Кремниевая жизнь: Ученые доказали вероятность существования кремниевых форм жизни — Платформа — «Новини»

Кремниевую жизнь можно синтезировать на Земле / Хабр

Жизненная форма на основе кремниевой органики. Рендер: Lei Chen and Yan Liang (BeautyOfScience.com) для Калифорнийского технологического института в Пасадене

Авторы научно-фантастических произведений давно предполагали, что инопланетная жизнь не обязательно должна быть основана на углероде. Например, в качестве основы может использоваться ближайший аналог углерода в таблице Менделеева — кремний (Si). Он похож на углерод по некоторым химическим свойствам. Например, подобно атомам углерода, для атомов кремния является характерным состояние sp³-гибридизации орбиталей. Специалисты называют кремний наиболее вероятным претендентом на роль структурообразующего атома в альтернативной биохимии.

Странно только то, что в земной природе таких организмов почему-то не обнаружено. Живые клетки упорно отказывается использовать кремний по своей воле. Но если природа не может сделать этот шаг и перейти на кремний — можно ей помочь. Специалисты с кафедры химии и химических технологий Калифорнийского технологического института в Пасадене впервые в истории науки получили органические клетки с углеродно-кремниевой химической связью с помощью живого биокатализатора. Об этом открытии сегодня 25 ноября 2016 года написал журнал Science.

Кремний составляет почти 30% массы земной коры, это второй по распространённости химический элемент на Земле. Несмотря на это, до сих пор не обнаружено ни одного живого организма, способного формировать углеродно-кремниевые химические связи. По каким-то причинам в природе органические смеси на основе кремния не встречаются, хотя это отличные материалы, которые синтезированы и используются в промышленности и медицине. Например, в исследованиях новых лекарств углерод заменяют на кремний, чтобы обойти патентные ограничения на стандартные формулы с углеродом. В химии тоже используются органические полимеры на основе кремния. Их применяют в сельском хозяйстве и полупроводниковой промышленности.

Хотя кремний в избытке присутствует в земной коре, синтезировать органический кремниевый полимер стандартными методами очень непросто. Это многоступенчатый технический процесс, который в некоторых случаях требует использования катализаторов из драгоценных металлов (родий, иридий), низкой температуры, а также галогенсодержащих растворителей.

Процедура очень сложная, так что учёные задумывались о том, чтобы для такой задачи лучше всего будет использовать генетически модифицированный биологический фермент. Известно, что ферменты способны осуществлять различные химические реакции с высокой точностью и эффективностью гораздо выше, чем у стандартных методов химического синтеза. В этой роли фермент выполняет роль биокатализатора. Его легко включить в ряд других техник биомедицины.

Фермент для создания кремниевой органики — дешёвый способ, позволяющий использовать ресурсы из окружающей среды. Процесс будет идти в естественных условиях без дополнительных усилий и помощи извне.

Учёные из Калифорнийского технологического института в Пасадене предположили, что для такой задачи лучше всего подойдут гемопротеины, которые в оригинальном виде в живом организме содержат небелковые компоненты: железо или магний. К такого рода белкам относятся гемоглобин и его производные, хлорофилл-содержащие белки и ферменты и др.

По идее, модифицированный гемопротеин мог бы стать катализатором для внедрения карбена (соединения двухвалентного углерода) в кремниево-водородную химическую связи. Таким образом произошло бы связывание кремния с органической белковой цепочкой. Учёные испытали несколько земных организмов, в организме которых присутствует данный гемопротеин — и нашли наиболее подходящий организм. Такой оказалась бактерия-экстремофил Rhodothermus marinus, которая обитает в гейзерах Исландии.

Учёные взяли у бактерии Rhodothermus marinus гем-содержащий белок цитохром с — и внедрили его в кишечную палочку (E.coli), стандартную бактерию для таких генных опытов. Поначалу E.coli с гемопротеином не очень хорошо справлялась с задачей, но через три поколения мутаций эффективность образования кремниево-углеродных связей значительно увеличилась.

После трёх поколений направленных мутаций такой биокатализатор стал в 15 раз раз эффективнее, чем любой синтетический катализатор для синтеза кремний-органических полимеров.

