Може ли да има алтернативен невъглероден живот

Макар, че досега ни е известен само земния въглеродно-белтъчен-нуклеиново-воден живот, това не означава, че в безграничния Космос не може да съществуват и други форми.

Известният астрофизик и основател на програмата SETI Карл Сейгън обвини научния свят, че в търсенето на извънземен живот обръща внимание само на органичния, т.е. въглеводородния живот. Той нарича това ограничено въображение "въглероден шовинизъм" (Carbon chauvinism).

Дали животът не може да има различни форми, например, да се основава не на въглерод, а на силиций или на други елементи?

Основа на живота във Вселената могат да бъдат:

• Широко разпространените химически елементи от IV-VII група от таблицата на Менделеев (въглерод, силиций, кислород, флуор, азот, фосфор, сяра и т.н.), способни да образуват сложни молекулярни вериги и да изпълняват функциите на органични молекули.
• Химическите съединения (амоняк NH₃, смес на вода с амоняк, сероводород H₂S, синилна киселина HCN, флуороводород HF и т.д.), имащи свойството да бъдат едновременно киселина и основа, способни да бъдат биологични разтворители.

Амонячният живот

е втория по вероятност на разпространения след земния. Амонякът има достатъчно висока точка на топене, кипене и топлоемкост, остава течен в диапазон от температури от –77,7^о С до –33,4^о С при нормално налягане, а при нарастване на налягане температурата на кипене се увеличава (до +132,4^о С при р = 112 атм). Океани и морета от течен амоняк (или смеси на амоняк с вода и хидроксиламин NH₂OH) не по-зле от хидросферата на Земята биха смекчавали колебанията на температурите. Амонякът има и някои биологични преимущества пред водата (по-нисък вискозитет, способност да разтваря органични съединения и т.н.)

Но ако приемем амонякът като основа за живот, то ще се появят някои проблеми. Температурата му на кипене е двойно по-ниска от тази на водата, а повърхностното му напрежение е 3 пъти по-малко. Това означава, че амонячните форми на живот биха били доста неопределени. Във всеки случай, ако ги срещнем – ще бъдем изненадани. "Амонячният" живот може да процъфтява на относително хладни планети от земната група или планетоиди с плътни атмосфери.

Живот в други разтворители

По-малко вероятен е живот на повърхността на неголеми планети с атмосфери от дициан C₂N₂ и хидросфери от циановодородна (синилна) киселина HCN (t_{замръзване} = –13,4^o С, t_кипене = +25,6^o С при р = 1 атм).

В плътните атмосфери на планетите-гиганти в условията на ниски температури (от – 100^o С до – 50^o С) може да възникне сероводороден живот. Живот може да се появи и на повърхността на планети с плътни атмосфери от смес от газовете CS₂, COS, CH₄, N₂, Ar, и хидросфери от серен диоксид SO₂ (t_{замръзване} = – 75,5^o С, t_кипене= – 10,2^o С при р = 1 атм).

Силициев живот

С какво е забележителен силиция?

• втори по разпространение на Земята след кислорода. Повече от една четвърт (27,6%) от масата на земната кора се състои от силиций.
• най-близък химичен аналог на въглерода с всички произтичащи от това последствия.
  • най-голямо разнообразие на валентност след въглерода, естествено. От другите елементи само атомите на силиция могат да се съединяват един с друг с ковалентни връзки.
  • Например, подобно на въглерода се обединява с 4 водородни атоми; аналогичен на метана (CH4) е силициевия продукт силан, (SiH4); силикатите са аналози на карбонатите и т.н.
  • И двата елемента оформят дълги вериги, полимери. 

Силицият образува тримерни мрежести полимери, основани на връзките Si–O–Si. Кислородът е толкова задължителен участник в силициевите вериги, колкото водорода във въглеродните.

Нека да ги сравним:

На пръв поглед, силицият е подходящ заместник на въглерода, но какво му пречи?

Някои проблеми със силициевия метаболизъм

Нека си представим някои биологични процеси с главен участник силиций:

• дишането. Когато въглеродът се окислява при респираторния процес в земен организъм се получава въглероден диоксид, който е газ и лесно се отделя, докато окислението на силиция дава силициев диоксид, който е твърдо тяло, представляващо решетка, в която всеки силициев атом е обкръжен с четири кислорода. Да се отърваваш от него при всяко издишване би било сериозно предизвикателство.
• силициевите съединения са трудно разтворими и химически инертни, качества все неподходящи за поддържане на метаболизма поне при земни условия

Възможно е други планети да са по-подходящи за Si-живот – такива, при които силициевите съединения са газообразни или течни и имат по-високи температури и налягане.

