет отношение к жизни? На жидком фтористом водороде может быть основана органическая система, если вместо ОН и О в окислах подставить соответственно F или HF2 и F2. Фторирование заменяет окисление. Оно обеспечивает выделение необходимой для жизни энергии. Фтор обладает большими энергиями связи. Поэтому он эффективнее, чем вода. Что касается свободного фтора, то он должен быть одним из атмосферных газов на данной гипотетической планете. Вместо кислорода — фтор. Живые существа в этих неземных условиях должны дышать не кислородом, а фтором. Они должны вместо воды пить жидкую фтористоводородную кислоту. Для земных организмов это смертельно.

Однако фтор является химически активным элементом. Поэтому трудно предположить, чтобы он на какой-либо планете выполнял ту же роль, что и вода на Земле, чтобы фтор (жидкий фтористый водород) образовал океаны, моря, реки и озера. Ведь фтор настолько активен, что обычно очень быстро связывается и поэтому исчезает с поверхности планеты (как и кислород). Фтор в свободном виде мог существовать в первичной атмосфере Земли. При понижении температуры атмосферы Земли фтор стал соединяться с водородом. Он мог сохраниться и после потери избытка водорода в результате молекулярной диссипации и осаждения таких веществ, как вода и аммиак. Эти вещества находились в замерзшем состоянии и являлись горными породами. Но такая картина возможна только в том случае, если имеется много легких галоидных соединений. Откуда они могли бы возникнуть — не очень ясно. Один из вариантов — это химическое разделение. Но какое, неясно. Во всяком случае, в нашей Солнечной системе такое разделение абсолютно исключено. Можно уверенно утверждать, что ни на одной из ее планет нет естественной среды с гидросферой, состоящей из жидкого фтористого водорода HF. Более того, вряд ли где-то существует жизнь, в основе которой находится фтористый водород. Хотя мы слишком мало знаем о планетах во Вселенной, чтобы делать окончательный категорический вывод. Нам более близок аммиак. Он в больших количествах имеется в нашей планетной системе. Так, он был одной из главных составляющих первичных атмосфер планет земной группы. Аммиак в большом количестве содержится в атмосферах планет-гигантов Солнечной системы. Он может также присутствовать на некоторых из спутников этих планет. Эти спутники обладают большой отражательной способностью (альбедо), поскольку они покрыты снегом. Это аммиачный снег, который покрывает не только полярные шапки планет, но и более низкоширотные пояса.

Что касается аммиака, то он остается в жидком состоянии до температуры — 77,7 °C. Кипит аммиак при температуре в — 33,4 °C. Это при атмосферном давлении. Значит, аммиак испаряется легче, чем вода, которую он напоминает по своим свойствам как растворитель. Но аммиак мы рассмотрим подробно позднее.

Непростым растворителем является сернистый ангидрид SO2. Дипольный момент его равен 1,61. Точка замерзания его равна — 75,46 °C. Это только немного выше, чем у аммиака. Сернистый ангидрид выделяется при извержении вулканов. Но он обладает высоким молекулярным весом (64). Поэтому он не может улетучиваться в космическое пространство, если температура атмосферы планеты низкая, а масса планеты малая. Можно предположить, что гидросфера из сернистого ангидрида в определенных условиях вполне возможна. При извержении вулканов выделяются также аммиак и вода. Но они в рассматриваемых здесь условиях будут быстро утеряны. Та же вода, которая не испарится и не уйдет в космическое пространство, тут же вымерзнет при этих температурах, или же она вступит в реакции с SO2 и образует сернистую кислоту H2SO4. При извержении вулканов выделяются также CS2, COS и CH4. Они и войдут в состав атмосферного газа. В его состав войдут азот и аргон. Затем они постепенно окислятся в органических процессах.

В жидком SO2 сульфаты, окислы, хлораты, сульфиды и гидроокиси не растворяются. Зато хорошо растворяются в жидком SO2 йодистые металлы, щелочные и щелочноземельные металлы, некоторые тиоцианаты и ацетаты, а также многие органические соединения. Специалисты склоняются к мысли о том, что SO2 можно всерьез рассматривать в качестве кандидата в жизненос-ные растворители. В пользу этого свидетельствует несколько очень важных фактов, а точнее, свойств SO2. Это и растворимость органических соединений в SO2, и присутствие его характерных ионных групп в органической химии, и бактериальной серный метаболизм, и другое. SO2 подходит для органической схемы, которая основана на углероде, как элементе, который образует молекулярные цепочки. Но здесь не все так просто. Подставить SO и SO3 вместо Н и ОН нельзя. Нельзя потому, что в системе SO2 имеются двойные связи. Поэтому замена должна быть произведена более творчески. Необходима некоторая перестройка. Основы ее заключены в следующем. Углерод по-прежнему может усваиваться из CO2 с освобождением кислорода. При этом образуются серосодержащие соединения в качестве возможных аналогов нашей земной органики. Так надо модифицировать и все остальные реакции, которые подобны циклу фотосинтеза.