На видео: структура небольшого гем-содержащего белка цитохром с у бактерии Rhodothermus marinus. В центральном районе виден атом железа красного цвета. Исследователи модифицировали аминокислоты в районе, обозначенном розовым цветом, чтобы этот гемопротеин смог работать в качестве катализатора для формирования кремниево-углеродных связей

Перед исследователями стояла задача удешевить и оптимизировать производство кремниевых органических полимеров, которые нужны промышленности. Они не ставили задачу создать кремниевую или кремний-углеродную жизнь. Но невольно учёные сделали первый шаг на этом пути. Генно-модифицированные бактерии способны создавать кремний-углеродные связи в живых клетках. Теоретически, с их помощью можно выращивать живые организмы на основе углеродно-кремниевой биохимии, как и предполагалось в научной фантастике.

Научная работа опубликована 25 ноября 2016 года в журнале Science (doi: 10.1126/science.aah6219)

Кремниевая жизнь | это… Что такое Кремниевая жизнь?

Альтернативная биохимия изучает возможность существования форм жизни, которым свойственны биохимические процессы, полностью отличающихся от возникших на Земле. Обсуждаемые отличия включают замену углерода в молекулах органических веществ на другие атомы, и/или воды в качестве растворителя на другие жидкости. Подобные явления нередко описываются в фантастической литературе.

Замена углерода

Ученые немало высказывались на тему возможности построения органических молекул с помощью других атомов, но никто не предложил теорию, описывающую возможность воссоздания всего многообразия элементов, необходимых для существования жизни.

Кремний

Гипотетическая жизнь, основанная на кремнии, в представлении художника.

Среди наиболее вероятных претендентов на роль структурообразующего атома в альтернативной биохимии называют кремний. Он находится в той же группе периодической таблицы, что и углерод, эти два элемента во многом схожи. 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, они легче разрушаются. 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 кремниевая жизнь может существовать на планетах со средней температурой, значительно превышающей земную. Кроме того, роль универсального растворителя в этом случае будет играть уже не вода, а соединения со значительно большей температурой кипения и плавления.

Так, например, предполагается, что они будут стабильнее углеродных молекул в среде, насыщенной серной кислотой, то есть в условиях, которые могут существовать на других планетах^[1]. 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 ^[2]. 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 жизни 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. В атмосфере других планет, кроме того, могут существовать и другие оксиды азота.

Подобно растениям на земле (например бобовым), инопланетные формы жизни могли бы усваивать диоксид азота из атмосферы. В таком случае мог бы сформироваться процесс наподобие фотосинтеза, когда энергия солнца тратилась бы на образование аналогов глюкозы с выделением кислорода в атмосферу. В свою очередь, животная жизнь, стоящая выше растений в пищевой цепочке, усваивала бы из них питательные вещества, выделяя диоксид азота в атмосферу, и соединения фосфора в почву.

В аммиачной атмосфере растения с молекулами на основе фосфора и азота получали бы соединения азота из воздуха, фосфор из почвы. В их клетках происходило бы окисление аммиака для образования аналогов моносахаридов, водород бы выделялся в качестве побочного продукта. В данном случае животные будут вдыхать водород, расщепляя аналоги полисахаридов до аммиака и фосфора, то есть энергетические цепочки формировались бы в обратном направлении, по сравнению с существующими на нашей планете. (У нас бы вместо аммиака в данном случае распространён бы был метан).

Споры на эту тему далеко не окончены, так как некоторые этапы цикла на основе фосфора и азота являются энергодефицитными. Так же представляется спорным, чтобы во Вселенной соотношения этих элементов встречались в необходимой для возникновения жизни пропорции.

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». 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.

Замена воды

Аммиак

Аммиак часто рассматривается в качестве наиболее вероятного (после воды) альтернативного растворителя для возникновения жизни на какой-либо из планет. При давлении в 1 атм. он находится в жидком состоянии при температурах от −78 до −33 ⁰C. 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).

Поэтому океан, состоящий из жидкого NH₃ , будет легко промерзать до дна. 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 жизни 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.

«Зеркальный мир»

В живой природе Земли все аминокислоты имеют L-конфигурацию, а углеводы — D-конфигурацию. В принципе, можно представить себе «зеркальный мир», в котором живые организмы имеют ту же биохимическую основу, как и на Земле, — за исключением её полной зеркальной симметричности: в таком мире жизнь могла бы быть основана на D-аминокислотах и L-углеводах. Такая возможность не противоречит ни одному из известных на сегодня законов природы.

