Кремниевые формы жизни: Учёные научно доказали существование кремниевых форм жизни

Содержание

Альтернативная биохимия

Статья на конкурс «Био/Мол/Текст»: В этой статье я бы хотел рассказать об альтернативной биохимии, которая занимается поиском жизни вне нашей планеты в разных уголках Вселенной. Это один из самых интересных разделов биологии и науки в целом, ведь неизвестное и неизведанное всегда пугало и интересовало людей. Я уверен, что альтернативная биохимия поможет нам хоть чуть-чуть приблизиться к тайнам Вселенной.

Эта работа опубликована в номинации «Свободная тема» конкурса «Био/Мол/Текст»-2020/2021.

Генеральный партнер конкурса — ежегодная биотехнологическая конференция BiotechClub, организованная международной инновационной биотехнологической компанией BIOCAD.

Спонсор конкурса — компания SkyGen: передовой дистрибьютор продукции для life science на российском рынке.

Спонсор конкурса — компания «Диаэм»: крупнейший поставщик оборудования, реагентов и расходных материалов для биологических исследований и производств.

«Книжный» спонсор конкурса — «Альпина нон-фикшн»

Земля — единственная обитаемая из всех известных на данный момент планет. Ученые сканируют небо в попытках найти жизнь в космосе, но никаких признаков, хоть отдаленно ее напоминающих, пока нет. Конечно, они не унывают и продолжают свои поиски, но что, если внеземная жизнь скрывается совсем не там, где ее ищут?

Что, если на других планетах жизнь совсем не похожа на земную? Она может настолько отличаться от наших с вами представлений, что мы просто не заметим ее, даже если она будет у нас под носом.

Для внеземных организмов могут оказаться вовсе не обязательными все те химические вещества, без которых жизнь на Земле не может обойтись. Например, углерод, основа всей жизни на Земле, может быть заменен кремнием. Воду можно заменить аммиаком, метаном, цианистым водородом или фтороводородом. Мышьяк может занять место азота. Более того, инопланетная жизнь может не иметь органической природы, а представать в форме шаровой молнии или так называемого Больцмановского мозга.

В этой статье я попробую представить, как бы могла выглядеть внеземная жизнь.

Появление планеты Земля и жизни на ней

Планета Земля. Одна из множества миллиардов планет земной группы, находящихся в галактике Млечный Путь. Такая маленькая, незаметная и беззащитная. Одна из восьми планет Солнечной системы, вращающаяся по своей орбите на расстоянии 150 000 000 км от Солнца. Но именно на этой планете смогла зародиться и развиться жизнь.

Невольно задаешься вопросом, почему это случилось? Почему жизнь на Земле именно такая? Почему основа жизни на ней — углерод, а не другой элемент, и есть ли ему альтернатива? Чтобы разобраться в этих вопросах, нам придется познакомиться сначала с прошлым Земли, понять с чего собственно все начиналось.

Для этого перенесемся на 5 миллиардов лет назад, в то время, когда Земля только образовалась. Как и другие объекты Солнечной системы, она возникла из межзвездного облака пыли и газа, состоящего преимущественно из водорода и гелия [1], [2]. Вскоре ударная волна (скорее всего из-за взрыва сверхновой) заставила это облако уплотняться и вращаться [3]. Именно вращение превратило его в протопланетный диск, перпендикулярный оси своего вращения. Вещество в центре туманности, не имея углового наклона, под силой гравитации начало сжиматься и нагреваться. В результате температура и давление возросли настолько, что началась термоядерная реакция. Так образовалось наше Солнце. В нем атомы водорода начали сливаться друг с другом с образованием атомов гелия и выделением энергии. Эта энергия до сих пор питает жизнь на Земле. Камни, булыжники и астероиды, которые под действием гравитации начали слипаться друг с другом, стали не чем иным, как планетами (рис. 1) [2].

Рисунок 1. Протопланетный диск

Silicate Crystal Formation in the Disk of an Erupting Star (Artist Concept)

Интересно, что все планеты вращаются вокруг Солнца в одну сторону. Почему? Дело в том, что, вращаясь сперва в разных направлениях, крупные тела все время сталкивались друг с другом. Это было похоже на игру в бильярд, только в космических масштабах. В конце концов, после многочисленных столкновений, все молодые планеты стали двигаться в одном направлении.

В самый момент появления Земли она представляла собой полностью расплавленную планету (рис. 2).

Рисунок 2. Земля в момент её появления

How Earth was made?

Железо и никель, так как они имеют более высокую плотность, чем силикаты, погрузились вглубь планеты. Именно железо и никель образуют магнитное поле Земли, без которого невозможно было бы развитие жизни [4]. Но это далеко не все. Примерно 4,5 миллиардов лет назад с Землей столкнулась планета, размерами схожая с Марсом (рис. 3) [1].

Рисунок 3. Столкновение Земли и «Марса»

«Как появилась луна: история возникновения этой планеты»

Удар пришелся по касательной, оторвав при этом от нашей планеты довольно большие куски. Со временем эти многочисленные куски вышли на орбиту Земли и слиплись, образовав единственный спутник нашей планеты — Луну. Позднее она сыграет немаловажную роль в зарождении и развитии жизни.

Прошло время, поверхность планеты остыла, но на нее все еще продолжали падать многочисленные кометы и астероиды. Они приносили с собой то, без чего была бы невозможна жизнь на Земле в принципе. Думаю, вы уже догадались: они приносили воду. Пары воды при этом оставались в атмосфере планеты. Это длилось очень долго, но не могло продолжаться вечно. Как только атмосфера Протоземли не смогла больше удерживать такое количество воды, влага начала конденсироваться и изливаться дождем, а точнее потопом, который не прекращался многие миллионы лет. Так на древней Земле образовались океаны. Сперва это был один большой океан зеленоватого цвета из-за растворенных в воде ионов железа, который покрыл собою всю планету. В нем плавали простые органические вещества: белки, жиры, сахара, нуклеиновые кислоты. По одной из теорий, первая клетка представляла собой жировую каплю с нуклеиновыми кислотами внутри нее, ведь белки и нуклеиновые кислоты растворимы в воде, а вот жиры — нет. А поспособствовала этому, как ни странно, Луна. Она многие миллионы лет взбалтывала воды океана, что позволило капле жира и нуклеиновой кислоте образовать одно целое (рис. 4).

Рисунок 4. Теоретическая протоклетка

The theoretical protocell

Первые на Земле клетки, как предполагает одна из теорий, были гетеротрофными. Они начали поглощать органические вещества «первичного бульона», из которого они и появились. Но вскоре корм закончился, и некоторые клетки, чтобы выжить, в ходе эволюции сами научились вырабатывать органические вещества для своего существования. Для этого им была нужна энергия солнечного света (фотосинтез) или химических реакций (хемосинтез). Так возникли первые автотрофные клетки. И именно эти два типа клеток стали прародителями всего живого на Земле [5].

Проследив за тем, как появились первые живые клетки, мы можем выделить несколько главных элементов, сыгравших в этом процессе ведущую роль:

  1. Вода. Она является растворителем в химических реакциях, происходящих в клетке.
  2. Белки, жиры и нуклеиновые кислоты. Белки служат главным строительным материалом для живых организмов, жиры нужны для создания мембран клеток, а нуклеиновые кислоты хранят генетическую информацию.

Не удивительно, что NASA (Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства) сосредоточено именно на тех местах на других планетах, где возможно существование жидкой воды, и ищет структуры, похожие на земные клетки. Предполагается, что химически жизнь там будет очень похожа на земную . Однако лабораторные эксперименты показывают, что жизнь может основываться на структурах, отличающихся от земных [6].

О том, какова вероятность существования жизни в космосе, и где ее ищут, рассказывает статья Федора Галкина «Дикий-дикий космос» [7]. — Ред.

Альтернативная биохимия: разнообразие жизни в космосе

Все биологические молекулы состоят из шести элементов. Это углерод, водород, кислород, азот, фосфор и сера. Фосфор, например, входит в состав фосфолипидов, которые, важны для работы клеточной мембраны. Азот является компонентом нуклеиновых кислот. Но с другими планетами все намного сложнее. Жизнь на них может быть представлена организмами химически и анатомически схожими с земной, а может быть настолько не похожа на земную, что мы не сможем даже узнать ее, когда встретим. Абсолютное большинство ученых высказалось, что образование органических молекул возможно с помощью других элементов, отличных от земных [8]. Например, возможна замена химических элементов, играющих очень важную роль для живых существ на нашей планете, другими, которые на Земле не представляют большой важности.

