Углеродные формы жизни: Ученые доказали вероятность существования кремниевых форм жизни — Платформа

Содержание

Почему жизнь основана на углероде (а не, скажем, на кремнии)?

Общие знания

04.08.2022

1 105 3 минут чтения

Все на Земле состоит из углерода и будет состоять из него в обозримом будущем, но может ли жизнь в других уголках Вселенной быть основана на другом веществе?

Удивительно видеть формы жизни, изображенные в фильмах и передовых сериалах, таких как «Очень странные дела», «Аннигиляция», «Прибытие» и «Любовь, смерть и роботы». Эти творческие новые миры порождают наше любопытство и желание узнать, действительно ли такие вещи могут существовать.

Что делает углерод таким особенным?

Углерод — тот невысокий ребенок в классе, который очень общителен и очень легко сближается со всеми.

4 электрона в его внешней оболочке открыты для обмена с кем угодно. Углерод легко образует ковалентные связи с другими элементами из-за своего небольшого размера, а молекулы и соединения, которые он образует, чрезвычайно стабильны. Четырехвалентность углерода и небольшой размер делают его особенным, поэтому он использует любую возможность, чтобы завершить свой октет и стать стабильным.

Катенация (образование связей между атомами углерода) заставляет углерод образовывать необычайно стабильные цепи, разветвления и кольцеобразные структуры. Он не только связывается с другим углеродом, но также образует прочные связи с водородом, кислородом, азотом и многими другими элементами, все из которых являются необходимыми комбинациями в качестве основы для жизни. Прочность связи углерода варьируется в зависимости от ориентации его связи и элемента, с которым он образует связь. Электроположительность, хиральность, температуры плавления и кипения, расстояние между ядрами, силы притяжения и множество других химических и физических свойств играют роль в стабильности и реакционной способности.

Почему не кремний или любой другой элемент?

Наиболее близким элементом к «социальным» способностям углерода является кремний, но кремний большой и несколько интровертный. Несмотря на то, что кремний принадлежит к той же группе, что и углерод, он не способен образовывать прочные и стабильные связи с самим собой или другими элементами, особенно с водородом. Если он и образует устойчивые связи, то они не такие разнообразные, гибкие и сложные, как углеродные. Реакции кремния по сравнению с реакциями углерода также протекают медленнее.

Биохимия также играет важную роль в этом споре. CO2 растворяется в нашей крови и помогает поддерживать рН крови, а растения используют его для фотосинтеза, чтобы вырабатывать кислород, который поддерживает другие виды жизни. А теперь представьте, что вы дышите SiO2, который является кристаллом… кажется, это не очень просто.

Однако некоторые диатомовые водоросли, обитающие в океане, действительно содержат кремний в своей системе, но это не то же самое, что самовоспроизводящиеся углеродные ДНК и РНК, одни из основных биомолекул живых существ.

Возможна ли жизнь на основе какого-либо другого элемента?

По крайней мере, на Земле жизнь останется основанной на углероде.

Гибкость, стабильность и способность углерода создавать полимеры делают его практически идеальным строительным блоком жизни на нашей планете. С химической точки зрения кажется практически невозможным, чтобы кремний заменил углерод, особенно если учесть, что кремний токсичен для некоторых живых организмов.

Суть жизни заключается в строительных блоках белков или подобных соединений, а также в метаболизме и генетическом материале. Мы знаем это благодаря тому, что видели на Земле и в ее формах жизни. Для существования жизни в других местах необходимы определенные соединения, но не обязательно в том же виде. Форма жизни — это просто химический комплекс. На Земле преобладает углерод, но сера, азот, фосфор или кремний также могут быть потенциальными элементами в формировании жизни. Сера образует длинные цепи, как углерод, и некоторые бактерии, такие как тиобациллы, по некоторым данным, выживают на сере. Азот, соединяясь с фосфором, также может образовывать различные молекулы и сложные макромолекулы. Они также образуют элементы ДНК, которая является основой жизни на Земле. Аммиак, метан и этан являются возможными растворителями, которые могли бы заменить воду, поскольку они не разрушают (в отличие от воды) гидролитически нестабильные органические виды, контролируя сложную органическую химическую реактивность, и, скорее всего, являются носителями формы жизни, отличной от той, которую мы себе представляем. Возможные доказательства наличия жидкого аммиака на Титане и в океане Энцелада открывают возможности для обнаружения новых форм жизни. В конце концов, жизнь на Земле также зародилась в океане, богатом сложными молекулами. Ученые также ищут техносигнатуры, которые представляют собой сигналы или индикаторы, свидетельствующие о существовании технологической жизни за пределами Земли, например, наличие радиосигналов. Обнаружение техносигнатуры может дать хороший ключ к любым другим существующим цивилизациям. На нашей планете Земля экстремофилы, термофилы и даже милые маленькие тихоходки эволюционировали до такой степени, что способны пережить все, вплоть до того, что они практически неразрушимы. Не будет ничего удивительного, если они разойдутся в разные стороны, чтобы развиться в отдельный вид, основанный на сере, а не на углероде, и стать источником различных форм жизни.

