Замена углерода

ЗАМЕНА УГЛЕРОДА



Ученые немало высказывались на тему возможности построения органических молекул с помощью других атомов, но на практике доказать эту возможность на данный момент не удалось.



Кремний



Среди наиболее вероятных претендентов на роль структурообразующего атома в альтернативной биохимии называют кремний. Он находится в IV группе периодической таблицы, в той же что и углерод, эти два элемента во многом схожи. Кремний четырехвалентен, как и углерод, а значит, он тоже обладает необходимым качеством симметрии. Его атомы способны образовывать циклические структуры и длинные цепочки, которые служат остовом многих биологических молекул. Однако атомы кремния имеют бо́льшую массу и радиус, сложнее образуют двойную или тройную ковалентную связь, что, возможно, в данном случае будет мешать.

Силаны, представляющие соединение кремния и водорода, которые будут являться аналогом алканов (соединений углерода и водорода), отличаются куда меньшей устойчивостью цепочки атомов кремния, а так же повышенной реакционноспособностью. Плотность, температуры кипения и плавления силанов выше, чем у соответствующих углеводородов. В то же время, силиконы — полимеры, включающие цепочки чередующихся атомов кремния и кислорода, являются более устойчивыми. В частности, силиконовым полимерам свойственна значительная жаропрочность. На этом основании предполагается, что органические соединения на основе кремния могут существовать на планетах со средней температурой, значительно превышающей земную. Кроме того, связь между атомами кремния неустойчива в присутствии воды, аммиака или кислорода, поэтому роль универсального растворителя в этом случае будут играть соединения со значительно большей температурой кипения и плавления. Такими соединениями могут стать серная кислота, сульфиды фосфора и такое абсолютно неизученное соединение, как Н3PS4-серный аналог ортофосфорной кислоты, получающийся из фосфористого водорода и H2S.

В целом же, сложные молекулы с кремниево-кислородной цепью менее устойчивы по сравнению с углеродными аналогами. К тому же, соединения кремния не настолько разнообразны по строению, как белки.

Другая проблема заключается в том, что диоксид кремния (основной компонент песка), который является аналогом углекислого газа, представляет собой твердое, плохорастворимое вещество. Это создаст трудности для поступления кремния в биологические системы, основанные на растворах, даже если окажется возможным существование биологических молекул на его основе.

Кроме того, во всем разнообразии молекул, которые были обнаружены в межзвездной среде, 84 основаны на углероде и лишь 8 — на кремнии. Более того, из этих 8 соединений, 4 также включают в состав углерод. Примерное соотношение космического углерода к кремнию — 10 к 1. Это дает основание предполагать, что сложные углеродные соединения более распространены во Вселенной, уменьшая шанс формирования биологических молекул на основе кремния, по крайней мере, в тех условиях, что можно ожидать на поверхности планет.

На Земле, как и на других планетах земной группы, много кремния и очень мало углерода. Однако, земная жизнь развилась на основе углерода. Это, вероятно, свидетельствует в пользу того, что этот элемент куда более подходит для формирования биохимических процессов на планетах, подобных нашей. Остается возможность того, что при других условиях температуры и давления, кремний может участвовать в формировании биологических молекул в качестве замены углероду.

Следует отметить, что соединения кремния (в частности, диоксид кремния) используются некоторыми организмами на земле. Из них свой панцирь формируют диатомовые водоросли, получая кремний из воды. В качестве структурного материала соединения кремния также используются радиолярией, некоторыми губками и растениями, они входят также в состав соединительной ткани человека.



Азот и фосфор



Азот и фосфор считают другими претендентами на роль основы для биологических молекул. Как и углерод, фосфор может составлять цепочки из атомов, которые, в принципе, могли бы образовывать сложные макромолекулы, если бы он не был таким активным. Однако, в комплексе с азотом, возможно образование более сложных ковалентных связей, что делает возможным возникновение большого разнообразия молекул, включая кольцевые структуры.

В атмосфере Земли азота около 78 процентов, однако в силу инертности двухатомного азота, энергетическая "цена" образования трехвалентной связи слишком высока. В то же время, некоторые растения могут связывать азот из почвы в симбиозе с анаэробными бактериями, живущими в их корневой системе. В случае присутствия в атмосфере значительного количества диоксида азота или аммиака, доступность азота будет выше.