Одним из парадоксов такого гипотетического мира является тот факт, что попав в такой мир (являющийся зеркальной копией Земли), человек мог бы умереть от голода, несмотря на обилие пищи вокруг. ^[3]

Нехимические способы жизни

Некоторые философы, например Циолковский, считали, что жизнь может принимать форму способных к сохранению формы и самовоспроизведению в некоторых условиях плазмоидов, прототипом которых служит шаровая молния. В последнее время благодаря компьютерному моделированию возможность существования плазменных форм жизни получила некоторое теоретическое обоснование ^[4].

Альтернативная биохимия в фантастических произведениях

• В научно-фантастической повести русского учёного и писателя-фантаста Ивана Ефремова «Сердце Змеи» (1958) описывается контакт землян с инопланетной гуманоидной цивилизацией, в биохимии родной планеты которых роль кислорода играет фтор.

• В НФ повести А. Днепрова «Глиняный бог» рассматривается жизнь на основе кремния.

• В НФ рассказе А. Константинова «Контакт на Ленжевене» также рассматривается жизнь на основе кремния. Исследователи попадают на далёкую планету и оказываются в заброшенном городе с расставленными повсюду статуями. В конце концов выясняется, что статуи — это и есть кремниевые обитатели данной планеты, у которых жизненные процессы идут в сотни раз медленнее, чем у земных форм жизни.

• В НФ рассказе Станислава Лема Правда рассматривается «звёздная» жизнь на основе высокотемпературной плазмы.

• В Секретных материалах в серии «Огнеход»(2×09) кремниевая форма жизни была обнаружена в жерле вулкана — грибы-паразиты.

См. также

• Альтернативная история
• Альтернатива (значения)

Примечания

1. ↑ Stephen Gillette World-Building. — Writer’s Digest Books.
2. ↑ Lazio, Joseph F.10 Why do we assume that other beings must be based on carbon? Why couldn’t organisms be based on other substances?. [sci.astro] ET Life (Astronomy Frequently Asked Questions). Проверено 21 июля 2006.
3. ↑ А. Барабаш — Код. Жизнь. Вселенная.^doc
4. ↑ Пылевая плазма намекает на молекулу жизни — Мембрана. ru

Ссылки

• Топунов А. Ф., Шумаев К. Б. Альтернативная биохимия и распространенность жизни. Вестник САО. 2006. Т. 60-61.
• Хоровиц Н. Поиски жизни в Солнечной системе. Пер. с англ. канд. биол. наук В. А. Отрощенко под ред. д-ра биол. наук М. С. Крицкого. М., «Мир», 1988, с. 77-79.
• Пол Дэвис. Чужие среди своих. — В поисках свидетельств того, что жизнь на Земле возникала не раз, ученые внимательно исследуют экологические ниши, где могли бы обитать микроорганизмы, радикально отличающиеся от тех, которые нам так хорошо знакомы.

Жизнь на основе кремния может быть больше, чем просто научная фантастика

Научная фантастика уже давно воображает инопланетные миры, населенные жизнью на основе кремния, такой как Орта из оригинальной серии «Звездный путь». Теперь ученые впервые показали, что природа может эволюционировать, чтобы включить кремний в молекулы на основе углерода, строительные блоки жизни на Земле.

Что касается значения, которое эти результаты могут иметь для химии инопланетян в далеких мирах, «я чувствую, что если человек может уговорить жизнь построить связи между кремнием и углеродом, природа тоже может это сделать», — сказала старший автор исследования Фрэнсис. Арнольд, инженер-химик из Калифорнийского технологического института в Пасадене. Недавно ученые подробно описали свои выводы в журнале Science.

Углерод является основой каждой известной биологической молекулы. Жизнь на Земле основана на углероде, вероятно, потому, что каждый атом углерода может образовывать связи с четырьмя другими атомами одновременно. Благодаря этому качеству углерод хорошо подходит для формирования длинных цепочек молекул, которые служат основой жизни, какой мы ее знаем, например белков и ДНК.

Связанный: Поиски жизни на Марсе в фотографиях

Тем не менее, исследователи уже давно предполагают, что инопланетная жизнь может иметь совершенно другую химическую основу, чем жизнь на Земле. Например, вместо того, чтобы полагаться на воду как на растворитель, в котором работают биологические молекулы, инопланетяне, возможно, будут полагаться на аммиак или метан. И вместо того, чтобы полагаться на углерод для создания молекул жизни, инопланетяне могли бы использовать кремний.