Диапазон температур, в котором SO2 находится в жидком состоянии, простирается от — 75,5 до — 10,2 °C. Это при давлении в одну атмосферу. Если давление меньше, то он сужается. На планетах малой массы атмосферное давление, конечно, меньше одной атмосферы, то есть меньше атмосферного давления на Земле. Что касается скрытой теплоты, то она как для плавления, так и для парообразования ниже, чем для воды. Это 27 и 93 кал/г соответственно. Но при низких температурах приток тепла невелик. Так что колебания температуры должны быть намного меньше, чем на Земле. Поэтому роль величины теплоты скрытого перехода в другое состояние значительно меньше, чем в условиях Земли.

Рассмотрим непротонный растворитель N2O4. Это четырехокись азота. Он для азотной кислоты HNO3 представляет собой то же самое, что SO2 для сернистой кислоты. Этот непротонный растворитель специалисты оценивают как хороший. Он образуется в кислородно-азотной атмосфере при разрядке молний. Он может также выделяться при извержении вулканов. Но ожидать, что на планете его окажется очень много (как воды на Земле), не приходится. N2O4 замерзает при температуре –11 °C. Это мало отличается от температуры замерзания воды (0 °C). N2O4 при низких температурах существует наряду с сернистым ангидридом. В нем четырехокись азота N2O4 нерастворима. Поэтому при низких температурах она должна вымерзать и оседать на дно морей, которые состоят из SO2. При этом она будет представлять из себя что-то вроде песка.

В аспекте жизни специалисты рассматривают и цианистоводородную кислоту HCN. Она имеет схожие температурные пределы жидкой фазы (от –13,4 до +25,6 °C). Она является протонным растворителем. Полагают, что на небольших планетных телах может находиться значительное количество этой кислоты. Это тяжелые молекулы (их молекулярный вес равен 27), поэтому им трудно покинуть планету и улетучиться в космос. Вода и аммиак почти вдвое легче. Поэтому небольшими порциями они улетучиваются и покидают Землю.

Как известно, многие цианистые соединения для земной жизни, основанной на воде, ядовиты. Но очень важно, что характерные водные группы замещаются цианистыми. Это свидетельствует о некотором сродстве. Связи C — N имеют фундаментальное значение в белках и некоторых других органических веществах.

Дипольный момент цианистоводородной кислоты HCN очень велик. Он равен 2,8, тогда как у воды он равен 1,85, а у аммиака — 1,47. Диэлектрическая постоянная у кислоты равна 123. У аммиака — 22, а у воды — 81,1. Это свидетельствует о том, что цианистоводородная кислота является высококачественным ионизирующим растворителем. В этой кислоте металлы либо плохо растворимы, либо вообще не растворимы. Цианистоводородная кислота создает ионы Н+ и CN—. Поэтому в жидкой кислоте серная и соляная кислоты остаются кислотами. А все цианиды являются основаниями.

Дициан С2N2, как полагают, будет атмосферным газом. Он должен принимать участие в реакциях с выделением энергии, как на Земле это происходит при окислении. Если мы заменим воду в нашей (земной) органической химии на HСN, то получим цианистоводородный аналог этой химии. При этом главным элементом молекулярных цепочек остается углерод. Скрытая теплота плавления и скрытая теплота парообразования у HCN имеют вполне приемлемые величины с точки зрения жизни. Они равны соответственно 74 и 323 кал/г. HCN является хорошим теплоизолятором, ее диэлектрическая постоянная значительна. Поэтому жизнь, основанная на цианистом водороде вполне возможна.

Из сказанного выше ясно, что при температурах между 0 °C и –100 °C возможны различные альтернативные схемы органической химии. Обратите внимание на то, что имеются органические растворители с низкой точкой замерзания. Это метиламин CaH3NH2, который замерзает при температуре –92,5 °C, и метиловый спирт CH3OH. Они вполне могут образоваться в атмосфере, которая первоначально состояла из углеводородов, аммиака и воды. Соляная кислота HCl замерзает при температуре — 111 °C. Химически она подобна HF. Однако как растворитель она хуже, чем HF.

