Жизнь на основе кремния: Возможна ли небелковая жизнь? Кремний, фосфор и метан как основа органики | Космос, Наука

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

Общие знания

04.08.2022

1 195 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

Жизнь на основе кремния — Живой Космос

Вся известная жизнь на Земле построена на углероде и соединениях на его основе. Но, может быть, в других мирах она имеет другую основу? Может ли она быт построена, например, на основе кремния? Который будет выступать в качестве основного строительного блока живого организма?

Первые предположения

Немецкий астроном Юлиус Шейнер стал пожалуй первым человеком, предположившим, что кремний может быть основой для жизни. Это произошло в 1891 году. Идея была подхвачена британским химиком Джеймсом Рейнольдсом. В 1893 г. в своем вступительном слове в Британской ассоциации развития науки он отметил, что термостабильность соединений кремния может позволить жизни существовать при очень высоких температурах.

Тридцать лет спустя Дж.Б.С. Холдейн предположил, что кремниевая жизнь может существовать в глубинах нашей планеты. Она могла возникнуть на основе частично расплавленных силикатов. А процесс окисления железа, возможно, обеспечивал ее энергией.

Кремниевая биохимия?

На первый взгляд кремний выглядит как многообещающая органическая альтернатива углероду. Он широко распространен во Вселенной. И является элементом p-блока группы IV. И расположен непосредственно под углеродом в периодической таблице элементов. Поэтому большая часть его химии похожа на углеродную. Например кремний, так же как и углерод, соединяется с четырьмя атомами водорода. При этом образуется бесцветный газ – силан. Силикаты являются аналогами карбонатов. Оба элемента образуют длинные цепи или полимеры, в которых они чередуются с кислородом. В простейшем случае углерод-кислородные цепи дают полиацеталь. Это пластик, используемый в синтетических волокнах. А из основной цепи чередующихся атомов кремния и кислорода образуются полимерные силиконы.

Возможно некоторые странные формы жизни могли бы быть построены из силиконоподобных веществ. Если бы не явный фатальный недостаток биологических свойств кремния. Это его реакция с кислородом. Когда углерод окисляется во время дыхательного процесса земного организма, он становится газообразным углекислым газом. Этот отход жизнедеятельности живое существо легко удаляет из своего организма. Окисление кремния же дает твердое вещество. Сразу после своего образования диоксид кремния организуется в решетку. В ней каждый атом кремния окружен четырьмя атомами кислорода. Утилизация подобного вещества создаст серьезную проблему для дыхания.

Любые жизненные формы должны уметь собирать, хранить и использовать энергию из окружающей среды. В биологии на основе углерода основными соединениями, аккумулирующими энергию, являются углеводы. В них атомы углерода связаны простыми связями в цепочки. Углеводы окисляются, чтобы высвободить энергию, используя для этого ферменты. Эти ферменты являются большими, сложными молекулами, которые катализируют специфические реакции.

Разная химия

Особенностью химии углерода является то, что многие из ее соединений могут принимать правую и левую формы. И именно это свойство, или хиральность, дает ферментам способность распознавать и регулировать огромное разнообразие процессов в организме. Кремний, в основном, не способен создавать подобные соединения. Поэтому трудно понять, может ли он служить основой для многих взаимосвязанных реакций, необходимых для поддержания жизни.

Отсутствие в космосе пребиотических химических веществ на основе кремния подтверждается астрономическими данными. Ученые, конечно, их находили. В метеоритах, кометах, в атмосферах планет-гигантов, а также в межзвездной среде и во внешних слоях холодных звезд есть соединения кремния. Но это, в основном, диоксид кремния и другие силикаты. Эти соединения слишком просты, чтобы считаться строительными блоками сложных органических молекул.

Тем не менее кремний мог сыграть свою роль в возникновении жизни на Земле. Интересно, но земные формы жизни используют исключительно правосторонние углеводы и левосторонние аминокислоты. Одна из теорий, объясняющих это факт, утверждает, что первые пребиотические углеродные соединения образовались в среде «первичного супа» на поверхности кремнезема, имеющего определенную жесткость. Эта стойкость соединения кремния определила предпочтительную направленность соединений углерода, которые сейчас встречаются в земной жизни.