Многое уходит на создание жизни, и эта статья только коснулась верхушки айсберга. Разочаровывает тот факт, что нам придется довольствоваться научно-фантастическими фильмами о наших неуглеродных формах жизни, но мы не должны отказываться от наших ученых и исследователей, которые постоянно пытаются выйти за рамки нашего углеродного существования.

Подпишитесь на нас:Дзен.Новости / Вконтакте / Telegram

Возможна ли неуглеродная форма жизни?

Можно ли выстроить жизнь на основе других атомов? Наиболее вероятной альтернативой углероду принято считать кремний. Он находится в той же периодической группе, свойства этих элементов во многом схожи. К тому же кремний тоже достаточно распространён во Вселенной. Однако его атом тяжелее, чем у углерода, а больший диаметр делает невозможным образование стабильных двойных и тройных связей. Поэтому «обычные» аналоги органики из кремния менее устойчивы.

Тем не менее возможность существования кремниевой жизни исключить нельзя — но в других условиях. Хотя водородные соединения кремния менее устойчивы по сравнению с углеводородами,
силиконы — полимеры с чередующимися атомами кремния и кислорода — более жаропрочны. Поэтому принято считать, что жизнь на основе кремния возможна на планетах со средней температурой значительно выше земной. Однако в этом случае вода на роль растворителя не подойдёт — выкипит прежде, чем сделает своё дело. Учёные считают, что подходящей средой мог бы стать расплав из оксида кремния.

Жизнь можно попытаться построить и на основе соединений
бора (B): он образует длинные устойчивые цепочки, при этом бороводородов достаточно много. Но, будучи элементом третьей группы, бор способен образовывать только три ковалентные связи, что уменьшает количество вариантов . К тому же некоторое (гораздо меньшее, чем углеродное) разнообразие «боровых» молекул реально создать только в сочетании с азотом (тем не менее «неорганический бензол» — боразол B₃N₃H₆ — вполне себе существует). Последнее «но» состоит в том, что бор, а также литий (Li) и бериллий (Be), как правило, образуются во Вселенной весьма хитрым способом — скалыванием: космические лучи откалывают куски от более массивных ядер. Поэтому литий, бериллий и бор распространены гораздо меньше, чем их соседи по таблице Менделеева.

Современные астробиологи склоняются к тому, что без углерода нам всё-таки не обойтись. Постулирование тезиса, что жизнь возможна только на основе углерода, знаменитый астроном, астрофизик и выдающийся популяризатор науки
Карл Саган назвал углеродным шовинизмом.

Впрочем, это не единственно возможная точка зрения. Международная исследовательская группа под руководством
Вадима Цытовича в 2007 году опубликовала статью в журнале New Journal of Physics. Учёные с помощью компьютерного моделирования показали, что плазма, содержащая взвешенные заряженные частички пыли (типичные для космоса условия), может образовывать самовоспроизводящиеся структуры.

Такие работы ставят вопрос: что, собственно, мы подразумеваем под словом «жизнь»? Если речь идёт о сложных эволюционирующих структурах, которые способны воспроизводить себя и развиваться, в таком случае «живой» можно назвать и компьютерную программу.

Жизнь может принимать самые невероятные формы. Простор для фантазии огромный: в обозримой Вселенной около 20 триллионов (20 000 000 000 000) галактик, и только в нашей — Млечном Пути — от 200 до 400 млрд звёзд.