Специалисты большие надежды возлагают на окись фтора F2O. Она замерзает при –224 °C и кипит при –145 °C. Как ни странно, она является структурным аналогом воды. У F2O связи образуют углы, равные около 105°. У воды они равны 104°. Можно сказать, что фтор — это водород наоборот. Правда, его атомный номер 9, а атомный вес 19. Валентность фтора равна единице, однако вместо одного электрона на внешней оболочке он имеет семь. Ему не хватает одного электрона для того, чтобы иметь электронную структуру инертного газа. Но так как фтор образует ковалентную связь с кислородом и делит с ним электрон, то получается почти такое же распределение зарядов, как и у водорода. Значит F2О должна быть сильно полярным соединением, подобным воде. Она является хорошим ионизирующим растворителем. Самодиссоциация (саморазрыв) F2О происходит по такой схеме:

2F2O F3O— + FO+.

Характерными ионами являются F— и FO+. В этом растворителе должны растворяться фтористые соединения, включая BF3 и HF. Эти соединения имеют свойства кислот. Растворяется и вода. Но она дает раствор с основанием.

Представляют интерес и другие соединения. Это этилен C2Н4, который замерзает при –169 °C; окись углерода СО, замерзающая при — 199 °C. Что касается элементарных газов, то кислород имеет точку замерзания –210 °C, азот –219 °C, фтор –223 °C, неон –248,7 °C. Водород замерзает при температуре –259 °C, гелий при –273 °C. Это близко к абсолютному нулю. Три последних газа при атмосферном давлении кипят соответственно при –246,3 °C, –252,8 °C и –268,98 °C. Если давление меньше, то они закипают при еще более низких температурах. Но ниже точки замерзания F2O будет существовать, по крайней мере, неон-гелий-водородная атмосфера. Трудно представить, чтобы температура планеты опустилась ниже –220 °C. Все-таки тепло поступает как от звезды (Солнца), так и из внутренней части планеты. Поэтому можно предполагать, что под покровом атмосферы из неона, водорода и гелия, а также паров других газов окись фтора остается жидкой. Специалисты считают, что жизнь в диапазоне температур — 200 °C и –150 °C вполне возможна. Но это не земная жизнь, а совсем другая, какая-нибудь цианистая. И проблема не в том, что нет нужного растворителя. Их более чем достаточно. Проблема в том, что созданные химические структуры не смогут оперативно реагировать на изменение условий окружающей среды. Другими словами, молекулы не будут лабильными, чувствительными, поскольку при таких низких температурах все соединения слишком устойчивы. Строить жизнь можно только из молекул со слабыми связями. Только они могут обеспечить требуемое состояние непрерывного обновления даже при столь низких температурах. Инертные газы вполне отвечают этим требованиям. Более того, инертные (благородные) газы являются самыми распространенными элементами во Вселенной. На Земле их мало только потому, что Земля не сумела их удержать и они улетучились в космос. Гелий He, аргон Ar, неон Ne, криптон Kr, ксенон Xe и радон Rn не вступают в обычные химические соединения только потому, что их внешние электронные оболочки полностью заполнены. Но когда атомы превращаются в ионы под действием электрических разрядов, или коротковолнового излучения, или же под действием космических лучей (это на самом деле высокоэнергичные космические заряженные частицы), могут образовываться ионные соединения, и весьма устойчивые. Так, известны гелий-водородные ионы типа HeH+ и HeH2+.

Специалисты возлагают большие надежды на координационные соединения, в которых электроны с заполненной внешней оболочкой инертного газа захватываются на пустые места в незаполненной оболочке активного атома. При обычных температуpax такие связи очень слабы. Поэтому они легко разрушаются при колебании молекул или же при столкновениях, которые вызваны тепловыми движениями. Но при температурах –150 °C ситуация кардинально меняется. Движения настолько замедленны, что даже малые силы способны удерживать атомы.