И все же кремний не безнадежен. Ведь он широко используется в микропроцессорной технике. А она, быть может, когда-нибудь станет самостоятельной формой жизни. Существующей на основе кремния.

Кремниевая жизнь в научной фантастике

Несмотря на мрачный прогноз химиков, жизнь на основе кремния процветает в воображаемых мирах научной фантастики. В одном из своих самых ранних рассказов Стенли Вейнбаума – «Марсианская одиссея» описывается странное существо. Ему было полмиллиона лет, и оно каждые десять минут откладывало кирпич. Таким был ответ Вейнбаума на одну из главных проблем, стоящих перед кремниевой жизнью. Как рассказывал один из наблюдающих существо ученых:

«Эти кирпичи были его отходами … Мы – углеродная жизнь. Наши отходы – это углекислый газ. А здесь жизнь кремниевая. И ее отходы – кремнезем. Но кремнезем является твердым, следовательно получаются кирпичи…»

Подведя итог можно отметить, что кремний не сможет обеспечить биохимию, подобную существующей на Земле. Но в других мирах могут быть совершенно другие условия. Например: температура, давление, излучение от звезды. Поэтому кремний, в сочетании в другими элементами, вполне может стать основой жизни. Ведь жизнь не обязательно должна использовать кислород…

Заметили ошибку?

Это нужно срочно исправить! Выделите нужный текст и нажмите CTRL + ENTER на клавиатуре. Спасибо за помощь!

Может ли жизнь быть основана на кремнии? — Причины верить

«Его кожа была жирного гладкого серого цвета. Его движения были медленными, как и подобает существу, которое зарылось в камень и само было более чем наполовину камнем. Под этой кожей не было корчащихся мышц; вместо этого он двигался плитами, когда тонкие слои камня жирно скользили друг по другу. Он имел общую яйцевидную форму, закругленную сверху, уплощенную снизу, с двумя наборами придатков. Внизу были «ножки», поставленные радиально. Всего их было шесть, и они заканчивались острыми кремнистыми краями, укрепленными металлическими отложениями».

– Исаак Азимов, «Говорящий камень»

«Кремний» — существо, сделанное из кремния, — занимает видное место в «Говорящем камне», научно-фантастическом рассказе, написанном Айзеком Азимовым. Эта история была впервые опубликована в 1955 году в Журнале Науки и Ужасов . Позже он появился в сборнике рассказов о научно-фантастических загадках 1968 года под названием « Загадки Азимова ».

По некоторым сведениям, эта история послужила источником вдохновения для Эпизод Star Trek под названием «Дьявол во тьме», написанный Джином Л. Куном. В этом классическом эпизоде, впервые вышедшем в эфир в марте 1967 года, рассказывается о столкновении экипажа корабля Enterprise и созданной на основе кремния формы жизни под названием Орта.

Благодаря этим известным произведениям научной фантастики многие неспециалисты придерживаются мнения, что в нашей Вселенной может существовать жизнь, не похожая на ту, которую мы знаем здесь, на Земле, — например, жизнь, основанная на кремнии, а не на углероде.

Первое научное предположение о жизни на основе кремния восходит к 1891 году и идеям немецкого астрофизика Юлиуса Шайнера. С тех пор ученые спорят о перспективах жизни на основе кремния, причем одни принимают ее правдоподобность, а другие отвергают. Но, как недавно указала группа астробиологов из Массачусетского технологического института, до настоящего времени никто не проводил систематической и всесторонней оценки способности кремния поддерживать жизнь как в земной среде, так и в возможных внеземных условиях. Они решают эту проблему в обзорной статье 2020 года, опубликованной в журнале 9.0010 Life  , в котором представлена ​​подробная оценка возможностей кремния для жизнеобеспечения. 1  

Эта работа имеет очевидные последствия для астробиологии и моделей происхождения жизни. Но последствия выходят за рамки науки. Исследование также освещает устройство Вселенной, нашей Солнечной системы и биохимических систем, составляющих жизнь.