Азот и бор



Атомы азота и бора, находящиеся в "связке", в определённой степени имитируют связь углерод-углерод. Так, известен боразол B3N3H6, который иногда называют "неорганическим бензолом". Являясь неорганическим аналогом бензола, боразол напоминает бензол по своим физическим свойствам (агрегатное состояние, интервал кипения, плотность и т.п.). В то же время, химические свойства боразола и бензола резко различаются. Реакционная способность боразола выше, чем у бензола вследствие полярности связей (три атома азота поставляют свои неподеленные электронные пары на свободные орбитали атомов бора). Так, он окисляется на воздухе, растворим в воде, с которой постепенно реагирует с образованием В(ОН)3, NH3 и Н2, и менее термически устойчив, чем бензол. Всё же, на основе комбинации бора с азотом невозможно создать всё то разнообразие химических реакций, известных в химии углерода. Тем не менее, принципиальную возможность такой замены в виде каких-то отдельных фрагментов искусственных (или инопланетных) биомолекул, нельзя полностью исключать.



Аммиак



Гипотетическая аммиачная биохимия, или, как ее еще называют, химия Франклина, получается простой заменой кислорода в органической молекуле на амино-группу (=NH). А вместо воды в качестве универсального растворителя используется аммиак.

При нормальном давлении аммиак существует как жидкость в очень узком интервале температур от -77,7 до -33,4 градуса Цельсия. Критической температуре + 132,4 градуса, то есть температуре, выше которой нельзя получить аммиак в виде жидкости, соответствует давление 120 атмосфер. Скрытые теплоты у аммиака равны 332 калориям на грамм для парообразования и 84 калориям на грамм для плавления. По этим параметрам аммиак похож на воду.

Авторы моделей "аммиачной жизни" утверждают, что в полностью безводных условиях аммиачные формы белков будут действовать как ферменты-катализаторы столь же хорошо, как и в обычных водных средах. Это предположение выглядит сомнительно, так как скорее всего в жидком аммиаке белки-ферменты из-за изменения их структуры не смогут "работать". Кроме того, если исходить из требования нормальных скоростей химических реакций, необходимо сильно повысить точку кипения аммиака (скажем, до 100 градусов), что соответствует более высоким давлениям около 60 атмосфер.

Очень трудно представить себе, что при выбранных значениях давления и температуры могут где-либо существовать полностью безводные условия. Но как только мы переходим к водным растворам аммиака, аммиачные аналоги белков оказываются в сильно щелочной среде и перестают работать как ферменты.

Для регулировки деятельности клеточных мембран в аммиачной химии предлагаются такие экзотические соединения, как хлористый цезий или хлористый рубидий. Из-за малой космической распространенности цезия и рубидия подобная схема может представлять интерес только для умозрительных построений.



ЗАМЕНА ВОДЫ



Одним из требований для растворителя, способного к поддержанию альтернативной жизни, является то, что это вещество должно оставаться жидким в большом интервале температур. Вода является жидкой в интервале от 0 °С до 100 °С, — но существуют другие растворители, например, серная кислота, — которые остаются в жидком состоянии в интервале 200 °С и более.



Аммиак



Аммиак часто рассматривается в качестве наиболее вероятного (после воды) альтернативного растворителя для возникновения жизни на какой-либо из планет. Жидкий аммиак по ряду свойств напоминает воду, но следует заметить, что при замерзании твёрдый аммиак не всплывает вверх, а тонет (в отличие от водного льда).

Кроме того, выбор аммиака как растворителя исключает выгоды от использования кислорода как биологического реагента. Однако это не исключает возможности возникновения альтернативной жизни на планетах, где аммиак имеется в смеси с водой.



Фтороводород



По ряду свойств фтороводород напоминает воду. Так, он тоже способен к образованию межмолекулярных водородных связей. Однако стоит учитывать, что на 1 атом фтора в наблюдаемой вселенной приходится 10000 атомов кислорода, поэтому трудно представить на какой-либо планете условия, которые благоприятствовали бы образованию океана, состоящего из HF, а не из H2O.

Другой серьёзный аргумент против такой возможности заключается в том, что твёрдая поверхность большинства планет (которые её имеют), состоит из двуокиси кремния и алюмосиликатов, с которыми, как известно, фтористый водород реагирует по реакции:



SiO2 + 6 HF => H2SiF6 + 2 H2O



Цианистый водород



Цианистый водород HCN также способен к образованию водородных связей, но в отличие от HF, он состоит из широко распространённых во Вселенной элементов. Более того, считается, что это соединение играло значительную роль в предбиологической химии Земли — например, в образовании аминокислот, нуклеотидов и других компонентов "первичного бульона".

Тем не менее, цианистый водород не подходит в качестве возможного растворителя для альтернативной биохимии хотя бы потому, что это соединение термодинамически неустойчиво. Так, жидкий цианистый водород довольно быстро осмоляется, особенно в присутствии катализаторов (в роли которых могут выступать кислоты, основания, глина и многие горные породы), причём иногда разложение HCN протекает со взрывом. По этим причинам HCN не способен образовать океан на какой-либо планете.