За да се развиват формите на живот са необходими сложни и стабилни съединения, ензими, белтъци, ДНК. Докато въглеродът с лекота съставя многообразни структури (пръстени, дълги вериги и много важните двойни спирали), силицият не е на същата висота. Има милион стабилни въглеводородни съединения, а силициевите аналогични структури са сравнително неустойчиви и далеч не така многобройни – само няколко стотин.

Силицият се среща рядко в Космоса

Въпреки широкото си разпространение на Земята, във Вселенната силицият е доста по-рядък от въглерода - цели седем пъти.
Астрономите не откриват често молекули на силиций или силициеви съединения нито в метеоритите и кометите, нито в атмосферата на гигантските планети, в междузвездното пространство или във външните слоеве на студените звезди – докато въглеродните съединения, при това и по-сложни – като глицин, се срещат значително по-често.

На науката са известни около 400 000 неорганични съединения (в т.ч. силициеви), но органичните съединения са 8 000 000 и всяка година се увеличават с около 200 000 нови.

От ляво на дясно: хвощ, диатомеи и радиоларии, няколко от малкото организми на Земята, чиято външна структура съдържа силиций.

Основата на органичния живот - въглеродът и водата са едни от най-разпространените вещества във Вселената. От 7 най-разпространените по маса елементи в нашата галактика, 4 са в състава на основните градивни елементи на живота на Земята и заедно с азота са 96% от масата на нашето тяло.

Силицият няма оптични изомери

Важна химична особеност, която липсва при силиция е хиралноста, т.е. липсата на оптични изомери.

Съвременното естествознание е достигнало до едно важно откритие, свързано със симетрията и касаещо разликите между живо и неживо. "Живите" молекули, т.е. молекули на органичните вещества, които изграждат живите организми са различни от "неживите", т.е. получени изкуствено и са огледално симетрични - като лява и дясна ръкавица. Това свойство се нарича хиралност. Неживите хирални молекули се срещат в природата както в "ляв", така и в "десен" вариант, т.е. те са хирално нечисти. "Живите" молекули могат да бъдат само в ориентация - "лява" или "дясна", т.е. те са хирално чисти. Например, спиралата на една ДНК молекула е винаги дясна, глюкозата, образувана в организма е с дясна форма, а фруктозата - лява.

Ето защо, най-важната способност на живите организми е създаването на хирално чисти молекули - именно това определя биохимичната граница между живо и неживо.

Съществува любопитна теория, според която сортирането на въглеводородни съединения с определена изомерия в пребиотичната "супа" е ставало на повърхността на силикати. Така, че ако шансовете за силициев живот може и да са незначителни, то той може да е изиграл решаваща роля при възникването на въглероден живот на Земята.

Нима сме единственият въглероден вариант?

Все пак в рамките на органичната химия едва ли сме единственият вариант. Съвременната наука все още не може да даде точен отговор защо нашата органична форма на съществуване е такава, каквато е при огромното разнообразие от съединения на аминокиселините (градивните елементи на протеините). Най-вероятно, това е просто случайно. Природата е избрала първия й попаднал относително стабилен вариант на биополимер и на негова база е започнала да гради живота.

Това предполага потенциално голямо разнообразие на основи за възникване на живот при различни климатични условия.

Поради голямото разнообразие от органични съединения, животът на други планети може да бъде и в доста парадоксални форми. Дори на същата биохимична основа, животът в алтернативните светове може да бъде изградена от "десни" аминокиселини и "леви" въглехидрати, а не обратното както на Земята. А разликата може да бъде много по-значителна от хиралната ориентация.

Калций срещу силиций

Докато концентрацията на калция в древният океан била още ниска, силицият е изпълнявал многобройни функции, в това число функциите по създаването на първите опорни, скелетни структури в примитивните организми. Впоследствие го е изместил по-лекия и леснореагиращ калций. Ето няколко примера:

• Най-древните в еволюционен план примитивни организми: морските гъби, радиолариите и диатомеите имат силициев скелет, по-напредналите - силициево-калциев, а най-еволюционно напредналите - калциев.

Вляво е радиолария, вдясно - диатомеа.

• Друг пример са най-древните риби (акули, скатове), чиито скелети са богати на силиций. При по-еволюционно напредналите риби - костните - имат повече калций в костите си.

И накрая - човекът. Биогенетичният закон на Хекел гласи: Онтогенезата е кратко повторение на филогенезата. С други думи, всеки жив организъм повтаря в измененията на зародиша си всички еволюциони промени на предците си. В многобройни изследвания е установено, че най-висока концентрация на силиций има в човешкия зародиш, а до момента на раждане тя постепено намалява. И от раждането до старостта у човека съотношението на силиция и калция във всички тъкани на организма, особено в съединителните, се изменя в полза на калция. Високата концентрация на калция е причина за много "болести на цивилизацията" - крехкост на костите, калциране на кръвоносните съдове и хрущялите и др.

Източник:

La chimie du silicium, luxorion

Още по темата

29/09/2015

Космос

Солената вода на Марс