Углерод и кремний химически очень похожи в том, что атомы кремния могут также образовывать связи с четырьмя другими атомами одновременно. Более того, кремний является одним из самых распространенных элементов во Вселенной. Например, кремний составляет почти 30% массы земной коры, и его примерно в 150 раз больше, чем углерода в земной коре.

«Я чувствую, что если человек может уговорить жизнь построить связи между кремнием и углеродом, природа тоже сможет это сделать.»

Ученым давно известно, что жизнь на Земле способна химически манипулировать кремнием. Например, микроскопические частицы диоксида кремния, называемые фитолитами, можно найти в травах и других растениях, а фотосинтезирующие водоросли, известные как диатомовые водоросли, включают в свой скелет диоксид кремния. Однако на Земле нет известных естественных примеров жизни, объединяющей кремний и углерод в молекулы.

Тем не менее, химики искусственно синтезировали молекулы, состоящие как из кремния, так и из углерода. Эти кремнийорганические соединения встречаются в широком спектре продуктов, в том числе в фармацевтических препаратах, герметиках, герметиках, клеях, красках, гербицидах, фунгицидах, а также в экранах компьютеров и телевизоров. Теперь ученые открыли способ заставить биологию химически связать углерод и кремний.

«Мы хотели посмотреть, сможем ли мы использовать то, что уже делает биология, для расширения в совершенно новые области химии, которые природа еще не исследовала», — сказал Арнольд. Факты о кремнии Точно так же, как фермеры давно модифицировали сельскохозяйственные культуры и домашний скот, выводя поколения организмов с теми чертами, которые они хотели бы иметь, ученые также разводили микробы для создания желаемых молекул. Ученые годами использовали направленные эволюционные стратегии для создания товаров для дома, таких как моющие средства, и разработки экологически безопасных способов производства фармацевтических препаратов, топлива и других промышленных товаров. (Обычные химические производственные процессы могут потребовать токсичных химикатов; напротив, направленные эволюционные стратегии используют живые организмы для создания молекул и, как правило, избегают химии, которая оказалась бы вредной для жизни. )

Арнольд и ее команда — химик-синтетик-органик Дженнифер Кан, биоинженер Рассел Льюис и химик Кай Чен — сосредоточились на ферментах, белках, которые катализируют или ускоряют химические реакции. Их целью было создание ферментов, способных генерировать кремнийорганические соединения.

«Моя лаборатория использует эволюцию для разработки новых ферментов», — сказал Арнольд. «Никто на самом деле не знает, как их создавать — они невероятно сложны. Но мы учимся использовать эволюцию, чтобы создавать новые, как это делает природа».

Во-первых, исследователи начали с ферментов, которые, как они подозревали, в принципе могут химически манипулировать кремнием. Затем они мутировали схемы ДНК этих белков более или менее случайным образом и проверили полученные ферменты на наличие желаемого признака. Ферменты, показавшие наилучшие результаты, снова мутировали, и процесс повторялся до тех пор, пока ученые не достигли желаемых результатов.

Арнольд и ее коллеги начали с ферментов, известных как гем-белки, которые содержат железо и способны катализировать широкий спектр реакций. Наиболее широко известным гемовым белком, вероятно, является гемоглобин, красный пигмент, который помогает крови переносить кислород.

После тестирования различных белков гема ученые сосредоточились на одном из Rhodothermus marinus , бактерии из горячих источников в Исландии. Рассматриваемый белок гема, известный как цитохром с, обычно переносит электроны к другим белкам в микробе, но Арнольд и ее коллеги обнаружили, что он также может генерировать небольшие количества кремнийорганических соединений.

Проанализировав структуру цитохрома с, исследователи заподозрили, что лишь несколько мутаций могут значительно усилить каталитическую активность фермента. Действительно, всего трех раундов мутаций было достаточно, чтобы превратить этот белок в катализатор, способный генерировать связи углерод-кремний более чем в 15 раз эффективнее, чем лучшие доступные в настоящее время методы синтеза. Мутантный фермент мог генерировать не менее 20 различных кремнийорганических соединений, 19из которых были новыми для науки, сказал Арнольд. Остается неизвестным, какое применение люди смогут найти для этих новых соединений.

«Самым большим сюрпризом этой работы было то, как легко было получить новые функции из биологии, новые функции, которые, возможно, никогда не выбирались в мире природы, но которые все еще полезны для людей», — сказал Арнольд. «Биологический мир всегда готов к инновациям».