Для биологического растворителя F2O подходят молекулы трех-фтористого аргон-бора. В нем аргон действует как связывающее звено между группами BF2. Типичное соединение имеет формулу Ar4ВF3. Связь осуществляется и с помощью следующего механизма. Атом инертного газа в присутствии сильного диполя сильно поляризуется. Поэтому он сам начинает действовать как диполь. Ясно, что при этом он действует на первоначальный диполь. Происходит следующее: электроны смещены на одну сторону, а на другой стороне образуется местный избыток положительного заряда. Этот избыточный положительный заряд может притянуть электрон из другого атома. Эта связь является слабой, но для осуществления жизненных функций она и должна быть слабой. При сильной связи молекулы не могут быть лабильными. Таким образом, и в этом плане F2O заслуживает особого внимания. Молекула F2O является сильным диполем. Поэтому она может принимать участие в реакциях такого типа с инертными газами. При этом должны образовываться молекулярные соединения. Ничего в этом неожиданного нет. Хорошо известно, что инертные газы образуют такие соединения с водой, аммиаком и фенолами. В такого рода соединения могут входить HF и HCN, которые являются сильными диполями. Некоторые из этих соединений при низких температурах будут стабильными в той мере, в какой это необходимо для жизни.

Итог этого рассмотрения можно подвести так. В океане жидких F2O и HeНF могут образовываться сложные псевдоорганические вещества, близкие к тем, которые зажгли (а точнее, проявили) жизнь на Земле. При очень низких температурах расход энергии небольшой.

Рассмотрим подробнее аммиачную жизнь. Аммиак остается жидким в диапазоне температур от –77,7 °C до –33,4 °C. Этот диапазон уже, чем в случае земной жизни. И, конечно, весь он в минусе. Некоторую корректировку проведет давление. Если оно отличается от земного, то поплывут и температуры. При очень большом давлении (как на Юпитере) сильно поднимется точка кипения аммиака. Она может достигнуть +132,4 °C. Это выше точки кипения воды в условиях Земли. И это критическая температура, выше которой переход в жидкое состояние при помощи одного только давления становится невозможным. Но давление это немалое — 112 атмосфер.

Скрытая теплота перехода у аммиака сравнима с таковой у воды. Для парообразования у аммиака скрытая теплота равна 332 кал/г. У воды она равна 539 кал/г. Для плавления скрытая теплота аммиака равна 84 кал/г. Для воды она равна 79,9 кал/г. В условиях низких температур наиболее важна скрытая теплота плавления. Поэтому можно сказать, что аммиак по сравнению с водой в этом плане имеет преимущество. Кстати, и теплоемкость его паров, равная 0,520, несколько превышает таковую для водяного пара при постоянном давлении (0,488). Теплоемкость важна для погоды и климата. Климат на Земле стабилизирует гидросфера, и прежде всего океаны. Они создают определенную инерционность в изменении климата. Если бы теплоемкость воды была в 10 раз меньше, то изменения погоды были бы в принципе непредсказуемы. Все менялось бы слишком быстро. Поэтому океаны и моря, состоящие из жидкого аммиака, будут смягчать большие колебания температуры, как это происходит на Земле благодаря гидросфере. У аммиака дипольный момент равен 1,47. У воды он равен 1,85. Диэлектрическая постоянная у аммиака равна 22 (при температуре –34 °C). Для воды диэлектрическая постоянная равна 81,1 (при температуре +18 °C). Это значит, что аммиак примерно в четыре раза хуже как изолятор, чем вода. Он и менее вязок, чем вода. И тоже примерно в четыре раза. Проводимость раствора соли в жидком аммиаке обычно больше, чем проводимость водного раствора той же соли. Биологические преимущества аммиака перед водой заключаются в том, что он обладает большей текучестью и поэтому является эффективным электролитическим растворителем.

Само диссоциация у аммиака почти такая же, что и у воды. Аммиак образует положительный ион NН+, который соответствует иону гидроксония Н3О+ у воды. Оба эти иона при реакции отдают протон Н+. Аммиак образует отрицательный ион NH2—, а вода ОН—. Таким образом, аммиачные кислоты характеризуются катионами NH4+ и H+.

Азот может заменить кислород в смысле увеличения электроотрицательности молекулы. Именно в этом состоит химический смысл процесса «окисления». Поэтому у жизни, которая основана не на воде, а на аммиаке, роль кислорода может вполне перейти к азоту.

Те растворимые соединения, которые дают любой из трех аммиачных анионов, будут вести себя в жидком аммиаке как основания. К таким основаниям относятся амины, амиды металлов, имиды и нитриды.