Альтернатива углероду

Все живые организмы на Земле состоят из органических соединений. А во все органические соединения входит углерод. Доля углерода в живых клетках примерно 25%. Но можно ли заменить его другими химическими элементами? Пытаясь ответить на этот вопрос, ниже я разобрал несколько самых вероятных «кандидатов» на роль углерода, обратив внимание на их преимущества и недостатки.

Кремний вместо углерода

Кремний рассматривается как самый вероятный «кандидат» на роль структурообразующего вещества в альтернативной биохимии.

Преимущества кремния

Рисунок 5. Силан, аналог метана

«Википедия»

Свойства кремния и углерода во многом схожи, так как оба элемента находятся в одной группе периодической таблицы Менделеева. Кроме того, кремний, как и углерод, способен образовывать четыре устойчивые связи с другими элементами. В пример можно привести как силан (рис. 5) — аналог метана, так и длинные силановые полимеры, очень похожие на биополимеры на основе углерода.

Недостатки кремния

Атомы кремния имеют бóльшую массу и радиус, чем углерод, а потому сложнее создают двойные и тройные ковалентные связи, а значит, хуже образуют биополимеры. Поэтому органические соединения на основе кремния менее распространены в природе, чем соединения на основе углерода.

Силаны, к сожалению, не такие устойчивые, как углеводороды. Всё потому, что кремний является более активным химическим элементом, чем углерод. Силаны имеют свойство самопроизвольно воспламеняться при относительно низких температурах, в присутствии кислорода воздуха. Это значит, что, если жизнь на какой-нибудь далекой планете состоит из кремния, то эта планета, скорее всего, бескислородная, ведь кислород будет очень опасен для «кремниевой» жизни. С другой стороны, силиконы — полимеры, которые включают в себя повторяющиеся цепочки атомов кремния и кислорода, более жаропрочны (рис. 6). Это дает повод думать, что жизнь на основе кремния возможна на планетах с температурой, превышающей земную. Правда, растворителем в клетках тогда должна быть не вода, а жидкость, имеющая бóльшую температуру кипения, например, серная кислота [9], [10]. Соединения кремния в кислоте будут гораздо прочнее.

Рисунок 6. Структура силиконовых полимеров

«Википедия»

Разберем отдельно кремниевый аналог углекислого газа, диоксид кремния (SiO2). Он представляет собой твердое, плохо растворимое вещество и входит в состав песка. Это создает проблемы для его поступления в клетку, так как в воде он практически не растворяется. К тому же живые организмы, состоящие из соединений кремния, наверняка при дыхании будут выдыхать SiO2 наподобие земных организмов, выделяющих углекислый газ (СО2) при дыхании. В отличие от углекислого газа, диоксид кремния — твердое вещество, он просто забьет кремниевым существам легкие песком. Эту проблему можно было бы решить с помощью специальных органов, которые удаляли бы силикатные соединения из организма в виде «геля» или, вообще, в твердом виде. Похожим образом действуют почки, которые удаляют азотные соединения (в основном аммиак — NH3) в виде мочевины.

Стоит отметить, что и на Земле кремний в биологии играет далеко не последнюю роль. Например, из диоксида кремния собирают свой скелет радиолярии, одноклеточные планктонные организмы (рис. 7).

Рисунок 7. Панцири радиолярий

La bióloga marina Sylvia Earle, premio Mujer del año

Из кремния формируют свой панцирь диатомовые водоросли, которые получают этот элемент из воды. 25 ноября 2016 года в журнале Science была опубликована статья, где исследователи сообщили об открытии белков (обычно содержащихся в бактериях исландских горячих источников), которые способны образовывать молекулы с углеродно-кремниевыми связями в клетках [11].

Что же мы можем сказать о жизни на основе кремния? Как считает инженер-химик из Калифорнийского технологического института в Пасадене Френсис Арнольд, «жизнь в нормальных условиях на этой планете, вероятно, не будет работать с кремнием. Предположительно, мы могли бы создать компоненты жизни, включающие кремний — возможно, кремниевый жир или кремнийсодержащие белки, — и спросить, как жизнь с этим связана?.. Обеспечивает ли это новые функции, которых раньше не было в жизни?».

К сожалению, почти все органические соединения на основе кремния, созданные в лаборатории, слишком нестабильны или слишком реактивны. К тому же, некоторые кремниевые аналоги углеродных органических соединений невозможно получить ни при каких условиях. На Земле много кремния и очень мало углерода, но именно на основе углерода на нашей планете смогла зародиться и развиться жизнь. Это указывает на то, что именно углерод больше подходит для зарождения жизни. К тому же во Вселенной углеродные соединения распространены больше, чем кремниевые. При всем разнообразии молекул в космосе, 84 основаны на углероде и только у восьми в основе кремний [8]. Более того, из этих восьми соединений четыре содержат и углерод (что может указывать на промежуточную, кремниево-углеродную альтернативную биохимию). Соотношение углерода к кремнию во Вселенной составляет 10 к 1. Тем не менее вероятность существования кремниевой жизни на планетах с отличающимися от Земли температурой и давлением все еще существует.

Азот и бор вместо углерода

Азот и бор тоже можно считать кандидатами на замену углерода в биомолекулах.

Преимущества азота и бора

Рисунок 8. Боразол

«Википедия»

Азотофиксирующие бактерии (в том числе цианобактерии) и некоторые водоросли могут усваивать азот из воздуха [12]. Точно так же инопланетная жизнь могла бы усваивать азот из атмосферы. В аммиачной среде она может брать аммиак из воздуха, а фосфор из почвы. В клетках инопланетных растений происходило бы окисление аммиака с образованием земных моносахаридов, а водород выделялся бы в атмосферу. Животные же вдыхали бы водород, окисляли бы моносахариды до аммиака и фосфора, двигаясь как бы в обратном направлении. Если такой «круг» был бы на нашей планете, то место аммиака занял бы метан.

А как же бор, скажете вы? Так как бор вместе с азотом могут имитировать связь углерод—водород, из них можно создать некоторые соединения, похожие на органические, например, боразол (В3N3Н6, его иногда называют неорганическим бензолом) (рис. 8).

Недостатки азота и бора

В атмосфере Земли азот составляет 78%, но из-за инертности он почти не вступает в химические реакции с другими веществами (в очень редких случаях азот может взаимодействовать с кислородом воздуха; например, во время разряда молнии образуется диоксид азота NO2).

И поэтому, даже обладая способностью к образованию структур, схожих с углеводородными, азот и бор из-за инертности азота никак не смогут создать всё разнообразие молекул, которое возникло на Земле на основе углерода.

Замена фосфора

Замена углерода кремнием — это далеко не предел изысканий в альтернативной биохимии. Есть и более интересные идеи. Заменять можно не только углерод, но и другие химические элементы в органических веществах, из которых состоит жизнь. Например, можно попробовать заменить фосфор элементом с похожими на него свойствами — мышьяком. Как же тогда будет выглядеть жизнь?

Мышьяк как замена фосфора

Мышьяк можно считать одним из самых главных кандидатов на замену фосфора в глубинах космоса.

Преимущества мышьяка

Мышьяк очень похож на фосфор. Поэтому теоретически, он может занимать место фосфора в органических молекулах на других планетах. Пусть органические и неорганические соединения мышьяка ядовиты (например, арсин H3AS является одним из самых сильных неорганических ядов на планете), он включен в биохимию живых организмов на Земле. Потому мышьяк является важным ультрамикроэлементом наравне с селеном, ванадием и хромом. Кстати, необходимая суточная доза мышьяка для человека составляет 10–15 мкг [13]. В небольших дозах некоторые соединения мышьяка способствуют обмену веществ, укреплению костей, благотворно влияют на кроветворную и иммунную системы. Мышьяк, регулируя фосфорно-кальциевый обмен, препятствует потере фосфора организмом. В этом отношении он сродни витамину D. Но в земных организмах мышьяк находится, прежде всего, в неорганических соединениях. Сам человек получает мышьяк с питьевой водой, с пищей (рыба, морепродукты), с винами и соками (из-за использования на виноградных плантациях пестицидов и гербицидов).

Некоторые морские водоросли и беспозвоночные включают мышьяк в комплекс органических соединений, таких как арсеносахара (углеводы с присоединенными к ним соединениями мышьяка), арсенобетаины, арсенохолин и соли тетраметиларсония. Грибы и бактерии могут производить летучие метилированные соединения, включающие в свой состав мышьяк.

2 декабря 2010 года в журнале Science командой во главе с американским микробиологом Фелисой Вулф-Саймон была опубликована статья о термофильных микроорганизмах рода Halomonas штамма GFAJ-1 [14], которые встраивают в свой генетический материал атомы мышьяка .

