жизнь на Земле. Иногда для сцепления с другим атомом углерода используется сразу два валентных электрона – представьте себе, что два атома сцеплены друг с другом двумя парами липучек вместо одной. Эти так называемые двойные связи играют основную роль в создании того разнообразного и сложного строения, которое мы наблюдаем среди углеродосодержащих молекул на Земле.
Одна из наиболее примечательных молекул на основе углерода – ДНК. Эта молекула позволяет живым существам на Земле передавать генетическую информацию от поколения к поколению. Для этого используются четыре молекулы, называемые азотистыми основаниями. Эти основания обычно обозначаются по первым буквам своих названий – аденин, гуанин, цитозин и тимин – и их последовательность в ДНК организма представляет собой закодированную информацию, передающуюся из поколения в поколение. Мы уверены, что любая жизнь, построенная на основе химических соединений, должна иметь в своем составе что‐то, что играло бы роль ДНК – что‐то, что может передавать информацию от поколения к поколению. Очевидно, что это «что‐то» не обязано быть идентичным нашей ДНК. И действительно, ученые сумели создать в лаборатории ДНК, в которой информация кодируется на основе других молекул. Тем самым можно считать доказанным, что в других мирах могут образовываться и другие молекулы, переносящие информацию.
История кремния
Многие ученые подходят к вопросу о жизни, построенной на другой основе, так: они берут некоторую функцию, которую в живых организмах на Земле выполняют углеродосодержащие молекулы, а затем пытаются понять, могут ли ту же самую функцию выполнить молекулы на базе атомов другого элемента. Мы вполне можем начать наш разговор по этой же схеме – хотя ниже мы еще поговорим о том, что она может быть связана с неоправданными ограничениями.
Однако, прежде чем углубиться в подробное обсуждение поведения конкретных атомов, стоит уделить немного внимания еще одному вопросу – распространенности химических элементов в природе. Очевидно, что более распространенные атомы с большей вероятностью могут послужить основой для возникновения жизни, чем атомы редкие. Поэтому в последующем изложении мы сосредоточимся на часто встречающихся элементах и не будем рассматривать возможность возникновения жизни на основе элементов более редких.
Если взглянуть на нашу Солнечную систему или на Галактику в целом, мы увидим, что самые распространенные элементы – это водород и гелий, а сразу за ними идут кислород и углерод. Отметим один момент, важный для наших последующих рассуждений: в Солнечной системе на один атом кремния приходится примерно 10 атомов углерода. Один‐ноль в пользу углеродных шовинистов.
Однако, если посмотреть на Землю, ситуация изменится. Образование планет земной группы сопровождалось своего рода процессом сортировки: на Земле, к примеру, почти отсутствует гелий, хотя во Вселенной он очень распространен. Мы считаем, что большое количество углерода, который мог войти в состав формирующейся Земли, вместо этого оказалось в составе летучих соединений, вытесненных прочь из внутренней Солнечной системы излучением новорожденного Солнца. Таким образом, сейчас на Земле на один атом углерода приходится около 30 атомов кремния – полная противоположность изобилию этих атомов в Солнечной системе в целом. Один‐один в пользу любителей кремния – хотя большая часть его на Земле и замкнута в составе минералов, залегающих глубоко под поверхностью и поэтому непригодных для поддержания жизни.
Теперь, когда мы разобрались с распространенностью элементов, ключевым вопросом, который нам следует задать, говоря о возможности жизни, непохожей на нашу, будет следующий: существуют ли отличные от углерода атомы, которые могли бы дать нам такую же степень молекулярной сложности, какую мы наблюдаем у земных организмов? Способны ли эти атомы так же образовывать цепи, кольца и другие сложные структуры, как это делает углерод, и таким образом обеспечить огромное разнообразие молекул, необходимых для возникновения жизни? Ответ на этот вопрос, как мы уже говорили выше, заставляет нас пристальнее приглядеться к кремнию.
Самый простой способ наглядно представить себе, как это может происходить, – вспомнить о приведенном выше втором правиле квантовой механики. Вернемся к нашему атому углерода и разместим вокруг его ядра еще восемь электронов (разумеется, добавив столько же протонов в само ядро). Таким образом мы получим атом, который, как и углерод, будет иметь четыре валентных электрона: ведь четыре из восьми новых электронов заполнят до конца вторую орбиталь, а остальные четыре разместятся на следующей орбитали, где в свою очередь смогут образовывать связи с другими атомами. Элемент, имеющий на восемь электронов больше, чем углерод, и есть кремний, расположенный в периодической таблице прямо под ним.
Проделанные нами мысленные упражнения помогают понять, почему гипотеза о жизни на кремниевой основе уже несколько десятилетий остается излюбленной темой научной фантастики. С точки зрения химии кремний – наиболее похожий на углерод элемент, и к тому же, как мы уже сказали, во Вселенной он довольно распространен. Повторив это, однако, мы должны заметить, что между углеродом и кремнием существует и фундаментальное различие. Валентные электроны кремния находятся на третьей орбитали, в то время как у углерода они располагаются на второй – и, таким образом, атом кремния заметно больше. Химикам вполне очевидно, что вследствие этого различия атомам кремния гораздо труднее образовывать длинные цепи. Это значит, что цепочки кремниевых атомов вряд ли смогут сыграть для кремниевой жизни такую же роль, какую молекулы типа ДНК играют для жизни углеродной: «липучки» двух атомов кремния оказываются слишком далеко друг от друга, чтобы сцепиться друг с другом больше чем в одном месте. Таким образом, сложность, которую мы наблюдаем, глядя на соединения углерода, оказывается просто недостижимой для соединений кремния. Отражением этого служит тот факт, что в органической химии для описания наиболее сложных молекул на основе кремния употребляются такие выражения, как «монотонные».
Еще одна проблема встает перед нами, когда мы обращаемся к вопросу обмена веществ кремниевой жизни. Метаболизм жизни углеродной основан на соединении атмосферного кислорода с углеводородами – молекулами, содержащими атомы углерода и водорода. Простейший пример такого процесса – горение метана, молекулы, в которой один атом углерода связан с четырьмя атомами водорода. Конечные продукты этой реакции – диоксид углерода (углекислый газ) и вода. (В ходе этой реакции кислород, содержащийся в воздухе, соединяется с входящими в состав метана углеродом, образуя углекислый газ, и водородом, образуя воду.) Обе эти субстанции легко удаляются из очага, в котором организм вырабатывает энергию, – ровно тогда вы и выдыхаете углекислый газ, образовавшийся вследствие этого взаимодействия с кислородом.
Аналогичной реакцией в кремниевом мире было бы горение молекулы, в которой один атом кремния связан с четырьмя атомами водорода, – вещества, называемого моносиланом или силикометаном. В результате в качестве отходов получился бы диоксид кремния (кремнезем). При нормальной температуре это твердая субстанция, которая входит в качестве основной составляющей в кварц и песок. Вывести