В жидком аммиаке легко протекают реакции восстановления. Можно полагать, что горные породы в мире с аммиачной гидросферой будут содержать кристаллизационный аммиак, примерно так же как наши горные породы содержат воду. Конечно, различие между двумя растворителями — водой и аммиаком — существует. Раствор-аммиак растворяет щелочные металлы без реакции. При этом образуются так называемые «голубые растворы». Они обладают хорошей электропроводностью. Чистый металл из них можно выделить простым выпариванием. Растворяются, но в меньшей степени, и щелочноземельные металлы. Весьма заметной растворимостью обладают некоторые редкоземельные металлы, а также магний, алюминий, бериллий. Из неметаллов частично растворяются йод, сера, селен и фосфор. При этом в некоторых случаях протекает реакция с растворителем. Многие из указанных элементов играют важную роль в процессах жизни. Значительная часть из них являются катализаторами, то есть ускорителями химических реакций. Катализаторы ускоряют реакции, но при этом не расходуются.

Важнейшей функцией жизненного растворителя является доставка в растворе или суспензии различных составляющих органического вещества. В этом отношении аммиак лучше воды. Это свойство растворителя особенно важно в период зарождения жизни. Растворимость неорганических водных солей в аммиаке существенно зависит от аниона (отрицательного иона) растворителя. Значительно меньше она зависит от катиона — положительного иона. Исключение в этом плане составляют соли аммония, которые обычно растворимы независимо от аниона. Эти соли в жидком аммиаке ведут себя как кислоты. Растворимы также иоди-ды, перхлораты, нитраты, тиоцианаты, цианиды и нитриты. Нерастворимы фториды, большинство хлоридов (включая поваренную соль NaCl), карбонаты, оксалаты, сульфаты, сульфиды, гидроокиси и окислы.

Имеется растворитель, который является чем-то средним между водой и аммиаком (в смысле свойств). Это гидроксиламин NH2OH. Он диссоциирует (распадается) на ионы H+ и NHOH—. Плавится он при температуре +33 °C, а кипит при +58 °C. Но это при давлении 22 мм рт. ст. В этих условиях вода кипит при температуре около +24 °C. Значит, температурные пределы жидкой фазы гидроксиламина шире, чем у воды. Он может действовать как водоподобный биологический растворитель в тех условиях, где и вода, и аммиак примерно одинаково распространены. Это при температурах на 30 °C выше верхнего предела существования жидкой воды. На ранних этапах эволюции атмосферы Земли такие условия могли быть.

Но вернемся к аммиаку. Он обладает меньшим дипольным моментом, чем вода. Поэтому для соединений, которые сильно поляризованы, он является менее эффективным растворителем, чем вода. Зато для неполярных веществ, а к ним принадлежит большинство органических соединений, он является лучшим растворителем, чем вода. У аммиака наиболее резко выражены свойства основания. Поэтому он особенно эффективен при растворении кислых веществ. Итак, аммиак является растворителем, который в высшей степени пригоден для роли жидкой основы жизни.

Молекулярные цепочки могут образовываться с помощью углерода. Частично он может быть заменен азотом. В земных условиях озонные цепочки обычно коротки и неустойчивы. Однако в некоторых азотоводородных производных может присутствовать подряд до восьми связанных атомов азота. При низких температурах, когда аммиак находится в состоянии жидкости, устойчивость таких структур сильно возрастает. Происходит частичное замещение углерода азотом. Это имеет место в таких органических циклических соединениях, как пурины. А пурины являются жизненно важными соответствующими наших нуклеиновых кислот.

На известных нам планетах аммиак обнаружен вместе с метаном и другими углеводородами. Это в условиях низких температур, когда вода замерзает. Конечно, часть воды сохраняется растворенной в жидком аммиаке. Эта смесь, в которой органические соединения образуются самопроизвольно под действием коротковолнового излучения, радиоактивности и электрических разрядов.

Надо подчеркнуть, что в условиях низких температур не обязательно должна происходить частичная или полная замена углерода другими цепочкообразными элементами. Другое дело, при температурах выше точки кипения воды. Здесь замена углерода может оказаться неизбежной, поскольку многие органические соединения (белки, углероды и их производные) не могут противостоять высоким температурам. Подыскивая замену углероду, необходимо обращать внимание на такие неметаллы, которые образуют летучие водородные соединения. Мы имеем в этом плане весьма ограниченные возможности. Это бор В в III группе, кремний Si и, возможно, германий Ge в IV группе, азот N и фосфор P в V группе. Сюда с некоторой натяжкой можно добавить серу S в VI группе таблицы Менделеева.