Связанный: Лучшие места для поиска инопланетной жизни в нашей Солнечной системе

В дополнение к демонстрации того, что мутантный фермент может самостоятельно генерировать кремнийорганические соединения в пробирке, ученые также показали, что бактерии E. coli , генетически сконструированные для производства мутантного фермента внутри себя, также могут создавать кремнийорганические соединения. соединения. Этот результат повышает вероятность того, что микробы где-то могли естественным образом развить способность создавать эти молекулы.

«Во вселенной возможностей, которые существуют для жизни, мы показали, что это очень простая возможность для жизни, какой мы ее знаем, включать кремний в органические молекулы», — сказал Арнольд. «И как только вы можете сделать это где-то во Вселенной, это, вероятно, делается».

Остается открытым вопрос, почему жизнь на Земле основана на углероде, когда кремний более распространен в земной коре. Предыдущие исследования показывают, что по сравнению с углеродом кремний может образовывать химические связи с меньшим количеством атомов и часто образует менее сложные виды молекулярных структур с атомами, с которыми он может взаимодействовать. Предоставив жизни возможность создавать кремнийорганические соединения, будущие исследования могут проверить, почему жизнь здесь или где-либо еще могла или не могла эволюционировать, чтобы включить кремний в биологические молекулы.

«Во вселенной возможностей, которые существуют для жизни, мы показали, что это очень простая возможность для жизни, какой мы ее знаем, включать кремний в органические молекулы. И как только вы сможете сделать это где-то во Вселенной, вероятно, делается.»

В дополнение к последствиям для астробиологии исследователи отметили, что их работа предполагает, что биологические процессы могут генерировать кремнийорганические соединения способами, которые являются более экологически чистыми и потенциально гораздо менее дорогими, чем существующие методы синтеза этих молекул. Например, современные методы создания кремнийорганических соединений часто требуют драгоценных металлов и токсичных растворителей.

Мутантный фермент также производит меньше нежелательных побочных продуктов. Напротив, существующие методы обычно требуют дополнительных шагов для удаления нежелательных побочных продуктов, что увеличивает стоимость производства этих молекул.

«Сейчас я разговариваю с несколькими химическими компаниями о возможном применении нашей работы», — сказал Арнольд. «Эти соединения трудно получить синтетическим путем, поэтому чистый биологический способ производства этих соединений очень привлекателен».

Будущие исследования могут изучить преимущества и недостатки возможности создания кремнийорганических соединений для организмов. «Предоставив эту способность организму, мы могли бы увидеть, есть ли причина, по которой мы не натыкаемся на нее в естественном мире», — сказал Арнольд.

Исследование финансировалось Национальным научным фондом, программой инновационной инициативы Калифорнийского технологического института и Институтом молекулярной инженерии Джейкобса для медицины Калифорнийского технологического института.

Эта статья была предоставлена ​​журналом Astrobiology Magazine, сетевым изданием, спонсируемым астробиологической программой НАСА. Подпишитесь на Space.com @Spacedotcom, Facebook и Google+. История опубликована на Space.com.

• 10 экзопланет, на которых может быть инопланетная жизнь
• Опрос: верите ли вы в существование инопланетной жизни?
• 5 Смелых заявлений об инопланетной жизни

Следите за новостями NBC MACH в Twitter, Facebook и Instagram.

Может ли кремний быть основой для инопланетных форм жизни, как углерод на Земле?

• Share on Facebook

• Share on Twitter

• Share on Reddit

• Share on LinkedIn

• Share via Email

• Print

Raymond Dessy is a professor Химии в Политехническом институте Вирджинии и Государственном университете в Блэксбурге, штат Вирджиния.
Вот его ответ.

Группа IV Периодической таблицы элементов содержит углерод (C), кремний (Si) и некоторые
тяжелые металлы. Углерод, конечно, является строительным материалом жизни, какой мы ее знаем. Так возможно ли, что планета существует в каком-то другом
Солнечная система, где кремний заменяет углерод? В нескольких научно-фантастических рассказах рассказывается о кремниевых формах жизни — разумных
кристаллы, жуткие золотые песчинки и даже существо, чей след или экскременты были оставленными кирпичами кремнезема. Новеллы
хорошо читаются, но есть несколько проблем с химией.