Требования к жизни 
Прежде чем можно будет оценить полезность кремния в качестве химической основы для жизни, необходимо определить общие химические требования для жизни. Команда из Массачусетского технологического института отмечает, что любой поддерживающий жизнь химический элемент должен обладать достаточным химическим разнообразием. Это химическое разнообразие необходимо для создания химической сложности, необходимой для создания разнообразного набора молекулярных структур и химических операций, необходимых для возникновения и поддержания живых систем.

У этого разнообразия есть две стороны: способность атома образовывать молекулы различной формы и способность атома образовывать соединения с широким спектром функционального разнообразия. Обе особенности иллюстрируются углеродсодержащими (органическими) соединениями.

  • Атомы углерода образуют четыре ковалентные связи. Эта связывающая способность может быть выражена как (1) четыре одинарные связи, (2) двойная связь и две одинарные связи или (3) тройная связь и одинарная связь. Каждая из этих конфигураций соединения создает различную геометрию: тетраэдрическую, тригональную, плоскую и линейную соответственно. В определенных условиях атомы углерода могут также образовывать особый тип связи, называемый ароматической связью.
  • Связи между атомами углерода и атомами углерода и водорода очень стабильны. Как следствие, углерод может образовывать соединения с длинными углерод-углеродными цепями. Эти цепи могут быть линейными или разветвленными. Углерод также может образовывать соединения с углерод-углеродными связями, образующими кольца. Эти соединения могут состоять из одиночных колец и сплавленных колец.

В совокупности эти свойства делают углерод (и водород) идеальным атомом для использования в качестве молекулярного каркаса, который может привести к широкому диапазону молекулярных форм и размеров.

  • Углерод также может образовывать прочные связи с такими атомами, как кислород, азот, сера и фосфор. Эти так называемые гетероатомы могут связываться с атомами углерода различными способами, образуя широкий спектр групп, которые придают разнообразные функции углеродсодержащим соединениям.
  • Углерод образует соединения, одновременно растворимые в воде и нерастворимые в воде. Эти два профиля растворимости необходимы для поддержания живых систем. Водорастворимые соединения растворяются в воде и легко доступны для участия в химических реакциях, необходимых для поддержания живых систем. Нерастворимые в воде соединения могут агрегировать в водной среде, образуя молекулярные комплексы, формирующие основу клеточных структур. Нерастворимость некоторых соединений углерода в воде также приводит к явлению, известному как гидрофобный эффект, который приводит к образованию клеточных мембран, стимулирует образование двойной спирали ДНК и заставляет белки сворачиваться и взаимодействовать с другими белками с образованием белковых комплексов. и надмолекулярные структуры.

Это обсуждение разнообразных свойств углерода приводит к вопросу: существуют ли другие атомы, демонстрирующие химическое разнообразие наравне с углеродом, которые могли бы служить молекулярной основой жизни?

Химия кремния
Судя по его положению в таблице Менделеева, на первый взгляд ожидается, что у кремния больше шансов, чем у любого другого химического элемента, соперничать с углеродом в качестве системы жизнеобеспечения. Кремний имеет схожий химический состав с углеродом. Он имеет валентность четыре и образует связи Si-Si и Si-H. Он также образует связи с гетероатомами, такими как кислород.

Но не заблуждайтесь, химия кремния только внешне напоминает химию углерода. Во многих отношениях кремний демонстрирует принципиально отличный химический состав от углерода. Это различие, как я объясню, подрывает способность кремния поддерживать жизнь, по крайней мере, в водной среде.

Как утверждают авторы статьи Life , «кремний и углерод — «ложные близнецы». Их сходство поверхностно и недостаточно, чтобы смягчить их принципиальные различия. Химия, стабильная и нормальная для углерода, нестабильна и экзотична для кремния, и точно так же химия, нестабильная и невозможная для углерода, стабильна и рутинна для кремния. Особые химические характеристики и реакционная способность кремния делают его сложным выбором для жизни». 2

Некоторые из причин различий в способности жизнеобеспечения между углеродом и кремнием:

  • Кремний имеет гораздо больший атомный радиус, чем углерод. Эта разница влияет на углы связи, длину связи и силу связи, когда кремний образует ковалентные соединения. Например, связи Si-Si намного длиннее и слабее, чем связи C-C, опять же из-за разницы в атомных радиусах этих двух атомов. То же самое относится и к связям Si-H. Более слабые связи делают связи Si-Si и Si-H гораздо более химически реактивными, чем соответствующие связи CC и CH.
  • В отличие от углерода кремний обычно не образует двойных и тройных связей, что ограничивает его химическое разнообразие.
  • В отличие от углерода электронная конфигурация атома кремния дает незаполненные 3d-орбитали с низкой энергией. Эти незаполненные орбитали позволяют валентности кремния выходить за пределы четырех, что приводит к соединениям, в которых кремний образует пять или шесть связей. Хотя эта особенность расширяет химическое разнообразие кремнийсодержащих соединений, она также делает атом Si очень химически реактивным, что приводит к относительно нестабильной связи Si-Si по сравнению со связью CC.
  • Термодинамические свойства также различают соединения на основе углерода и кремния. Соединения на основе кремния имеют гораздо более высокую теплоту образования, чем органические соединения. Это свойство значительно затрудняет образование соединений на основе кремния, чем соединений на основе углерода. Это также делает соединения на основе кремния менее стабильными и гораздо более химически реактивными.
  • Кремний более электроположителен, чем углерод. Это свойство влияет на стабильность химических связей, которые кремний образует с гетероатомами. Поскольку атомы кремния не так прочно удерживают электроны, как атомы углерода, связи кремния с гетероатомами более поляризованы, менее стабильны и более реакционноспособны, чем соответствующие связи углерода с гетероатомами.
  • Кремний агрессивно реагирует с кислородом. Фактически, естественная склонность кремния состоит в том, чтобы образовывать связи Si-O в присутствии кислорода или кислородсодержащих соединений. Напротив, склонность углерода состоит в том, чтобы образовывать связи С-С. Это различие означает, что в присутствии кислорода соединения на основе кремния будут иметь тенденцию реагировать с кислородом, образуя диоксид кремния.

Эффект растворителя
До этого момента анализ пригодности кремния в качестве элемента жизнеобеспечения предполагал воду в качестве матрицы жизни. Это не зря. Было бы трудно доказать, что любой другой растворитель мог бы заменить воду в этой жизненно важной роли. Учитывая это предостережение, мы все же можем спросить: а как насчет других возможных растворителей? Исследователи Массачусетского технологического института исследовали эту возможность и для кремния.

Они пришли к выводу, что те же химические проблемы, с которыми сталкивается жизнь на основе «кремния» в водной среде, могут существовать и для таких растворителей, как аммиак. Они также пришли к выводу, что апротонные (неспособные действовать в качестве донора протонов) растворители, такие как метан и этан, не подходят для жизни на основе углерода и гипотетической жизни на основе кремния из-за низкой растворимости как на основе углерода, так и на основе кремния. материалы на основе.

Как заключают авторы статьи Life , «жизнь на основе кремния, использующая Si исключительно в качестве каркаса, часто изображается в научной фантастике. . . . Однако жизнь на основе кремния, в которой Si используется исключительно в качестве каркаса, почти наверняка невозможна». 3

Научные и теологические выводы
Понимание исследователями Массачусетского технологического института способности кремния поддерживать жизнь имеет широкий спектр научных и теологических последствий, которые переплетаются между собой.

Признание того, что: (1) кремний не может формировать каркас жизни и (2) апротонные растворители, такие как метан и этан, не обладают достаточной растворимостью, чтобы служить подходящей матрицей для живых систем, наносит удар по представлениям о том, что жизнь могла бы возникла и в настоящее время существует в «экстремальных» и «экзотических» местах, будь то на Земле или в других местах за пределами Земли. Другими словами, если ученые Массачусетского технологического института 9Если к открытиям относятся серьезно, то попытки ответить на вопрос о происхождении жизни и исследования в области астробиологии должны быть ограничены углеродной жизнью, существующей в водной среде.

Это открытие также помогает ответить на распространенное возражение, возникающее, когда сторонники замысла представляют теистические последствия космологического антропного принципа и гипотезы редкой Земли.

Космологический антропный принцип относится к открытию того, что числовые значения, связанные с фундаментальными константами физики (количествами, определяющими вселенную), должны принимать точные, точные значения для существования жизни во вселенной. Если какая-либо из этих числовых величин хоть немного (в некоторых случаях незаметно) отклонится от своих нынешних значений, Вселенная окажется непригодной для жизни.