Подробнее об этом исследовании можно прочесть в статье «Почти детективная история о том, как элемент-убийца помог возникнуть жизни» [15]. — Ред.

Мышьяк здесь занимает место фосфора, так как он обладает схожими с ним свойствами. Но стоит отметить, что через два года после выхода статьи несколько групп ученых независимо друг от друга опровергли существование биологически значимого мышьяка в ДНК клеток [16].

Недостатки мышьяка

Дискуссии насчет мышьяка как замены фосфора ведутся до сих пор. Среди доводов со стороны скептиков: соединения на основе мышьяка крайне неустойчивы. Но это не отменяет возможность существования жизни, основанной на мышьяке, на других планетах (рис. 9).

Рисунок 9. Вот так примерно должна выглядеть ДНК с мышьяком

«Википедия»

Замена кислорода

Кроме углерода и фосфора есть и другие элементы, пригодные к замене в биомолекулах. Например, можно попробовать заменить кислород. Существует два самых вероятных «кандидата», которые могут стать его альтернативой.

Сера как замена кислорода

Сера считается одним из самых вероятных претендентов на роль кислорода для инопланетной жизни.

Преимущества серы

Интересной особенностью серной кислоты является то, что она становится кислотой только в присутствии воды. Молекулы воды не будут выделяться при полимеризации органических веществ, если вместо атомов кислорода в молекулах будут находиться атомы серы. Такие организмы смогут обитать в океане из серной кислоты при температурах, намного превышающих привычные температуры на Земле.

Есть большая вероятность существования жизни, использующей серу вместо кислорода. Иногда говорят о возможности существования такой жизни на Венере. Пусть условия на ней, мягко говоря, не самые приятные, там есть соединения сероводорода (H2S) и диоксида серы (SO2), которые не могут уживаться друг с другом, если их кто-то или что-то постоянно не производит.

Также, теоретически, возможна замена кислорода и на другие халькогены (элементы главной подгруппы VI группы таблицы Менделеева). Это селен (Se), теллур (Te), полоний (Po) и искусственно полученный радиоактивный элемент ливерморий (Lv), но их содержание в природе для этого очень мала.

Недостатки серы

Отсутствие кислорода в атмосфере планеты, где сера встанет на его место, будет означать отсутствие озонового слоя, защищающего планету от жесткого ультрафиолета, а это создаст большие проблемы при выходе живого из океана на сушу.

Фтор как замена кислорода

Кислород и фтор — «соседи» по таблице Менделеева. В атоме кислорода 8 электронов, а в атоме фтора — 9. Но для нас кислород — это жизнь, а фтор в чистом виде — смертельный яд. Дозы фтора в 5–10 г для человека смертельны [17].

Несмотря на это, теоретически, жизнь на основе фтора вполне возможна. Правда моря и океаны на планете с такой жизнью должны состоять не из воды (для фтора это растворитель страшной силы), а из жидкого фтористого водорода, то есть плавиковой кислоты. На нашей планете плавиковая кислота легко разъедает практически все минералы [18].

Преимущества фтора

Фторсодержащие растения, как и земные, будут осуществлять фотосинтез. Расщепляя с помощью света своей звезды фтористый водород вместо воды, они будут выделять свободный фтор [18]. Этим фтором в смеси с азотом будут дышать животные — подобно тому, как мы с вами дышим смесью кислорода и азота. А выдыхать они будут не углекислый газ, а фтористый углерод в смеси с фтористым водородом. Отличный пример такого развития жизни — инопланетная цивилизация гуманоидов из повести «Сердце Змеи» Ивана Ефремова.

Фтор и «Сердце Змеи»

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

Гуманоиды Ефремова, несмотря на тщательные поиски, не смогли обнаружить ни одной планеты с аналогичной им биохимией — все другие встреченные ими цивилизации космоса имели кислородную основу [19]. Любопытно, что такой «фтористый» обмен веществ давал обитателям «Сердца Змеи» в два раза больше энергии, чем «кислородный» обмен веществ — землянам. Еще одним ускоряющим развитие этой цивилизации фактором являлся тот факт, что на их планете было довольно-таки холодно: фтористо-водородные океаны испаряются уже при +20 °С. Неудивительно, что инопланетяне намного обогнали землян в своем развитии. Скорее всего, в реальном мире именно они нашли бы нас первыми [18].

Недостатки фтора

У персонажей Ефремова были по отношению к землянам вполне дружелюбные намерения. Но, даже если в действительности это было бы не так, землянам опасаться нечего: фтор, в отличие от кислорода, далеко не самый распространенный элемент во Вселенной. А уж количество планет с подходящими для «фторных» организмов условиями жизни и вовсе в миллионы раз меньше, чем для «кислородных» [18].

Замена воды

Вода — с виду такое простое, но такое необходимое вещество на Земле. Ведь жизнь на нашей планете зародилась и развивалась бóльшую часть своей истории именно в воде. И именно там обитает большая часть живых организмов на данный момент. Я уверен: не было бы воды, не было бы жизни. Но существует ли замена воде? Что может составить ей конкуренцию? Может быть, вода является незаменимой составляющей жизни не только на Земле, но и во всей Вселенной? Чтобы это понять, нужно разобраться, что делает воду такой особенной.

Вода играет на Земле роль универсального растворителя. Ведь именно в водной среде происходят химические реакции внутри клетки. Уникальность воды в том, что она способна хорошо растворять как неорганические, так и органические вещества. Благодаря водородным связям вода остается жидкой в довольно большом диапазоне температур. Также вода амфотерна. Это значит, что она может и отдавать, и принимать протон, что позволяет ей быть как кислотой, так и основанием. Все это вместе дало возможность зародиться и развиться жизни на нашей планете. Еще одно уникальное свойство воды состоит в том, что ее твердое состояние (лед) обладает меньшей плотностью, чем вода в жидком состоянии, поэтому лед всегда находится на поверхности воды. Если бы лед опускался на дно, это бы очень мешало развитию жизни на Земле. Корка льда на поверхности защищает живые организмы от холода и сохраняет температуру воды в водоеме положительной. Есть ли в природе вещества, похожие по своим свойствам на воду? Да, такие вещества есть, и одно из них — это аммиак.

Аммиак как замена воды

Аммиак часто рассматривается как альтернатива воде.

Преимущества аммиака

Аммиак, так же как и вода, широко распространен во Вселенной (так как это соединение водорода — самого распространенного вещества во Вселенной). При земном давлении и температуре аммиак находится в жидком состоянии, как и вода (рис. 10).

Рисунок 10. Примерно так должна выглядеть планета, на которой аммиак исполняет роль воды

Wikipedia

Аммиак способен растворять органические вещества и многие металлы, а также в аммиаке могут протекать многие химические реакции, как и в водной среде. Он способен как отдавать, так и принимать ион водорода. В первом случае образуется анион амида — аналог OH-группы. Во втором случае образуется катион аммония, аналогичный гидронию. Так как карбонильная группа (C=O) не будет устойчива на планете с океаном из аммиака, жизнь в аммиачной среде, скорее всего, будет построена на основе аминогруппы (C–NH).

Недостатки аммиака

Аммиак имеет свои недостатки. Во-первых, водородные связи у него слабее, чем у воды. Это значит, что поверхностное натяжение аммиака будет в три раза меньше, а теплота испарения вдвое меньше. Во-вторых, твердый аммиак при замерзании тонет, а не плавает на поверхности. Поэтому океан из аммиака при низких температурах будет промерзать до дна.

Нельзя исключать существование инопланетной жизни на основе аммиака в смеси с водой. При этом, так как температура кипения аммиака ниже, чем у воды, метаболизм (обмен веществ) у таких организмов будет медленнее, чем у организмов на Земле (химические реакции протекают медленнее при низких температурах). Зато жизнь на таких планетах сможет существовать при давлении во много раз больше земного, ведь при большом давлении и земной температуре аммиак будет жидкостью. Жизнь на основе аммиака может существовать и в Солнечной системе. Так как аммиак остается жидкостью при температурах, более низких, чем вода, жизнь на его основе возможна, например, на Титане, спутнике Сатурна.

Метан как замена воды

Кроме аммиака функции воды могут взять на себя метан или этан. Метан и этан образуют целые реки и озера на поверхности Титана (рис. 11).

Рисунок 11. Метановые и этановые озера на Титане. Радиолокационное изображение с «Кассини», 2006 год.

Wikimedia

Организмы, появившиеся в таких реках, должны будут поглощать водород вместо кислорода, а в результате обмена веществ получать метан, а не углекислый газ.

Преимущества метана

Метан менее реактивный, чем вода, что позволяет легче образовываться в нем органическим веществам, например белкам. Это означает, что жизнь на основе метана возможна при давлении и температурах, крайне отличающихся от земных.