Действительно, углерод и кремний имеют много общих характеристик. Каждый имеет так называемую валентность четыре, что означает, что индивидуальный
атомы образуют четыре связи с другими элементами, образуя химические соединения. Каждый элемент связывается с кислородом. Каждая форма длинная
цепи, называемые полимерами, в которых он чередуется с кислородом. В простейшем случае углерод дает полимер, называемый полиацеталем.
пластик, используемый в синтетических волокнах и оборудовании. Кремний дает полимерные силиконы, которые мы используем для водонепроницаемости ткани или смазки.
металлические и пластиковые детали.

Но когда углерод окисляется — или соединяется с кислородом, скажем, во время горения — он становится газообразным углеродом
диоксид; кремний окисляется до твердого диоксида кремния, называемого кремнеземом. Тот факт, что кремний окисляется до твердого состояния, является одной из основных причин того, что
почему он не может поддерживать жизнь. Кремнезем, или песок, является твердым веществом, потому что кремний слишком любит кислород, а двуокись кремния образует
решетки, в которой один атом кремния окружен четырьмя атомами кислорода. Силикатные соединения, имеющие
SiO ₄ ^-4 Единицы также присутствуют в таких минералах, как полевые шпаты, слюды, цеолиты или тальки. И эти твердые
системы создают проблемы утилизации для живой системы.

Также примите во внимание, что форма жизни нуждается в каком-то способе сбора, хранения и
использовать энергию. Энергия должна исходить из окружающей среды. После поглощения или проглатывания энергия должна высвобождаться точно
где и когда это необходимо. В противном случае вся энергия может высвободить свое тепло сразу, испепелив жизненную форму. В
В углеродном мире основным запасным элементом является углевод, имеющий формулу C _x (HOH) _y .
Этот углевод окисляется до воды и углекислого газа, которые затем обмениваются с воздухом; углероды связаны
одинарные связи в цепочку, процесс, называемый катенацией. Форма жизни на основе углерода «сжигает» это топливо контролируемыми шагами, используя
регуляторы скорости, называемые ферментами.

Эти большие сложные молекулы выполняют свою работу с большой точностью только потому, что они
обладают свойством, называемым «ручностью». Когда какой-либо один фермент «спаривается» с соединениями, с которыми он помогает реагировать, две молекулярные
формы подходят друг другу, как замок и ключ, или рукопожатие. На самом деле, многие молекулы на основе углерода используют преимущества правильного и
левосторонние формы. Например, природа выбрала один и тот же стабильный шестиуглеродный углевод для хранения энергии как в нашей печени (в
в виде полимера под названием гликоген) и в деревьях (в виде полимера целлюлозы).

Различия между гликогеном и целлюлозой
в основном в хиральности одного атома углерода, который образуется, когда углевод полимеризуется, или образует цепь.
Целлюлоза имеет наиболее стабильную форму из двух возможных; гликоген является следующим наиболее стабильным. Потому что у людей нет
ферментов, расщепляющих целлюлозу до основного углевода, мы не можем использовать ее в пищу. Но многие низшие формы жизни, такие как
бактерии, можно.

Короче говоря, рукоятка — это характеристика, которая придает разнообразным биомолекулам их способность
распознавать и регулировать различные биологические процессы. А кремний не образует многих соединений, обладающих хиральностью. Таким образом, это
Было бы трудно для формы жизни на основе кремния достичь всех замечательных функций регулирования и распознавания, которые
за нас работают ферменты на основе углерода.

Тем не менее химики не покладая рук работали над созданием новых соединений кремния,
с тех пор, как Фредерик Стэнли Киппинг (1863-1949) показал, что можно сделать несколько интересных. Самый высокий международный
Премия в области кремния называется премией Киппинга. Но, несмотря на годы работы — и несмотря на все реагенты, доступные
современный алхимик — многие кремниевые аналоги углеродных соединений просто не могут быть образованы. Термодинамические данные подтверждают это
аналоги часто слишком нестабильны или слишком реактивны.

Можно представить микро- и наноструктуры кремния;
кремниевые формы на солнечной энергии для энергии и зрения; силиконовая жидкость, которая может переносить окислители к сокращающимся мышечным элементам
из других силиконов; скелетные материалы силикатов; силиконовые мембраны; и даже полости в силикатных цеолитах,
рукость. Некоторые из этих структур даже выглядят живыми. Но химии, необходимой для создания формы жизни, просто нет.
Сложный танец жизни требует взаимосвязанных цепочек реакций. И эти реакции могут протекать только в узком
Диапазон температур и уровней pH. Учитывая такие ограничения, углерод может, а кремний — нет.