Кремниевые формы жизни: Ученые доказали вероятность существования кремниевых форм жизни — Платформа — «Новини»

может ли жизнь быть основана не на углероде?

Земная жизнь, единственная из известных нам в настоящее время, основана на огромном многообразии соединений углерода. Между тем, это не единственный химический элемент, который может лежать в основе жизни.

Дмитрий Мамонтов

Существование иных форм жизни, принципиально отличающихся от нашей земной наличием, расположением и количеством лап, глаз, зубов, когтей, щупалец и других частей тела — одна из излюбленных тем в фантастической литературе. Впрочем, фантасты не ограничиваются только этим — они придумывают как экзотические формы традиционной (углеродной) жизни, так и не менее экзотические ее основы — скажем, живые кристаллы, бестелесные энергетические полевые существа или кремнийорганические создания.

Помимо фантастов, обсуждением подобных вопросов занимаются и ученые, хотя они в своих оценках гораздо более осторожны. Ведь пока единственная основа жизни, которая точно известна науке, — это углеродная. Тем не менее в свое время известный астроном и популяризатор науки Карл Саган заявил, что обобщать утверждения о земной жизни в отношении жизни во всей Вселенной совершенно неправильно. Подобные обобщения Саган назвал «углеродным шовинизмом», при этом он сам в качестве наиболее вероятной альтернативной основы жизни рассматривал в первую очередь кремний.

Главный вопрос жизни

Что же такое жизнь? Казалось бы, ответ на этот вопрос очевиден, но как ни странно, о формальных критериях в научном сообществе до сих пор идут дискуссии. Тем не менее можно выделить ряд характерных признаков: жизнь должна самовоспроизводиться и эволюционировать, а для этого нужно соблюдение нескольких важных условий. Во-первых, для существования жизни необходимо большое количество химических соединений, состоящих в основном из ограниченного числа химических элементов. В случае органической химии это углерод, водород, азот, кислород, сера, причем число подобных соединений огромно. Во-вторых, эти соединения должны быть термодинамически стабильными или хотя бы метастабильными, то есть время их жизни должно быть достаточно продолжительным для осуществления различных биохимических реакций. Третье условие — должны существовать реакции для извлечения энергии из окружающей среды, а также ее накопления и высвобождения. Четвертое — для самовоспроизводимости жизни требуется механизм наследственности, носителем информации в котором выступает крупная апериодическая молекула. Эрвин Шрёдингер предполагал, что носителем наследственной информации может быть апериодический кристалл, а позднее была открыта структура молекулы ДНК — линейный сополимер. Наконец, все эти вещества должны находиться в жидком состоянии, чтобы обеспечить достаточную скорость реакций метаболизма (обмена веществ) за счет диффузии.

Традиционные альтернативы

В случае с углеродом все эти условия выполняются, а вот даже с ближайшей альтернативой — кремнием — дело обстоит далеко не так радужно. Кремнийорганические молекулы могут быть достаточно длинными, чтобы нести наследственную информацию, но их многообразие слишком бедно по сравнению с углеродной органикой — из-за большего размера атомов кремний с трудом образует двойные связи, что сильно ограничивает возможности присоединения различных функциональных групп. Кроме того, предельные кремнийводороды — силаны — и вовсе нестабильны. Конечно, существуют и стабильные соединения, такие как силикаты, но большинство из них — твердые при нормальных условиях вещества. С другими элементами, такими как бор или сера, дело обстоит еще печальнее: борорганика и высокомолекулярные соединения серы крайне нестабильны, а их разнообразие слишком бедно, чтобы обеспечить жизнь всеми необходимыми условиями.