Гипотеза о редкой Земле относится к большому количеству правильных особенностей Земли, Солнца, Солнечной системы, Галактики Млечный Путь и т. д., которые кажутся необходимыми для существования жизни на Земле. Если бы какая-либо из этих характеристик отличалась, Земля стала бы негостеприимной для жизни. Вероятность того, что во Вселенной существует такая планета, как Земля, чрезвычайно мала. На самом деле, по всем правилам, такая планета, как Земля, должна быть редкостью, если вообще не существовать, в нашей Вселенной.

Одна из интерпретаций космологического антропного принципа и гипотезы о редкой Земле состоит в том, что Вселенная и Земля были специально созданы для жизни. Иными словами, вселенная демонстрирует пригодность для цели, и эта цель, по-видимому, связана с появлением жизни.

Один из ответов скептиков на это утверждение звучит примерно так: «Этот вывод предполагает жизнь, какой мы ее знаем. Как насчет жизни, которую мы не знаем?»

Действительно, точная настройка физических констант и идеальные условия обитаемой зоны Земли предполагают жизнь на основе углерода, обитающую в водной матрице. Разумно предположить, что если жизнь существует «такой, какой мы ее не знаем», возможно, набор физических констант, определяющих вселенную, не должен быть столь точным. Или могут существовать альтернативные наборы физических констант, которые будут поддерживать «жизнь такой, какой мы ее не знаем». Также возможно, что другой набор подходящих условий на Земле или другом астрономическом теле может поддерживать альтернативные формы жизни.

Тем не менее, как мы продемонстрировали, лучший шанс для «жизни, какой мы ее не знаем» — это жизнь на основе кремния. И, согласно анализу, проведенному исследователями Массачусетского технологического института, жизнь не может быть основана на кремнии. Он должен быть построен вокруг углерода и находиться в водной среде. Это признание подкрепляет теистические последствия антропного принципа и гипотезы редкой Земли.

Это понимание также подчеркивает ряд антропных совпадений, связанных с углеродом. Свойства этого элемента предписываются строгими физическими константами Вселенной. А свойства углерода именно те, которые необходимы для существования жизни во Вселенной. Свойства углерода также уникальны. Этот набор обстоятельств выглядит немного жутковато и предполагает лежащую в основе телеологию Вселенной, которая указывает на ее цель, а именно на появление жизни.

Вдвойне жутко осознавать, что помимо водорода и гелия углерод является одним из самых распространенных элементов во Вселенной (наряду с кислородом, азотом, серой и фосфором). И тройной альфа-процесс, который производит углерод в ядерной печи звезд, требует точной настройки резонанса между уровнями ядерной энергии бериллия, углерода и кислорода наряду с точной настройкой других физических констант, таких как скорость распада ядра бериллия, когда он образуется в результате столкновения двух ядер гелия.

Короче говоря, мифы о перспективах жизни на основе кремния, которые пронизывают нашу культуру, при внимательном рассмотрении приводят нас к удивительной реальности: Разум должен нести ответственность за устройство Вселенной. У этого Разума есть цель для вселенной — появление жизни.

Ресурсы

  • Соответствие цели: включает ли антропный принцип биохимию? Фазале Рана (книга)
  • «Точная настройка скорости и срока службы гиперновой на основе кремния», на Звезды, клетки и Бог  (подкаст) 
  • «Странные новые миры: жизнь на основе кремния, мышьяка?» Фазале Рана (статья)
  • «Странная жизнь: может ли жизнь быть основана на кремнии?» Джон Миллам и Кен Клос (статья). 6 (10 июня 2020 г.), 84, doi:10.3390/life10060084.
  • Петковски, Бейнс и Сигер, «О потенциале кремния».
  • Петковски, Бейнс и Сигер.

    • Ищете инопланетную жизнь на основе кремния? Не задерживайте дыхание.

    Здесь, на Земле, кремний состоит из камней, стекла и компьютерных чипов. Он проявляется и в жизни — в растениях и панцирях диатомовых водорослей, в виде следов в наших телах. Но жизнь, какой мы ее знаем, не так уж часто использует этот элемент.