А ещё есть так называемая инфляционная модель, согласно которой в каждый момент времени рождается множество Вселенных с разными законами природы. Быть может, в одной из них атомы, появившиеся в результате Большого взрыва, оказались совсем другими — и создали совершенно иную жизнь. Кто знает?. .

Сияй, сумасшедший бриллиант: почему люди являются углеродными формами жизни

Лабораторная крыса

Автор S.E. Gould 11 ноября 2012 г.

Share на Facebook
Поделитесь в Twitter
Share на Reddit

Предыдущие записи из серии Химия: Водородные связи, силы Ван-дер-Ваальса, металлическая связь, ионная связь

Все на земле состоит из комбинаций различных элементов, которые можно найти в периодической таблице. Учитывая, что периодическая таблица содержит 118 элементов, кажется жаль, что органическая жизнь имеет тенденцию включать только пять или шесть из этих элементов в огромных количествах. Основной из них – углерод.

Жизнь на Земле невозможна без углерода. Углерод является основным компонентом сахаров, белков, жиров, ДНК, мышечной ткани, почти всего в вашем теле. Причина, по которой углерод такой особенный, заключается в электронной конфигурации отдельных атомов. Электроны существуют в концентрических «оболочках» вокруг центрального ядра, а углерод имеет четыре электрона в самой внешней оболочке. Поскольку наиболее стабильной вещью для атома является восемь электронов, это означает, что каждый углерод может образовывать четыре связи с окружающими атомами.

Каждая связь в вышеуказанной молекуле образована двумя общими электронами; один из углерода и один из водорода. Однако способность образовывать четыре связи не ограничивается углеродом, это свойство каждого атома с четырьмя внешними электронами, включая кремний, олово и свинец. Что особенного в углероде и причина того, что формы жизни на основе кремния ограничиваются научной фантастикой (а формы жизни на основе свинца почти никогда не упоминаются), заключается в том, что он может образовывать двойные связи, которые имеют более одного общего электрона с другим атомом, как показано ниже. :

Почему углерод способен на это, а кремний нет? Хотя на диаграмме выше все облигации изображены прямыми линиями, в реальной жизни не все облигации равны. Двойная связь состоит из двух различных типов связи. Каждая связь состоит из двух перекрывающихся электронных орбиталей (по одной от каждого атома). Проще всего представить себе орбиталь, не вдаваясь в серьезную физику, — это представить ее как некую размытую зону, в которой, скорее всего, будет кружить быстро движущийся электрон. Когда две орбитали перекрываются, вы получаете удвоенное пространство, в котором могут вращаться два электрона.0007

Простая связь образована двумя круговыми орбиталями, перекрывающимися и окружающими оба атома:

Вторая связь формируется несколько иначе. Электроны, образующие эти связи, находятся не на сферической орбитали вокруг ядра, а на овальной орбитали, выступающей над и под ядром. Когда они перекрываются, образуются связи выше и ниже первой связи, как показано на диаграмме:

Так почему же углерод, а не кремний может справиться с этим трюком с двойной связью? Ответ кроется в размере. Углерод — самый маленький из всех атомов с четырьмя крайними электронами, а это означает, что электроны на верхней и нижней орбиталях достаточно близки, чтобы перекрываться и образовывать эту вторую связь. Однако для кремния на пути больше электронных орбиталей, весь атом больше, и для внешних орбиталей почти невозможно подобраться достаточно близко, чтобы образовать двойную связь. Вот почему двуокись углерода представляет собой небольшую газообразную молекулу, состоящую из двух атомов кислорода, образующих двойную связь с одним углеродом, в то время как двуокись кремния представляет собой огромную молекулу-бегемот, состоящую из огромного количества чередующихся атомов кислорода и кремния, и более известна как песок.

Если сильно постараться, то можно получить двойные кремний-кремниевые связи, но они довольно нестабильны и будут использовать любой шанс, чтобы разорвать эту двойную связь в пользу образования другой одинарной. С другой стороны, двойные связи углерод-углерод образуются естественным образом и легко и имеют решающее значение для каждого живого организма на Земле. Если бы существовали формы жизни на основе кремния, чисто химический состав их атомов означает, что они должны были бы быть построены по совершенно иным принципам, чем жизнь на Земле.