Под давлением

«Азот никогда всерьез не рассматривался как основа для жизни, поскольку при нормальных условиях единственным стабильным азотоводородным соединением является аммиак NH₃, — говорит Артем Оганов, руководитель лаборатории компьютерного дизайна материалов МФТИ, профессор Нью-Йоркского университета Стоуни-Брук и Сколковского института науки и технологий (Сколтех). — Однако недавно, проводя моделирование различных азотоводородных систем при высоких давлениях (до 800 ГПа) с помощью нашего алгоритма USPEX (Universal Structure Predictor: Evolutionary Xtallography, Универсальный предсказатель структур: эволюционная кристаллография, см. «ПМ» № 10’2010), наша группа обнаружила удивительную вещь. Оказалось, что при давлениях свыше 36 ГПа (360 000 атм) появляется целый ряд стабильных азотоводородов, таких как длинные одномерные полимерные цепи из звеньев N₄H, N₃H, N₂H и NH, экзотические N₉H₄, образующие двухмерные листы атомов азота с присоединенными катионами NH₄+, а также молекулярные соединения N₈H, NH₂, N₃H₇, NH₄, NH₅. Фактически мы обнаружили, что при давлениях порядка 40−60 ГПа азотоводородная химия по своему разнообразию значительно превосходит химию углеводородных соединений при нормальных условиях. Это позволяет надеяться, что химия систем с участием азота, водорода, кислорода и серы также более богата по своему разнообразию, чем традиционная органическая при нормальных условиях».

Шаг к жизни

Эта гипотеза группы Артема Оганова открывает совершенно неожиданные возможности в плане неуглеродной основы жизни. «Азотоводороды могут образовывать длинные полимерные цепи и даже двухмерные листы, — объясняет Артем. — Сейчас мы изучаем свойства подобных систем с участием кислорода, потом добавим к рассмотрению в наших моделях углерод и серу, а это, возможно, откроет путь к азотным аналогам углеродных белков, пусть для начала и самых простых, без активных центров и сложной структуры. Вопрос об источниках энергии для жизни, основанной на азоте, пока остается открытым, хотя это вполне могут быть какие-то пока неизвестные нам окислительно-восстановительные реакции, идущие в условиях высоких давлений. В реальности такие условия могут существовать в недрах планет-гигантов типа Урана или Нептуна, хотя температуры там слишком высоки. Но пока мы не знаем точно, какие реакции могут там происходить и какие из них важны для жизни, поэтому не можем достаточно точно оценить необходимый температурный диапазон».

Условия «обитания» живых существ на основе азотных соединений могут показаться читателям чрезвычайно экзотичными. Но достаточно вспомнить тот факт, что распространенность планет-гигантов в звездных системах как минимум не меньшая, чем каменистых земплеподобных планет. А это означает, что во Вселенной именно наша, углеродная жизнь может оказаться куда большей экзотикой.

«Почему наша форма жизни именуется углеродной, а не, например, кислородной, и какие ещё формы жизни могут теоретически существовать?» — Яндекс Кью

Популярное

Сообщества

БиологияНаука

Илья Фроленков

7 августа 2015  ·

42,6 K

ОтветитьУточнить

Alexander Vanetsev

9,7 K

Researcher, Institute of Physics, University of Tartu  · 7 авг 2015

Живые организмы состоят в основном из органических соединений (и воды). Органические соединения — это, собственно, соединения углерода (за исключением карбидов, карбонатов и еще некоторого количества соединений углерода, которые относятся к неорганическим веществам). Отсюда и термин «углеродные формы жизни». Возможно, более правильно было бы назвать это «углеводородной» жизнью, но это уже вопрос терминологии.

Почему именно органические соединения? Жизнь в принципе можно представить как совокупность химических процессов и в этом смысле органические соединения стали основой жизни благодаря тому, что их химия достаточно сложна и разнообразна. Во-первых, структурные характеристики: возможность построения сложных и разветвленных многофункциональных молекул, гомологические ряды, позволяющие тонко настраивать свойства этих молекул, разнообразие функциональных групп. Во-вторых, сами функциональные возможности: органические соединения могут быть и окислителями и восстановителями и кислотами и основаниями, вступать в реакции присоединения, отщепления, обмена, практически в любые типы реакций, собственно говоря. В-третьих, соответствие условиям окружающей среды: два основных источника энергии для жизни на Земле — это солнечный свет и кислород, органические соединения с одной стороны открывают богатые возможности по фотосинтезу, а с другой — способны участвовать в обратимых процессах окисления/восстановления с кислородом (очень важно, что обратимых, поскольку иначе живые организмы сгорали бы или сгнивали при взаимодействии с кислородом).

