тонет. Поэтому когда речь заходит о больших объемах воды, лед, как правило, образует теплоизолирующий слой и вода под ним остается жидкой – еще одно очевидное преимущество для живых организмов. Если бы лед был плотнее жидкой воды, он опускался бы на дно сразу после формирования, и озеро или океан промерзали бы на всю глубину. И это, как минимум, создало бы некоторое неудобство для водных форм жизни.
Но самое важное, с нашей точки зрения, свойство воды – она способна растворять самые разные вещества. Ее часто называют универсальным растворителем – она может растворить гораздо больше субстанций, чем любая другая обычная жидкость. Это значит, что молекулы других веществ, растворенные в воде, могут свободно двигаться и взаимодействовать друг с другом – еще один несомненный плюс для развития жизни. Причина этой способности заключается в том, что молекула воды – пример так называемой полярной молекулы.
Поясним, что мы имеем в виду: силами, действующими между атомами в молекуле воды, управляют законы квантовой механики; именно они определяют конфигурацию атомов. Если представить себе, что атом кислорода – это голова, то два водородных атома – прикрепленные к ней уши Микки‐Мауса, причем угол между линиями, проведенными от ядра кислорода к ядрам водорода, составит 105 градусов. Законы квантовой механики говорят нам, что электроны в молекуле будут стремиться сосредоточиться вокруг атома кислорода. Таким образом, хотя молекула воды в целом электрически нейтральна, один ее конец будет заряжен отрицательно, а другой – положительно. Такое распределение заряда и поляризует воду. А теперь посмотрим, как это работает, когда вода растворяет другое вещество.
Представьте, что молекула воды приближается к куску какого‐нибудь вещества. Пусть для большей определенности она движется отрицательным концом вперед. На молекулу нашего вещества в этот момент будут действовать электрические силы от обеих концов приближающейся молекулы воды, но при этом силы, связанные с отрицательным, более близким ее концом, будут оказывать большее влияние. Можно сказать, что для молекулы нашего вещества молекула воды будет иметь в целом отрицательный заряд. Поэтому электроны в молекуле вещества будут отталкиваться от приближающейся молекулы воды, и область вещества, с которой сближается молекула воды, окажется заряженной положительно. Таким образом получится, что отрицательно заряженный конец молекулы воды будет сближаться с положительным концом молекулы вещества.
Мы знаем, что противоположные электрические заряды притягиваются. Это означает, что как только электроны сдвинутся, как описано выше, между молекулой воды и молекулой вещества возникнет сила притяжения. Она потянет молекулу вещества прочь от ее исходного положения, и по мере развития этого процесса вещество начнет растворяться – молекула за молекулой.
Каждый, кто занимался готовкой, знает: чтобы удалить липкое вещество с поверхности тарелок и мисок, надо на время оставить грязную посуду в воде. Эта кухонная мудрость как раз и объясняется тем, что процессы поляризации, инициируемые конфигурацией электронов в молекуле воды, медленно растворят прилипшее вещество.
Ученые задумывались о множестве веществ, которые могли бы заменить воду в химических процессах, связанных с возникновением и развитием жизни. По сути, мы можем здесь говорить о двух функциях воды. Одна, связанная с тем, о чем мы говорили выше, состоит исключительно в том, что вода служит средой, поддерживающей существование сложных молекул. Писатель‐фантаст и биохимик Айзек Азимов придумал слово талассоген («мореобразователь») для описания жидкостей, способных образовывать океаны. Вторая функция воды – участие в химических процессах жизни. Образование молекул воды играет важную роль в создании так называемой пептидной связи, которая, к примеру, связывает белки.
Рассмотрим два возможных заменителя воды. Один из них – аммиак, широко распространенная молекула, достаточно похожая на молекулы воды; второй – метан. О нем мы будем говорить еще и потому, что один метановый океан во Вселенной нам уже известен – на спутнике Сатурна Титане.
Начнем с аммиака (NH3). Это довольно распространенное вещество, состоящее из двух часто встречающихся элементов – азота и водорода – было одной из первых сложных молекул, обнаруженных в межзвездных облаках. Вы, вероятно, знакомы с его водным раствором – самое обычное моющее средство, часто используемое для очистки стекла и керамики, поскольку при высыхании оно не оставляет потеков. И, конечно же, оно играет ключевую роль в производстве удобрений, с помощью которых относительно малое число фермеров способно прокормить миллиарды людей, населяющих нашу планету. При давлении в 1 атмосферу и температуре между −78° и −33 °C аммиак пребывает в жидком агрегатном состоянии. В этом состоянии он способен растворять самые разные вещества, в том числе некоторые металлы. Вдобавок многие молекулы, обнаруживаемые в углеродных соединениях, достаточно похожи на соединения на основе аммиака. Эти химические свойства аммиака и его достаточно большая распространенность и заставляют некоторых ученых считать, что он может заменить воду при развитии жизни.
Здесь возникают, однако, некоторые проблемы. Вероятно, самая крупная из них состоит в том, что аммиак становится жидким только при температурах, существенно более низких, чем земные. При этом существует общее правило: при понижении температуры химические реакции замедляются. Именно поэтому мы пользуемся холодильниками и морозилками – ведь разложение пищевых продуктов есть не что иное, как химический процесс. У химиков есть простое правило, подтвержденное практическим опытом: скорости реакций падают вдвое при понижении температуры на каждые последующие 10 °C. Следовательно, химические реакции в аммиачном океане шли бы примерно в 30–50 раз медленнее, чем они протекают в относительно теплых океанах Земли. А значит, развитие жизни, на которое на Земле ушли сотни миллионов лет, в океанах аммиака могло бы занять несколько миллиардов лет. (С проблемой температуры мы столкнемся в еще более острой форме, когда будем обсуждать свойства жидкого метана.)
Впрочем, мы не считаем сравнительно низкую температуру жидкого аммиака препятствием для развития жизни, углеродной или другой. Просто в мире, где океаны состоят из аммиака, жизнь эволюционировала бы гораздо дольше. Таким образом можно было бы рассчитать для планетных систем с океанами жидкого аммиака новые границы зон обитания – хотя нам неизвестно, предпринимались ли такие попытки. Вероятно, эти зоны лежали бы дальше от материнских звезд, чем зоны обитания, рассчитанные для жидкой воды.
Часть ученых, однако, всерьез сомневается в пригодности аммиака в качестве среды для жизни. Их возражения сводятся к тому факту, что силы, которые удерживают молекулы жидкости вместе, у аммиака гораздо слабее, чем у воды. Отметим к слову, что именно с этим свойством и связана способность аммиака не оставлять разводов и потеков на стекле. Взаимное притяжение между молекулами воды вызывает поверхностное натяжение, которое и заставляет воду собираться в капли на стекле. В случае жидкого аммиака поверхностное натяжение ниже, капель образуется меньше и поэтому потеков не остается. К несчастью, это же свойство молекул аммиака