Недостатки метана

Однако нельзя забывать, что вода — более сильный растворитель, чем метан, что позволяет ей растворять и переносить вещества в клетку. Метан с этим не справится, но помочь ему вполне способен фосфин (РН3). Тем более что в метане фосфин принимает форму пузырьков, которые могут заменить мембраны альтернативным живым клеткам.

Другие вещества, которые теоретически могут заменить воду на других планетах

Кроме метана и аммиака, заменить воду теоретически могли бы цианистый водород или фтороводород, хотя их шансы в сравнении с другими претендентами крайне малы.

Цианистый водород как замена воды

Синильная кислота, как и вода, способна образовывать водородные связи. Это соединение играло немаловажную роль в ранней земной биологии. Оно участвовало в образовании первых аминокислот, нуклеотидов и других элементов, из которых появилась жизнь на Земле. Но, несмотря на это, цианистый водород не подходит для жизни, ведь он очень неустойчив, особенно при действии катализаторов (например, обычные горные породы или глина). Более того, при разложении цианистого водорода происходит взрыв. Поэтому вряд ли где-либо возможно существование озер и океанов из этого вещества, как и жизни на его основе.

Фтороводород как замена воды

Фтороводород, который я уже упоминал выше как соединение фтора, по ряду свойств очень напоминает воду. Он так же, как вода и цианистый водород, способен образовывать водородные связи между своими молекулами. Но стоит учитывать, что фтор довольно редкий химический элемент во Вселенной. И, как вы уже знаете, фтороводород, в отличие от воды, активно взаимодействует с диоксидом кремния (а его много на Земле), поэтому я не думаю, что жизнь, которая использует фтороводород в качестве растворителя, вообще существует, по крайней мере, на планетах земного типа. Все же зарождение такой жизни возможно на планетах, которые состоят не из силикатов, как планеты земной группы, а из железа или углерода.

Нехимические формы жизни

Проблема большинства ученых, занятых поисками внеземной жизни, в том, что они забывают, насколько разнообразной она может быть. Если же живое в космосе окажется неорганическим, мы его просто не узнаем.

Астроном Фрэнк Дрейк предположил существование живых организмов внутри нейтронных звезд. Они могут состоять из атомов звезды, и жизненный цикл у них будет идти в миллионы раз быстрее, чем у земных существ. Карл Саган в 1976 году предполагал существование организмов, летающих в верхних слоях Юпитера и других планет-гигантов. Константин Циолковский считал, что жизнь может представлять собой любую систему, способную к сохранению формы и самовоспроизведению, например плазмиды (шаровые молнии). Но один вид нехимической жизни я считаю наиболее интересным и заслуживающим особого внимания. И это Больцмановский мозг.

Больцмановский мозг

Больцмановский мозг — это гипотетический объект, самопроизвольно собравшийся во Вселенной и способный осознавать свое существование. Этот объект может появиться буквально из чистого вакуума благодаря флуктуации (отклонению случайной величины от среднего значения в квантовой механике). И об этом я бы хотел поговорить поподробнее.

Говоря о Больцмановском мозге, мы должны мысленно перенестись на много миллиардов лет вперед, а если точнее, то на 103003 лет в будущее. К тому времени из-за исчерпания межзвездного газа перестанут появляться звезды, и Вселенная погрузится в полную и вечную тьму. Вся материя, из которой состоит все, что нас окружает, разложится на атомы, а они, спустя какое-то время (примерно через 1041 лет), распадутся на субатомные частицы (кварки и электроны) и фотоны света. Черные дыры — единственные к тому времени оставшиеся космические объекты во Вселенной, — и те в конце концов испарятся из-за излучения Хокинга [20]. И Вселенная будет представлять собой одно пустое пространство с лишь изредка встречающимися протонами (если они к тому времени не распадутся), кварками и одинокими фотонами света. Это будет пространство с очень высокой энтропией (беспорядком), или так называемый де-ситтеровский вакуум.

Очень редко в таком вакууме может происходить флуктуация, тогда энтропия понижается. Материя при этом может слипнуться и образовать сложные структуры. Даже структуры наподобие мозга, осознающего свое существование [21]. Это ни в коем случае не нарушает второй закон термодинамики: никто не отрицает, что появление Больцмановского мозга — очень большая редкость. По словам Андрея Линде, советского и американского физика, профессора Стэнфордского университета, подобные события происходят примерно раз в 101050 лет [22]. Однако, биологический мозг, такой, как наш, все равно проигрывает Больцмановскому. Удивительно, но его возникновение еще менее вероятно. Дело в том, что время, за которое мог бы развиться биологический мозг в результате эволюции, конечно. А предположительное время существования де-ситтеровского вакуума в конце «жизни» Вселенной бесконечно (если теория тепловой смерти Вселенной верна). Это делает Больцмановский мозг не таким уж фантастически невероятным.

Признаться честно, я не хотел бы быть Больцмановским мозгом. Ведь, скорее всего, это будет что-то похожее на сгусток материи с вращающимся вокруг него межзвездным газом. Я думаю, что такой мозг не сможет воспринимать информацию извне (видеть, слышать, обонять, осязать и ощущать вкус) или двигаться, а только мыслить. Скорее всего, такой «мозг» будет жить очень долго, пока второй закон термодинамики все же не убьет его, превратив в отдельные нуклоны, из которых он и появился. Конечно, говорить о Больцмановском мозге всерьез пока не представляется возможным. Это лишь гипотеза, не подтвержденная доказательствами, и она вряд ли когда-нибудь подтвердится. Но зато эта гипотеза вселяет надежду в то, что жизнь не прекратит появляться после исчезновения звезд, спутников, планет и нас, в конце концов.

Трудности колонизации

Хиральность — это свойство молекул не совмещаться в пространстве со своим зеркальным отражением. Если взять одну хиральную молекулу и начать как угодно переворачивать: вверх, вниз или на 180 градусов, ее никогда нельзя будет совместить с ее зеркальной копией. Самый простой пример, который можно привести — это правая и левая рука. Как бы вы ни поворачивали левую руку, она никогда не станет похожа на правую. Такие молекулы называются энантиомерами (рис. 12).

Рисунок 12. Энантиомеры ибупрофена

«Википедия»

Энантиомеры — это близнецы, которые не могут общаться между собой, иными словами, все «левые» молекулы не могут взаимодействовать с «правыми». Это свойство играет очень большую роль в фармакологии. Ведь если сделать лекарственный препарат хиральным к молекулам, из которых состоит человеческое тело, то лекарство просто не будет иметь никакого действия, так как оно не сможет взаимодействовать с веществами в организме человека.

Именно с этой проблемой может столкнуться человек на другой планете, если на ней будет существовать жизнь. Если человек высадится на планете, где хиральность всех молекул противоположна его собственной, он просто умрет от голода, ведь никакая еда на этой планете не будет усваиваться его организмом [23]. В будущем это может сыграть очень большую роль в жизни космических колонистов.

А теперь я предлагаю вместе представить, как может выглядеть внеземная жизнь, с которой нам когда-то предстоит встретиться.

Жизнь на других планетах, какая она?

Галактика Млечный Путь, в которой находится наша Солнечная система, по приблизительным подсчетам содержит 200–400 миллиардов звезд [24]. Большинство из них наверняка будут иметь хотя бы одну планету. А значит, можно предположить, что хотя бы на некоторых из них будут все необходимые условия для зарождение жизни. Но как будет выглядеть такая жизнь, на каких типах планет будет возможно ее существование, как планета и условия на ней будут влиять на эволюцию и возможно ли появление жизни не на планетах, а на других космических объектах? Ниже я попытался ответить на эти вопросы.

Двойники Земли

Двойники Земли — это гипотетические экзопланеты земного типа, которые имеют примерно такую же массу, диаметр, гравитацию и лежат в так называемой зоне Златовласки (или зоне обитаемости), то есть в зоне, где вода находится в жидком состоянии (рис. 13). Иными словами, планета-двойник должна быть во всём схожа с Землей.

Рисунок 13. Экзопланету Kepler-186f можно считать двойником Земли

Alien Planet KEPLER 186F — Full Documentary

Очень сложно подсчитать количество таких двойников хотя бы в нашей галактике. Если верить теории уникальности Земли, ее двойники встречаются очень редко; еще более редки подходящие планеты, где есть жизнь, которая должна быть очень похожа на нашу, и где эволюция может пойти по тому же пути, что на Земле.

Очевидно, что поиск таких планет интересен людям в первую очередь с точки зрения заселения новых территорий в будущем [25].