Соответственно, из этого видно, какие требования могут быть к другим «базовым» элементам жизни. Строго говоря, тут многое зависит от внешних условий. В близких к земным условиях я лично не вижу возможности существования неуглеродной жизни, а если фантазировать произвольные условия, то многие р-элементы могли бы стать основой жизни. И кремний и фосфор, наверное, и бор и сера. В общем любой элемент, способный образовывать структурно-сложные соединения. Дальше можно фантазировать, что могло бы играть роль «кислорода», а что «водорода» для этого базового элемента и т. д. Кремний нравится фантастам за то, что он близок по многим свойствам к углероду. Но что было бы для него «кислородом»? Может быть, хлор? А «водородом»? Возможно, тот же водород. Ну, в общем это уже бессмысленное фантазирование, для начала нужно задать условия внешней среды.

Тяф

19 марта 2020

Именно 4валентный углерод является связующим звеном вкслородноводородных соединениях.Эти связи и есть первичные… Читать дальше

Комментировать ответ…Комментировать…

Софья Гончарова

1,1 K

Медик, кинолюб, книгочит  · 7 авг 2015

Потому что основу всех биологических соединений составляют углеродные цепочки — стабильные и в то же время способные образовывать многочисленные связи (содержание углерода в организме человека равно примерно 21%).

Похожими свойствами обладает кремний (Si), так что теоретически возможна кремниевые формы жизни (об этом даже была серия Звездного Пути).

Владыка

24 мая 2019

У кремния в обычных условиях менее прочные связи, чем у углерода. Атомы кремния крупнее, соответственно хуже… Читать дальше

Комментировать ответ…Комментировать…

Sergey Buevich

1,1 K

Арт-директор, дизайнер, рационалист, скептик  · 7 авг 2015

То, что мы дышим кислородом вовсе не означает, что он — основа нашей формы жизни. Ведь есть анаэробные организмы, которым не нужен кислород. Жизнь появилась на Земле до того, как появился кислород в свободном виде (благодаря цианобактериям). Всё живое на Земле основано на углеродных органических соединениях.
Теории другой основы жизни, конечно есть, однако, пока не… Читать далее

Владыка

24 мая 2019

Согласен с вами. Углерод очень хорошо складывается в соединения, особенно в полимерные цепочки, которые достаточно. .. Читать дальше

Комментировать ответ…Комментировать…

Вы знаете ответ на этот вопрос?

Поделитесь своим опытом и знаниями

Войти и ответить на вопрос

кремниевых форм жизни | Природа

• Опубликовано: 07 марта 2007 г.

Материаловедение

• Дэвид Дж. Норрис ¹  

Природа
том 446 , страницы 146–147 (2007 г.)Процитировать эту статью

• 745 доступов

• 6 Цитаты

• Сведения о показателях

Простой процесс химического восстановления использовался для воспроизведения сложных природных сетей кремнезема при относительно низкой температуре. Не менее сложный продукт сделан из кремния — золотого мальчика электроники.

Живые организмы могут производить удивительно сложные материалы — от костей до крыльев бабочки — которые не только функциональны, но и часто красивы ^1,2 . Мечта материаловедов — понять природу и подражать ей, чтобы получить более качественные искусственные материалы ^3,4 . Это остается сложной проблемой, и до сих пор лишь немногие технологически значимые материалы были получены исключительно путем имитации биологических процессов; обычно также необходимы обычные этапы изготовления.

Это предварительный просмотр содержимого подписки, доступ через ваше учреждение

Варианты доступа

Подписаться на журнал

Получить полный доступ к журналу на 1 год

199,00 €

всего 3,90 € за выпуск

Подписаться

Расчет налогов будет завершен во время оформления заказа.

Купить статью

Получите ограниченный по времени или полный доступ к статье на ReadCube.

32,00 $

Купить

Все цены указаны без учета стоимости.

Рисунок 1: Стеклянные каркасы.

M. I. WALKER/SPL

Ссылки

1. Vukusic, P. & Sambles, J. R. Nature 424 , 852–855 (2003).

   Артикул
   ОБЪЯВЛЕНИЯ
   КАС

   Google ученый

2. Айзенберг Дж. и др. Наука 309 , 275–278 (2005).

   Артикул
   ОБЪЯВЛЕНИЯ
   КАС

   Google ученый

3. Heuer, A.H. et al. Наука 255 , 1098–1105 (1992).

   Артикул
   ОБЪЯВЛЕНИЯ
   КАС

   Google ученый

4. Манн С. и Озин Г. А. Nature 382 , 313–318 (1996).