—

Ссылка на изображение 1

Ссылка на изображение 5

Высказанные мнения принадлежат авторам и не обязательно совпадают с мнением Scientific American.

ОБ АВТОРАХ

Биохимик, увлекающийся микробиологией, лаборатория
Крысе нравится исследовать, читать и писать о бактериях. Наконец-то ей удалось оторваться от университета, и теперь она работает в небольшой компании в Кембридже, где превращает данные в понятные слова и потрясающие графики. Подписаться Гулд в Твиттере

Прочитать это дальше

Вакцины

Новые «страшные» варианты Хэллоуина и повышение иммунитета: COVID, быстро, Эпизод 41

Стихийные бедствия

FEMA избегает прошлых ловушек, отправляя штормовую помощь Пуэрто-Рико 9007 Quantum Physics

4um 9000 Красота в основе «жуткой» тайны

Океаны

Редкий соляной бассейн Красного моря хранит секреты прошлых стихийных бедствий

Общественное здравоохранение

Болезни взрываются после экстремальных наводнений и других климатических катастроф

Изменение климата

Чтобы пережить более частые ураганы, Пуэрто-Рико необходимо переосмыслить меры по обеспечению готовности

Информационный бюллетень

Будьте умнее.

Подпишитесь на нашу новостную е-мэйл рассылку.

Зарегистрироваться

Подробнее

Автор S.E. Гулд, 4 ноября 2012 г.
6

С.Э. Гулд 25 ноября 2012 г.

Поддержка научной журналистики

Откройте для себя науку, которая изменит мир. Изучите наш цифровой архив с 1845 года, включая статьи более 150 лауреатов Нобелевской премии.

Подпишитесь прямо сейчас!

Билеты на углеродные формы жизни, даты туров и концерты 2023 и 2022 – Songkick

ноябрь
19

Познань, Польша
Тама

Будьте первыми, кто узнает, когда они совершат поездку недалеко от Хильдена, Германия

Присоединяйтесь к 26 877 поклонникам, получающим оповещения о концертах этого исполнителя

Ближайшие концерты (1)

ноябрь
19

Познань, Польша
Тама

Туры чаще всего с

Солнечные поля

Синхр24

Гауди

Отт

Айз Дана

Живые отзывы

Углеродные формы жизни
Я немного волновался по поводу этого концерта: мои ожидания были действительно очень высокими.
Знаешь : переезжая из Рима в Стокгольм просто слишком увидишь мою любимую группу за последние три года…
Ну они были просто СУПЕР !
Они смогли пробежать по тонкой веревке между банальным бытовым происшествием и слишком расслабленной атмосферой, где кто-то начинает зевать.
Для меня это очень непривычно, но они смогли заставить меня танцевать!!!
А вокруг меня были эстетические улыбки мирных людей, танцующих загипнотизированно.
Я был глубоко взволнован: наверное, самый удивительный, самый трогательный концерт в моей жизни. .. а я действительно видел много!
Читать далее
Сообщить о нарушении
от Андреа-Цуккони
Место было очень хорошим и началось вовремя, без очередей. Гардероб тоже не нужно ждать. Хорошее место. Хотелось бы, чтобы зал был немного больше, потому что казалось, что звук требует больше места. CBL были достаточно любезны, чтобы дать 3 выхода на бис! Очень понравилось!
Читать далее
Сообщить о нарушении
от tinytoast

Видео (2)

Фото (4)

Плакаты
(39)

Прошедшие концерты

Сентябрь
14
Леуварден, Нидерланды
Psy-Fi Festival
Сен
8
Бишопс Стортфорд, Великобритания
Фестиваль Антропос
Сентябрь
3

Нови-Сад, Сербия
Место неизвестно

Посмотреть все прошедшие концерты

Даты тура и билеты Carbon Based Lifeforms 2022-2023 рядом с вами

Хотите увидеть концерт Carbon Based Lifeforms? Найдите информацию обо всех предстоящих концертах Carbon Based Lifeforms, датах туров и информацию о билетах на 2022–2023 годы.