Планеты с малой гравитацией

Такие планеты должны иметь массу в несколько раз меньше массы Земли. Отличным примером является знакомый нам Марс (рис. 14).

Рисунок 14. Марс можно отнести к планетам с маленькой гравитацией

True-colour image of Mars seen by OSIRIS

Жизнь на Марсе и других небольших планетах должна сильно отличаться от жизни на Земле. Из-за небольшой гравитации живым организмам там не нужны будут прочные кости и сильные мышцы, ведь им не придется бороться с большой силой тяжести. Поэтому гипотетические марсиане — это худые существа с очень тонкими и длинными конечностями. Костно-мышечная система у них, скорее всего, развита намного хуже, чем у земных организмов. Для жизни им нужно меньше энергии, тепла и пищи. Их сердце бьется реже и перекачивает меньше крови (рис. 15) [25].

Рисунок 15. Именно так могут выглядеть жители планет с маленькой гравитацией. Вероятно, они очень сильно будут напоминать тех самых «зеленых человечков», которых мы очень много раз видели в фильмах и сериалах об инопланетянах.

Суперземля

Большинство экзопланет земного типа, найденных на данный момент, — это суперземли, планеты с массой в 1,2–5 раз больше, чем у Земли (рис. 16).

Рисунок 16. Суперземля

Earth’s ‘Bigger, Older Cousin’ Maybe Doesn’t Even Exist

А чем больше масса, тем больше гравитация. Из-за увеличенной гравитации большинство обитателей суперземель должны походить на пресмыкающихся. Больших животных, таких как слоны, там не будет в принципе, они просто не выживут в таких условиях. Чтобы сердце смогло противостоять большой силе тяжести и могло нормально перекачивать кровь по телу, оно должно быть в несколько раз больше, чем сердца сходных по массе земных животных. Костям в одиночку сложно будет справиться с супергравитацией, поэтому большое значение приобретут мышцы: мышечная масса будет преобладать над костной (рис. 17) [25].

Рисунок 17. Вот так могут выглядеть рептилии на суперземле — их мышечная масса будет преобладать над костной

«Комодский Дракон. Интересные факты о самом большом ящере на земле»

Горячие планеты

Жители тропиков могут со мной не согласиться, но в масштабах Вселенной Земля считается довольно холодным местом. Жизнь на основе углерода может существовать и в более жарких местах. Конечно, она будет иметь ряд особенностей. Тела обитателей горячих планет будут покрыты защитой, скорее всего, каким-нибудь панцирем, который должен оберегать от высокой температуры и обжигающих лучей, исходящих от близко расположенной звезды. Возможно, у них будет что-то вроде второй кровеносной системы, отводящей тепло к коже. Своеобразный холодильник, где хладогенная жидкость забирает у тела тепло и отдает его окружающей среде (рис. 18) [25].

Рисунок 18. «Горячая» планета

Nasa to reveal ‘discovery beyond our solar system’

Холодные планеты

Если есть горячие планеты, значит, есть и холодные, расположенные далеко от родных звезд. Взять хотя бы спутники планет-гигантов, например Европу, спутник Юпитера, или Энцелад, спутник Сатурна [26].

Вода на холодных «Землях» (если она есть) покрыта многокилометровым слоем льда. На поверхности таких планет жизни нет и не может быть, но в подледном океане она вполне возможна (рис. 19).

Рисунок 19. «Холодная» планета

Mengenal Planet Bola Mata yang Memiliki Sisi Panas dan Dingin Ekstrem

Так как фотосинтез на такой планете будет невозможен (по вполне понятной причине), вероятнее всего, жизнь на ней будет использовать хемосинтез. Это схожий с фотосинтезом процесс, только в его основе лежит энергия, выделившаяся при реакции окисления органических веществ, а не энергия света.

Я предполагаю, что на холодной «Земле» будут распространены только три вида хемосинтетиков:

  • железобактерии, которые окисляют двухвалентное железо до трехвалентного;
  • серобактерии, которые окисляют сероводород до молекулярной серы или до солей серной кислоты;
  • нитрифицирующиехемосинтетики, которые окисляют образовавшийся при гниении органикиаммиак с получением сперва азотистой и азотной кислот, а затем — нитратов и нитритов.

Хемосинтетики будут обитать, прежде всего, у геотермальных источников, там, где теплее, ведь мы знаем, что при более высоких температурах обмен веществ идет быстрее. Кроме того, там можно найти все необходимые для хемосинтеза элементы.

Вполне вероятно, что организмы подледного океана будут очень похожи на земную глубоководную жизнь. На дно океанов не попадает солнечный свет, что ставит их жителей в похожие условия [25].

Водные планеты

Из тысячи экзопланет, найденных на данный момент, многие лежат в зоне Златовласки, то есть вода на них будет жидкой. Считается, что большинство из таких планет полностью покрыты водой (рис. 20).

Рисунок 20. «Водная» планета

Exoplanètes : pourquoi la présence d’eau à l’état liquide n’est pas (forcément) synonyme de vie

Раньше ученые склонялись к тому, что жизнь на таких планетах невозможна из-за давления, которое оказывает вода. Но сегодня мы знаем, что на Земле даже глубоко на дне океана кто-то живет. Отличный пример — Марианская впадина. Там настолько большое давление, что человек не продержался бы там и секунды. Но и там есть живые организмы. В их телах такое же давление, какое оказывает на них вода на такой огромной глубине (глубина Марианской впадины примерно 11 километров, а давление составляет 1072 атмосферы [27]). Поэтому нет повода отрицать возможность жизни в полностью «водном» мире [25].

Звезда

Звезды — это огромные сгустки плазмы в космосе (рис. 21). Их температуру нам сложно даже представить. Например, поверхность Солнца раскалена до 6000 градусов, а ядро — до 13,5 миллионов градусов [28].

Рисунок 21. Солнце — одна из триллионов звезд во Вселенной

Sun Emits a Solstice Flare and CME

Органическая жизнь там никогда не возникнет. Но, как мы выяснили, жизнь может быть не только органического происхождения. В частности, Нил Деграсс Тайсон предполагает, что на звездах могут существовать некие энергетические формы жизни, зародившиеся в результате реакций. Нет, такое вещество получали и на Земле в адронных коллайдерах, но на Солнце, с его давлением и температурой, жизнь таких вот «атомов» может быть заметно продлена. Это странно, но кто сказал, что жизнь должна быть только такой, какой мы ее знаем. Просто пока сложно свыкнуться с идеей о ней [25].

Жизнь на планетах с разными звездами

Жизнь на планете зависит не только от ее массы и диаметра, но и от типа звезды, которая ее освещает. Например, Солнце освещает Землю по большей части в диапазоне 500 нм (вот почему Солнце кажется нам желтым, ведь желтый свет находится примерно в этом спектре излучений). Но другие «Солнца» способны излучать в совсем других спектрах. Например, небольшие звезды могут излучать в инфракрасном спектре (рис. 22).

Рисунок 22. Звезда, излучающая свет в инфракрасном спектре

«Самая большая звезда во вселенной»

Кожа обитателей таких вот звездных систем будет красной, а их глаза будут очень большими, чтобы лучше друг друга видеть, прямо как в сказке про Красную Шапочку. Не помешает им и повышенная светочувствительность [25].

Коричневые карлики

Коричневые карлики — это недосформировавшиеся звезды (рис. 23).

Рисунок 23. Коричневый карлик

«Если звезды зажигаются… Часть I»

Обычно по размеру они представляют собой что-то среднее между планетой-гигантом и звездой. Несмотря на свою незавершенность, коричневые карлики имеют благоприятные условия и ресурсы для зарождения одноклеточной жизни: подходящую температуру и набор необходимых элементов (например, водород, кислород и углерод). Если прибавить сюда атмосферу, а значит и ветра, на карликах смогут появиться и более сложные организмы. Например, летающие по воздуху большие животные вроде китов. Ведь, летая, легче искать пропитание на поверхности планеты (рис. 24) [25].

Рисунок 24. Вот так могут выглядеть летающие «киты» на коричневых карликах

«Тайные стороны желаний 2»

Заключение

Итак, что же можно сказать в заключение? Конечно, большая часть сказанного здесь — всего лишь догадки, не более. Что же полезного может принести альтернативная биохимия? Можно ли применить ее на практике? Безусловно, да!

Прежде всего, альтернативная биохимия помогает понять нашу земную биологию и химию. Лучше разобраться в том, как зародилась и развивалась жизнь на нашей родной планете, понять механизмы эволюции на Земле, как на ней развивалась, развивается и будет развиваться жизнь. Уже знакомое нам свойство энантиомеров можно использовать в фармакологии для производства лекарственных препаратов.