    Вместо этого ключевым компонентом жизни на Земле является углерод. Наши клетки собраны из головокружительного множества молекул, состоящих из углеродных остовов, прикрепленных к нескольким другим элементам.

    Но кремний, кажется, тоже должен быть хорошим кандидатом. «Если вы — форма жизни и хотите где-то существовать, вам нужно брать обычные и легкодоступные строительные блоки. Это, конечно, углерод, и в какой-то степени это тоже кремний», — говорит Дирк Шульце-Макух, астробиолог из Берлинского технического университета.

    Научная фантастика любит рассуждать об инопланетянах, которые используют кремний вместо скучного старого углерода. Теперь ученым впервые удалось уговорить живые клетки связать два элемента вместе. В сочетании с соединениями на основе кремния белок, обычно присутствующий в бактериях исландских горячих источников, может образовывать молекулы с углерод-кремниевыми связями в живых клетках, сообщили исследователи 25 ноября в 9.0010 Наука.

    «Что-то, что существует в природе, уже готово делать эту совершенно новую химию, и делает это относительно хорошо», — говорит соавтор Фрэнсис Арнольд, инженер-химик из Калифорнийского технологического института в Пасадене. «Это открывает путь к созданию соединений, которые природа никогда раньше не производила. Затем вы можете изучить, какие затраты и выгоды они приносят живым системам».

    Жизнь на основе кремния не могла проникнуть на нашу планету. Но ученые могут представить места во Вселенной, для которых он мог бы лучше подойти, и исследовать, что произойдет, когда мы начнем вводить кремний в биохимию Земли.

    Где правит углерод

    Углерод и кремний имеют некоторые химические сходства. «В периодической таблице он находится чуть ниже углерода, поэтому обладает некоторыми из тех же свойств, что и углерод», — говорит Шульце-Макух. Подобно углероду, кремний может связываться с четырьмя атомами одновременно, что делает его привлекательным строительным блоком для больших сложных молекул, таких как ДНК и белки.

    И силикона хватает; он составляет почти 30 процентов земной коры, что делает его вторым по распространенности элементом после кислорода.

    Так почему же на Земле не существует жизни на основе кремния?

    По сути, на Земле есть как раз подходящие условия для процветания жизни с преобладанием углерода, в то время как жизни на основе кремния будет трудно закрепиться.

    Чистый углерод может существовать на Земле в виде графита или алмазов. «Он стабилен, он не сразу вступает в реакцию с кислородом», — говорит Шульце-Макух. Когда углеродсодержащие соединения сгорают и реагируют с кислородом, образуется углекислый газ, который может использоваться жизнью.

    Кремний, напротив, сам по себе не встречается. Когда кремний встречается с кислородом — плавает ли он в воздухе или в воде — он захватывает этот кислород и образует силикаты. Это соединения, которые содержат кремний и кислород и образуют большинство горных пород и минералов на Земле. «Как только у вас есть кислород или вода… у вас есть камень, и больше ничего не происходит», — говорит Шульце-Макух.

    И хотя вода жизненно необходима для жизни на Земле, жизнь на основе кремния не сможет использовать ее таким же образом. Его биохимия должна была полагаться на другую молекулу (возможно, метан) для многих своих функций.

    «Кремний повсюду, но он связан в горных породах… с очень прочными кремний-кислородными связями, которые живые системы должны разорвать, чтобы использовать кремний», — говорит Арнольд. «И затем, когда они использовали кремний, возможно, эти соединения даже не стабильны в земных условиях».

    Итак, несмотря на сходство, кремний и углерод ведут себя по-разному. «Это ни в коем случае не идентичная замена», — говорит Арнольд. «Жизнь в нормальных условиях на этой планете, вероятно, не будет работать с кремнием».

    Но может ли кремниевая жизнь процветать где-то еще?

    Силиконовый домен

    Температура поверхности Титана, крупнейшего спутника Сатурна, составляет 290 градусов по Фаренгейту. На Луне мало кислорода — любая вода замерзает, — но жидкий метан течет в странных реках и озерах. Соединения на основе кремния (называемые силанами), которые потенциально могут создавать чужеродные клетки, должны быть стабильными в этих условиях.