Но против бора работают два обстоятельства. Во-первых, его малая распространенность. Так, в земной коре его всего три десятитысячных процента. Дело в том, что под действием космических лучей (заряженных частиц) ядра бора преобразуются в ядра других элементов. Правда, на других планетах в иных условиях бора может быть больше, чем на Земле. Второй аргумент против бора состоит в естественном сродстве бора с азотом и с аммиаком как растворителем. В этом плане бор лучше соответствует органической схеме, приспособленной к условиям умеренно низких температур.

Кремний как заменитель углерода этих изъянов не имеет. Кремний является неметаллом. Он находится в одной группе (IV) с углеродом, кремнием и германием. Все, кроме кремния, являются металлами. В эту группу, естественно, входит и водород. У всех элементов этой группы на валентной оболочке имеется четыре свободных места. Значит, их максимальная валентность и характеристическая ковалентность равны четырем. Это и определяет их химические свойства. Все указанные элементы образуют ряды водородных соединений.

Установлено, что кремневодороды имеют несколько более высокие точки плавления и кипения, чем углеводороды. Но температуры их разложения меньше. Это соответствует меньшим энергиям связей. Несмотря на это, они достаточно теплостойки для любой вероятной схемы жизни. При соприкосновении с воздухом или кислородом они самовозгораются. Кроме того, они энергично реагируют с водой в присутствии катализаторов-щелочей. При этом образуются силикаты и высвобождается водород. Чистая вода не действует на кремневодороды в силикатных сосудах. Эта реакция протекает только в сосудах из стекла, поскольку оно содержит щелочные металлы.

В земных условиях кремневодороды, как и углеводороды, существовать не могут. Так, болотный газ, основную часть которого составляет метан, самовозгорается в воздухе. Тем не менее углеводороды являются основными элементами молекулярных цепочек в земной схеме жизни. Важно помнить, что органические соединения строятся не из углеводородов, а из продуктов фотосинтеза. Сами же углеводороды появляются в существующей органической схеме позднее как продукты распада органических веществ.

Имеются кремниевые кислоты органического типа. Достаточно подставить аминогруппу на место начального атома водорода, чтобы превратить их в аминокислоты. Из них могут быть построены кремнебелки через кремниевые аналоги пептидных связей. В этом процессе возникнут более прочные связи, поскольку сродство кремния и кислорода больше.

Но есть одно принципиальное отличие кремния от углерода. Кремний предпочитает соединяться с кислородом. Поэтому он не дает аналогов циклических углеводородов, поскольку образует цепочки — Si — O — Si —. Это можно сделать путем замены кислорода на серу. Она относится также к VI группе таблицы Менделеева. Достаточно давно были получены кремниевые полимеры с азотом, который заменяет кислород. При этом азот служит донором электрона. Полагают, что азот может быть заменен фосфором. Но здесь не все еще изучено.

Если водорода на какой-либо планете мало, его можно заменить галогеном. Существуют длинные цепочки из кремния и хлора, которые подобны кремневодородам. Эти соединения могут быть основой для построения сложной химической системы. Можно утверждать, что кремний вполне может заменить углерод и быть цепочкообразующим элементом органической системы. При этом вместо чисто кремниевых цепочек крупные лабильные молекулы вполне могут быть основаны на связях Si — O — Si или Si — N — Si. При высоких температурах жизнь не требует полного исключения углерода из органических структур. Углерод может присутствовать вместе с кремнием и германием. Собственно, известны некоторые углеродные соединения, в которых присутствует кремний. Таким образом, при высоких температурах может существовать жизнь, основанная на кремнии, сере и фосфоре вместо азота. Условия для этого могут быть на планете малой массы. Такие планеты должны находиться близко к своему солнцу. В нашей планетной системе это Меркурий.

Если температура на планете достигает 300 °C, то в ее атмосфере не могут задерживаться легкие элементы. Они улетучиваются в космос. Тут важны два фактора — температура и сила тяжести.

Условия на планетах во Вселенной могут быть самыми различными. Поэтому специалисты не исключают, что «кремниевая жизнь» возможна при высоких давлениях и температурах свыше 1000 °C. В этих условиях кремниевые соединения станут лабильными. Вообще-то специалисты проработали вопросы существования жизни во Вселенной — на планетах, где условия очень сильно различаются: при изменении температуры от нескольких градусов выше абсолютного нуля (— 273,15 °C) до точки кипения свинца. Рассматривались даже более высокие температуры.





 

Главная | В избранное | Наш E-MAIL | Прислать материал | Нашёл ошибку | Верх