Пусть сегодня мы располагаем одними теориями, завтра все может измениться. Кто знает, может быть, через сотни или тысячи лет человечество вступит в какое-нибудь межгалактическое сообщество, как во Вселенной игры Mass Effect (рис. 25).

Рисунок 25. Заседание галактического совета

Mass Effect Universe Primer

Такое сообщество будет напоминать ООН, только вместо наций в него будут входить внеземные цивилизации. Лично я уверен, что мы не единственные разумные существа во Вселенной, и встреча с расами из других миров — это лишь вопрос времени. А занимаясь альтернативной биохимией, мы незаметно приближаем этот день встречи. Как говорится, всё начинается с мечты! И я уверен, этой мечты мы обязательно достигнем!!!

  1. Хейзен Р. История Земли. От звездной пыли — к живой планете. Первые 4 500 000 000 лет. М.: «Альпина Нон-фикшн», 2017. — 364 с.;
  2. Encrenaz T. The solar system (3rd Edition). Berlin: Springer, 2004. — 89 p. ;
  3. Matson J. (2010). Luminary lineage: did an ancient supernova trigger the Solar system’s birth? Scientific American;
  4. Frankel C. Volcanoes of the Solar system. Cambridge University Press, 1996;
  5. Futuyma D.J. Evolution. Sunderland, Massachusetts: Sinuer Associates Inc., 2005;
  6. Смотрова Е. (2017). Космос в пробирке: что могут рассказать аминокислоты о жизни на других планетах. RT;
  7. Дикий-дикий космос;
  8. Lazio J. (2014). 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);
  9. Gillette S.L. and Bova B. World-Building. Writer’s Digest Books;
  10. Exotic life beyond Earth? Looking for life as we don’t know it. (2009). Europlanet;
  11. Baggaley K. (2016). Looking for silicon-base dalien life? Don’t hold your breath. Popular Science;
  12. Смирнова Г.Ф. (2010). Особенности метаболизма бактерий, восстанавливающих хлораты и перхлораты. «Мікробіологічний журнал». 4, 22–28;
  13. Копылов Н.И. и Каминский Ю.Д. Мышьяк. Новосибирск, 2004;
  14. F. Wolfe-Simon, J. S. Blum, T. R. Kulp, G. W. Gordon, S. E. Hoeft, et. al.. (2011). A Bacterium That Can Grow by Using Arsenic Instead of Phosphorus. Science. 332, 1163-1166;
  15. Почти детективная история о том, как элемент-убийца помог возникнуть жизни;
  16. Клещенко Е. (2012). Две дамы, ДНК и мышьяк. «Химия и жизнь». 3;
  17. Фтор. Himya;
  18. Альтернативная биохимия — изучение возможных форм жизни на других планетах. «Мир знаний»;
  19. Альтернативная биохимия в фантастических произведениях. (2011). 4108.ru;
  20. Don N. Page. (1976). Particle emission rates from a black hole: Massless particles from an uncharged, nonrotating hole. Phys. Rev. D. 13, 198-206;
  21. Кэрролл Ш. Вечность. В поисках окончательной теории времени. СПб.: «Питер», 2017. — 512 с.;
  22. Andrei Linde. (2007). Sinks in the landscape, Boltzmann brains and the cosmological constant problem. J. Cosmol. Astropart. Phys.. 2007, 022-022;
  23. Испаилова С.Т. Об асимметрии живого (3-е изд.), т. 2. М.: «Аванта+», 1996. — 704 с.;
  24. How Many Stars are in the Milky Way?;
  25. Как могут выглядеть жители других планет. Youtube;
  26. Chela-Flores J. Terrestrial microbes as candidates for survival on Mars and Europa. In: Journey to diverse microbial worlds: adaptation to exotic environments / ed. by Seckbach J. Springer, 2000. — P. 387–398;
  27. McKenna A. (2020). Mariana Trench. Encyclopaedia Britannica;
  28. Лившиц М.А. Солнце. «Астронет».

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.

Кремниевая форма жизни. Две статьи с иллюстрациями.

Анатомия агата
Агат имеет четко выраженную анатомию: видно кожу, полосатое тело, кристаллическое тело (фото 1—3), а на фото 4 видно донышко-зеркало.

Фото 1

Фото 2


Все живые существа, начиная с одноклеточных организмов и кончая человеком, имеют внешнюю оболочку. Все разнообразие оболочек можно назвать одним термином — кожа.

Фото 3

Фото 4


Оболочку кремниевых организмов мы тоже назвали кожей. Кро впитывает все необходимые вещества из земли, но не корнями, а всей поверхностью кожи. Для увеличения площади питания на поверхности кожи некоторых кро имеются четко выраженные ямочки: у одних мелкие, у других крупные, у третьих комбинированные, т.е. очень крупные, в которых есть мелкие (фото 5, а, в, г).
Питание организма всей поверхностью — древнейший и самый примитивный способ питания.

Фото 5


Кожа у большинства агатов (фото 1) имеет конструкционную странность. Она устроена так, что с левой стороны начинается тонким слоем и к правому краю постепенно спиралеобразно увеличивается по толщине и по количеству слоев. Спиралеобразное строение свойственно раковинам живым организмам. Как и у белковых организмов, кожа у кро бывает тонкой, толстой, многослойной (фото 1 -3, 5).

Фото 6


Некоторые белковые организмы в течение жизни линяют — сбрасывают старый волосяной покров или кожу. Некоторые кро также линяют, постепенно сбрасывают старую кожу, из под которой четко видна молодая, блестящая, с ясно видимыми ямочками (фото 5, б). При размножении агата семенами, часть массы уходит вместе с семенами. На месте выхода семян остаются углубления, на поверхности которых постепенно происходит регенерация кожи (фото 5, в).

Очень интересен образец, на сколе которого возник кусочек кожи (фото 6, а).
Агаты залечивают раны-сколы примерно так же, как сосна, ель заливают раны смолой; сколы у кро как бы оплавляются кристаллическим полосатым телом, вся поверхность оплавляется, затягивает сколы и на этом месте восстанавливается кожа с характерными ямочками.

Фото 7


Интересен образец с трещиной вкруговую и со сколом (фото 7). Эта трещина затянулась, и агат представляет собой единое целое. Как сращиваются кости у живых организмов.

Фото 8

Фото 9


Некоторые виды кро имеют странное и необъяснимое по назначению образование донышко-зеркало. В зародышевом состоянии такое донышко отсутствует и даже на стадии «организма-младенца» донышка нет (фото 8—11). Донышко-зеркало четко видно у индивидуумов, покинувших родительское тело и поживших некоторое время самостоятельно (фото 12).

Фото 10

Фото 11


Наличие полов
Наличие полов у биологических существ не вызывает сомнений. Наличие полов в крее мной определено с достаточной достоверностью. Агаты двуполые организмы и размножаются двумя способами — семенами и почкованием аналогично растениям и путем возникновения и развития зародыша внутри кремниевого организма аналогично животным. Но есть способ размножения агатов, которому нет аналога в биологии: возникновение и развитие зародыша происходнт вне агата, в монолитном базальте.

Фото 12


Исходя из того, что возникновение и развитие зародышей агата происходит только в кристаллическом теле и никогда в полосатом, автор пришел к выводу, что кристаллическое тело — это женское тело, а полосатое тело — это мужское тело, откуда следует, что кро — двуполые организмы.

Фото 13


Предполагается, что вокруг яйцеклетки, как и других биологических структур, существует биополе. Одна из разновидностей биополя — лазерное поле, способное излучать не только свет, но и звук. На акустические колебания клетка накладывает генетическую информацию, которая может осуществить партеногенез.

Фото 14


Ничем иным, кроме как переносом генетической информации звуком невозможно объяснить появление зародышей кремниевых организмов внутри целостного и монолитного куска базальта.

Фото 15


Размножение агата семенами
Кремниевые организмы размножаются семенами (фото 12- 17, 18, б). Форма, размер и цвет семян имеют широкий диапазон. Семена возникают в основном в кристаллическом теле, но иногда и в полосатом. Самое удивительное, что зернышко зарождается внутри родительского тела (фото 13, а) и выходит на поверхность по каналу естественного происхождения (фото 12,13, б).
Зарождение семян агатов в агатах четко видно на фото 14 — зернышки начали оформляться в самостоятельные образования. На данный момент кристаллик-зернышко освободился от родительского тела на 70%, а рядом — на 40%, и видно, что они составляют единое целое с родительским телом, а не являются включениями, как утверждают некоторые ученые.