   Артикул
   ОБЪЯВЛЕНИЯ
   КАС

   Google ученый

5. Бао З. и др. Природа 446 , 172–175 (2007).

   Артикул
   ОБЪЯВЛЕНИЯ
   КАС

   Google ученый

6. Илер, Р. К. Химия кремнезема (Wiley, Нью-Йорк, 1979).

   Google ученый

7. Сампер, М. Наука 295 , 2430–2433 (2002).

   Артикул
   ОБЪЯВЛЕНИЯ
   КАС

   Google ученый

8. Кэнэм, Л. Т. Заяв. физ. лат. 57 , 1046–1048 (1990).

   Артикул
   ОБЪЯВЛЕНИЯ
   КАС

   Google ученый

9. Littau, K.A., Szajowski, P.J., Muller, A.J., Kortan, A.R. & Brus, L.E. J. Phys. хим. 97 , 1224–1230 (1993).

   Артикул
   КАС

   Google ученый

10. Хомски Э. и Озин Г. А. Adv. Матер. 12 , 1071–1078 (2000).

    Артикул
    КАС

    Google ученый

11. Цзян П., Бертоне Дж. Ф. и Колвин В. Л. Science 291 , 453–457 (2001).

    Артикул
    ОБЪЯВЛЕНИЯ
    КАС

    Google ученый

Ссылки на скачивание

Информация об авторе

Авторы и организации

1. Дэвид Дж. Норрис работает на факультете химического машиностроения и материаловедения Университета Миннесоты, 421 Washington Avenue SE, Minneapolis, Minnesota 5. В настоящее время он находится в творческом отпуске в Институте Вальтера Шоттки, Гархинг, Германия. [email protected],

   Дэвид Дж. Норрис

Авторы

1. Дэвид Дж. Норрис

   Просмотр публикаций автора

   Вы также можете искать этого автора в
   PubMed Google Scholar

Права и разрешения

Перепечатка и разрешения

Об этой статье

Форма жизни на основе кремния | Память Альфа

» Я слышал о теоретической возможности жизни на основе кремния, но жизнь на основе кремния была бы совершенно другого порядка. 0018 »

–  Джеймс Т. Кирк , 2267 («Дьявол во тьме»)

кремниевая форма жизни , также известная как кремниевая форма жизни или просто кремниевое существо , была телесная форма жизни, которая использовала кремний в качестве основы своей структуры и жизненных функций, а не углерод.

В то время как формы жизни на основе кремния обычно не развивались на планетах М-класса; в течение десяти тысяч лет органианские наблюдатели использовали вирус на основе кремния на планете класса М, чтобы увидеть, как другие виды обращаются со своими зараженными экипажами. (ENT: «Эффект наблюдателя»)

В 2151 году капитан Джонатан Арчер из Enterprise NX-01 пытался убедить командира Чарльза Такера III в том, что Звездный Флот отправил их на сверхсекретную секретную миссию на планету, чтобы установить первый контакт с кремниевой формой жизни, когда Такер был галлюцинации «люди, выходящие из скалы». Арчер сказал Такеру, что раскрытие этой информации было серьезным нарушением безопасности, потому что Т’Пол была единственным человеком, которому было разрешено разговаривать с ними, поскольку они предположительно вступали в контакт с вулканцами раньше. (ЭНТ: «Странный новый мир»)

Жизнь на основе кремния считалась физиологически невозможной до открытия Орты Януса VI в 2267 году. Кремниевая жизнь не могла развиваться в кислородной атмосфере. (TOS: «Дьявол во тьме») Позже, когда десантный отряд «Энтерпрайз » находился на поверхности каланданской заставы, Джеймс Т. Кирк вслух задался вопросом, возможно ли, что «в скалах есть жизнь», что напомнило Сулу. кремниевых существ с Януса VI, которым Маккой напомнил, что в отличие от скал на планете, на которой они находились,0079 наши приборы зафиксировали это. Они были формами жизни. Они зарегистрированы как формы жизни. » (ТОС: «То, что выживает»)

В 2364 году USS Enterprise -D обнаружил микромозг, неорганическую форму жизни, обнаруженную во время терраформирования планеты Велара III. (ТНГ: «Родная земля»)

В 2374 году охотник-хироджен похвастался Тому Пэрису, что выследил форму жизни на основе кремния через нейтрониевую мантию сколлапсировавшей звезды.