Фото 16

Фото 17


Рассмотрим зарождение семян (фото 13- 17). У большинства агатов семена зарождаются под самой поверхностью или наравне с поверхностью. Все это видно на поперечных разрезах (фото 16, в, г). Зарождение зернышка началось у самой поверхности и образовало полусферу, поверхность которой стремится вниз, замкнуть сферу. В этой сфере созреет зернышко. На поверхности агата видно два зерна шестиугольной формы. На фото 16, а виден поперечный разрез одного из зерен. На фото 17, г видно, что одно из зерен созрело и в скором времени выйдет из родительского тела. Зернышки четко обозначились на поверхности, и на фото 16, д можно увидеть, что они уже готовы к выходу из родительского тела. На фото 17, в зрелые зерна выходят из канала в диаметрально противоположные стороны.

Фото 18


В основном наблюдается беспорядочный выход семян, т.е. с разных мест, с разной глубины. Но встречается и упорядоченный выход семян из одного места. Такой выход автор назвал «пещерным». В этом случае зернышки образуются рядом, один к одному, на глубине, равной толщине своего тела. После созревания они уходят из родительского тела. Так продолжается достаточно долго, и, в конце концов, образуется «пещера» (фото 18, б).

На фото 13, б в кристаллическом теле четко виден «колодец», выстланный четырехслойным «срубом». Этот «сруб» — продукт жизнедеятельности агата. Четко видно упорядоченное расположение кристаллов вокруг «колодца». Все они расположены строго перпендикулярно к радиусу закругления и стенкам «колодца». Можно предположить, что система «колодец» и кристаллическая часть вокруг него работают по принципу перистальтики, т.е. они проталкивают и выталкивают зернышко наружу.

Интересно зарождение семян, но интересно и зарождение, образование «дороги» — пути выхода для семян. Семена зарождаются на разной глубине от поверхности агата. Для того чтобы созрев, выйти из родительского тела, само зернышко создает путь для выхода. В зависимости от профиля зернышка образуется выход такого же профиля (так, зерно треугольного профиля образует треугольный выход). На фото 19, а четко видна факельная форма выхода для зерна. Можно предположить, что зернышко обладает определенным биополем и это биополе несет информацию для создания «дороги» соответствующего профиля
Размножение делением и почкованием

Фото 19


Интересен образец на фото 18, б. Четко видно с внешней стороны, как идет процесс деления. Образуется канавка-перетяжка, которая со временем настолько перетянет агат, что останется минимальное соединение дочернего агата с родительским телом и вскоре происходит откалывание — отделение. Потрясающе интересны образцы (см. фото 2 и 18, а), на продольных разрезах которых полностью виден процесс деления.

На фото 18, а вверху, на поверхности агата видна мало примечательная канавка, но внутри под канавкой образуются разделительные центры. Четко виден темно-коричневый продолговатый разделительный центр, а под ним два круглых, которые впоследствии объединятся с верхним и продолжат разъединение дочерних форм. На фото 20 на поверхности агатов видно образование разделительных центров, от них к центру кро идет разделительная канавка (фото 20, а-в). Четко прослеживается динамика разделения. Процесс разделения — древний процесс и имеет аналог в биологических организмах.

Фото 20


Интересен и нагляден процесс отпочкования, представленный на фото 2. Кристаллическое (женское) тело волной, подобной синусоиде, перетекает в дочерний агат, в котором уже находится полосатое (мужское) тело. С боков образовались разделительные канавки-перетяжки.

На фотографиях, не вошедших в данную публикацию, можно увидеть, что в родительском теле выросло два дочерних агата — один, созрев, откололся, другой дозревает. Последовательность развитая близнецов — примечательное свойство кро. В ряде случаев можно наблюдать, как некоторые дочерние организмы начинают откалываться — видны трещины между дочерними кро и родительскими кро, от которых отпочковались, т.е. откололись дочерние кро.

Мозаичное размножение
Мозаичный агат (из книги Годовикова «Агаты), достигнув зрелости, начинает делиться на множество агатиков путем возникновения по границам агатиков множества разделительных центров, представляющих собой полые трубочки, которые, возникая рядом друг с другом, образуют разделительные плоскости, разрезающие родительский кро на множество дочерних форм.
Можно предположить, что эти разрезы делаются согласно генетической программе.
Размножение внутрнкаменным развитием зародышей кро

Потрясающее явление зарождения, развития и рождение младенца-агатика можно увидеть на фото 3, б, 19, а. Это самые удивительные образцы для демонстрации зарождения и развитая нового организма внутри родительского тела и хранения генетической информации. На фото 19, б четко видно, как в центре взрослого кро развился новый молодой агат
Фото 3 — прекрасный образец для показа кро, развившегося внутри родительского тела до зрелого возраста, рядом — младший зародыш, не имеющий пока еще кристаллического тела.

На фото 19, б видно рождение агата-младенца из родительского тела.
Зарождение внешней оболочки — кожи идет на гранях кристалла и вначале имеет вид остроконечных пиков, поставленных рядом (фото 3). На этом этапе развития кожа имеет один слой (фото 6 — тот же агат, только с обратной стороны). Видны два развивающихся зародыша разного возраста. У старшего кожа уже многослойная, имеет три слоя. Остроконечные пики уже сглаживаются. У всех образцов видно, что кристаллическая структура, находящаяся внутри периметра кожи, состоит из мелких кристалликов, тогда как с внешней стороны кожи находятся крупные кристаллы.

Особенность зарождения и развития зародышей в кремниевых организмах заключается в том, что в одном кро могут находиться несколько зародышей на разных стадиях развитая.

Развитие зародышей в базальте
Известно, что оплодотворенная яйцеклетка— зигота неоднократно делится, образуя бластулу и набирая массу до определенного предела, после чего начинается закладка разных органов и систем: появляются внутренние органы, кожа, плавники и т.д.
Очень похожий процесс протекает и у криоты. Маленький кристаллик, принявший в себя жизнь и превратившись в криоту, начинает расти, высасывая из базальта все необходимое, увеличивая массу и объем и создавая вокруг себя давление. После того, как криота достигла критического размера — 2-5 мм в диаметре, жизнь ее может пойти по одному из двух путей. Первый путь — выход в свет нового организма (фото 4, 8, 9, 11, а, б). Если криота достигла 3-5 мм в диаметре, при этом находясь недалеко от поверхности камня или скалы, она создает давление, которое приводит к появлению трещины. По этим трещинам распространяются вода, воздух, свет, без которых нет жизни как белковой, так и кремниевой. Криота, получив воду, воздух, свет, начинает превращаться в организм (фото 9, г-е), появляются кожа, полосатое тело, кристаллическое тело — появляется кремниевый организм.

Второй путь приводит к гибели зародыша (фото 10, 11, в). Если криота достигла 3-5 мм в диаметре и находилась далеко от поверхности камня или скалы, и в ней возникло давление, которое не привело к созданию трещин, то она гибнет.

При развитии криот в базальте обнаружено новое явление, неизвестное ранее — сферическая структура (фото 10, а-в; 11, а-в). В начальной стадии развития криот эти структуры не выявляются, они возникают после гибели криот и у криот, завершивших свое эмбриональное развитие.

Можно предположить, что агат создает себе посредника — сферическую структуру, окружающую его со всех сторон. Внешняя площадь сферической структуры в несколько раз больше площади зародыша агата, что дает возможность увеличить поток необходимых веществ для роста кро (фото 10, 11, а-в).

У криот и зародышей нет отпочкования (фото 4, 8-12).

Размножение естественным клонированием
Известно, что тела живых организмов (белковых) состоят из клеток. Каждая клетка содержит набор генов, по которым строится весь организм. Искусственное клонирование известно. У некоторых агатов вся поверхность состоит из развивающихся зародышей (есть фото в коллекции автора, не представленное в статье). Заполнив собой всю поверхность кожи и продолжая расти, увеличиваясь в объеме, зародыши выдавливаются из родительского тела, отскакивают, обнажая кристаллическое тело.
Сохранение в динамике сложных форм кро.

Фото 21


Проследить в динамике развитие конкретного кро от зародыша до зрелого возраста практически невозможно, так как это развитие длится возможно не один миллион лет. Но удалось собрать образцы одного вида, находящиеся на разных возрастных стадиях.
Для наглядности, чтобы не спутать ни с каким другим видом, автор выбрал вид «горби» сложной внешней формы, имеющей три горба — два горизонтальных и один вертикальный. На фото 21 и 22 прослеживается динамика развитая от младенческого возраста до зрелого. Кро вида «горби» обладают особенностью, которой не обладают другие виды, — они бывают левые и правые.

Фото 22


Кремниевая форма жизни бессмертна
Но крей не обладает абсолютным бессмертием.
При размножении кро весь расходуется или на семена, или на младенцев, или просто делится, делится и при почковании. Таким образом, кро избегает естественного умирания от старения.

Смерть наступает в том случае, если на кро нападает неизлечимая болезнь, которую он не сможет победить. Нападение микробов или вирусов происходит иногда по всей поверхности, проявление болезни и отмирание начинаются с периферии. В коллекции автора есть образцы, где видно, что по краям кро отсутствуют всякие признаки кристаллов, одна сплошная плотная масса, затем идет слой мелких кристаллов и лишь в центре остаются кристаллы крупных размеров— »островок» жизни.

Сросшиеся близнецы
Известно, что у людей иногда появляются на свет сросшиеся близнецы. У крея тоже иногда наблюдается аналогичное явление. В коллекции автора имеется один образец сросшихся зародышей.

Многообразие видов крея
Сколько видов у крея невозможно сказать. Представленная в коллекции малая толика разнообразных агатов дает представление о многообразии мира кремниевой формы жизни.

Растительная форма крея
У крея также есть растительная форма жизни, но это скорее термин. Точнее эту жизнь можно назвать «неподвижной». Это свойство совпадает с неподвижной, в основном, растительной жизнью.

Фото 23


Если агаты, зародившись в базальте или в родительском агатовом теле, в конце концов выходят из них, то неподвижная форма, как и деревья, стремится только к захвату жизненного пространства — признаки, присущие всему живому. Изображение на фото 23, действительно, очень похоже на дерево — имеются ствол, ветви. Остальные виды на деревья не похожи, но четко видно стремление к захвату жизненного пространства (фото 24).

Фото 24


При сборе и исследовании агатов обнаружился удивительный факт. Оказалось, что у многих камней, не агатов, тоже имеются семена.
Автор далек от мысли, что все эти камни живые, но считает их чем-то вроде грядки земли, на которой растет все, в частности, на ней взрастают семена других живых камней.
____________
Боковиков Альберт Аркадьевич, Кемерово

Мы привыкли думать, что иные формы жизни если где и существуют, то только на других планетах. Американский вулканолог Говард Шарп тоже так думал, по крайней мере — до своей поездки на Аляску в 1997 году. Столкнувшись там с весьма необычным явлением, он переменил свое мнение.

Шарп с группой исследователей вел на Аляске наблюдение за извержением одной из вулканических сопок. Извержение было довольно сильным — из жерла летели камни и куски туфа. К вечеру, когда все стихло, исследователи собирались возвращаться в лагерь, когда явились алеуты и сообщили Шарпу, что сопка, по их словам, «выплюнула живой камень». Заинтригованный вулканолог направился с ними и вскоре увидел камень, о котором действительно можно было подумать, что он проявляет признаки жизни.

Это был темно-коричневый с гладкой поверхностью овальный валун около метра в длину. По виду он мало чем отличался от других валунов, устилавших местность вокруг сопки, но, в отличие от них, он двигался. Это было заметно по борозде, которая тянулась за ним. При этом Шарп сразу обратил внимание, что камень не мог сползать по почве под действием своего веса: здесь рельеф

шел немного на подъем, а значит, валун двигался вверх. При этом от него исходил глухой звук и шел едва заметный пар. А протянув к камню руку, исследователь ощутил слабое тепло.
Насколько позволяли сгущающиеся сумерки, Шарп произвел видеосъемку, но зафиксировать камерой движение камня было невозможно, поскольку оно было слишком медленным: примерно два сантиметра за пять минут. К тому же движение замедлялось — видимо, по мере того, как камень остывал.
Шарп и его помощники проводили наблюдение за удивительным валуном всю ночь. Камень продвигался сначала на юго-восток, потом изменил направление и двинулся на юг. «Все это время меня не отпускало чувство, будто передо мной живое существо», — писал впоследствии исследователь, прибавляя, что движение камня невозможно было объяснить ничем, даже вибрацией почвы, поскольку двигался только он один. Все остальные камни, находившиеся поблизости, оставались неподвижными.

На рассвете пар от камня уже не шел, звук затих и движение почти прекратилось. Шарп уехал в лагерь и вернулся через восемь часов. За это время валун проделал путь в полтора метра, о чем свидетельствовал след на почве. Камень был практически холодным и звуков не издавал.
Исследование необычного объекта продолжалось две недели. Камень двигался, но расстояния, которые он одолевал за сутки, становились все короче. Срок пребывания экспедиции на Аляске подходил к концу, и Шарп перед отъездом откол от камня небольшой кусок для изучения.

При этом «кремниевые» организмы и их внутренние органы не могут иметь практически ничего общего с нашими; жизненные процессы в них должны протекать не только иначе, но и во много раз медленнее, то есть само время должно двигаться для них по-иному. «Кремниевое» существо вряд ли вообще способно заметить нас, как мы не замечаем, например, порхающие перед нами молекулы. Для «кремниевых» мы слишком быстры. Они видят и чувствуют только то, что неподвижно или движется с той же скоростью, что и они.

По мысли Шарпа, такие кремниево-органические существа нашли подходящую среду обитания в раскаленных недрах планеты, где они постепенно эволюционируют. Отдельные «кремниевые» особи время от времени выносят на поверхность в результате вулканической активности, но наверху, по-видимому, они живут недолго, застывая и становясь похожими на обычные камни.
Если принять гипотезу Шарпа, то с тем, что кремниевые существа живут на поверхности Земли недолго, можно поспорить. Известны, например, знаменитые движущиеся камни в калифорнийской Долине Смерти. Находящиеся на нем валуны — от трехметровых глыб до размеров с футбольный мяч — движутся, как и камень Шарпа, оставляя за собой след на почве. И движение это продолжается не одну сотню лет.

Признаки жизни проявляют не только камни из Долины Смерти. Уже несколько веков знаменит легендарный Синь-камень, находящийся неподалеку от села Городище под Переславль-За-лесским. В XVII веке этот валун, являвшийся объектом поклонения язычников, был сброшен в глубокую яму и засыпан землей, но через несколько десятков лет загадочным образом выглянул из-под земли. Известен и «плавающий» камень, обнаруженный подводниками вблизи берегов Парагвая. В 50-е годы прошлого века там обнаружились остатки испанского галеона. Детально обследовать его тогда не удалось, но была составлена подробная карта морского дна в этом месте. Среди прочих особенностей подводного рельефа на карте был указан пятиметровый валун, вросший в дно. Когда спустя почти полвека другая экспедиция занялась обследованием галеона, ее участники были немало удивлены, обнаружив на месте валуна впадину. В то же время крупный камень, не обозначенный на карте, находился неподалеку от ямы. После обследования камня и впадины подводники пришли к выводу, что камень — это тот самый валун со старой карты. За пятьдесят лет он каким-то непостижимым образом всплыл и переместился на несколько десятков метров.

Движущиеся камни были обнаружены американскими астронавтами на Луне. За отдельными лунными валунами, так же как и за камнями в Долине Смерти, тянулись борозды, свидетельствовавшие о том, что валуны передвигались. Самое удивительное, что некоторые борозды прерывались, а самого камня, который их оставил, на месте не было, как будто он взмыл в воздух и улетел!

Все эти и другие находки заставляют предполагать, что кремниевая жизнь способна существовать не только в специфических условиях земных недр, но и на поверхности планеты и даже в абсолютном холоде открытого космоса. А это значит, что жизнь на кремниевой основе распространена во Вселенной гораздо шире, чем углеродная.

Обе эти жизни, так сильно отличающиеся одна от другой, эволюционировали на Земле параллельно, но с разной скоростью, отчего и результаты их эволюции сильно разнятся. Жизнь на углеродной основе, зародившись на нашей планете три с половиной миллиарда лет назад, к настоящему времени дала разумное существо — человека. Кремниевая жизнь, зародившись здесь, по-видимому, еще раньше, находится лишь в самом начале своего пути к разуму. И объясняется это в первую очередь громадной временной разницей протекания жизненных процессов в организмах кремниевых существ и
углеродных. Большая продолжительность жизни и крайняя замедленность жизнедеятельности кремниевых значительно тормозят их эволюцию. За время, пока сменялись сотни, если не тысячи поколений углеродных существ, сменялось всего одно поколение кремниевых.
Кремниевые существа настолько необычны, что в нашем восприятии неотличимы от простых камней. Даже научными методами, как это видно по образцам Шарпа, не удается распознать их настоящую природу. О том, что перед нами не камни, а живые существа, мы можем догадываться лишь по их поведению, например по движению.
http://paranormal-news.ru/news/kremnievye_formy_zhizni/2009-10-08-2075.

Кремниевые формы жизни. — Загадки природы

Лента новостей » Загадки природы