    Итак, на первый взгляд, Титан кажется привлекательной недвижимостью для кремниевых инопланетян. «Но проблема с Титаном в том, что там так много углерода, даже больше, чем на Земле», — говорит Шульце-Макух. «Наши модели пока показывают, что кремния не так много».

    Кремний, который существует на Титане, погребен глубоко вблизи лунного ядра. «Чтобы иметь больше жизни на основе кремния, она должна быть на поверхности [и] доступна», — говорит Шульце-Макух. «Но вы можете представить себе определенные планеты или луны или сценарии, в которых это может иметь место».

    Учёные также предполагают существование жизни, построенной из каменистых силикатов, которые могут обитать в экстремально высоких температурах магматических камер, говорит он.

    Другим вариантом могут быть инопланетяне, зависимые от кремния, которые не просто заменяют углерод кремнием. Эти инопланетяне вместо этого будут использовать молекулы, которые объединяют их. Материалы со связями углерод-кремний уже были обнаружены в космосе, «но они очень редки, углеродных соединений гораздо больше», — говорит Шульце-Макух. «Жизнь, вероятно, все еще будет трудной.

    Жизнь, зависящая от кремния (больше, чем земляне), может существовать, но вряд ли это будет обычным явлением. «Я думаю, что это было бы очень редко, но я могу представить, что оно где-то существовало», — говорит Шульце-Макух.

    Земные перспективы

    Новая работа Арнольд и ее коллег может пролить свет на то, почему земная жизнь эволюционировала, используя так мало кремния.

    Когда они впервые использовали сконструированные бактерии Escherichia coli для производства белка, способного образовывать связи углерод-кремний, процесс был не очень эффективным. Но после нескольких мутаций ферменты взбивали молекулы органического кремния в 15 раз эффективнее, чем химические средства, используемые в лаборатории. Они произвели двадцать соединений, все они стабильны.

    Таким образом, ферменты не нуждались в таком сильном поощрении, чтобы образовать связи углерод-кремний. Тем не менее, это, вероятно, не происходит в природе. «Вы можете возразить, черт возьми, биологической системе так легко это сделать, откуда вы знаете, что это не делается снаружи?» — говорит Арнольд. «Мы точно не знаем, но это крайне маловероятно». Соединения, содержащие кремний, которые она и ее команда дали бактериям, чтобы они могли производить эти новые продукты, были созданы человеком; бактерии обычно не сталкиваются с ними в окружающей среде.

    Но эти созданные в лаборатории углерод-кремниевые соединения далеко не легкомысленны. Мы могли бы использовать аналогичные методы, чтобы заставить бактерии производить продукты, которые нам нужны.

    Хотя не известно ни одной формы жизни, способной естественным образом образовывать связи углерод-кремний, мы постоянно находим способы создания этих соединений. Молекулы, связывающие углерод и кремний, встречаются во многих продуктах, от фармацевтики до электроники. Они должны быть сделаны в лаборатории, но Арнольд надеется, что использование микробов для создания этих соединений будет дешевле и более экологически чистым, не будет использовать драгоценные металлы и может происходить при комнатной температуре.

    «Фермент может делать то, что, по мнению химиков, могут делать только они», — говорит Арнольд. И в дополнение к тому, что мы получим лучший способ изготовления вещей, которые мы уже используем, мы могли бы открыть новые материалы.

    «Химическая связь может появиться в тысячах и тысячах различных молекул, некоторые из которых могут оказаться полезными», — говорит Арнольд. «Все они представляют собой совершенно новые химические вещества, которые теперь легко доступны, просто попросив бактерии сделать их».

    Химики могут исследовать, что происходит, когда кремний вводят в живые клетки. «Предположительно, мы могли бы создать компоненты жизни, включающие кремний — может быть, силиконовый жир или кремнийсодержащие белки — и спросить, что с этим делает жизнь?» — говорит Арнольд. «Является ли клетка слепой к тому, есть ли там углерод или кремний? Клетка просто выплевывает это? Съедает ли его клетка? … Предоставляет ли он новые функции, которых раньше не было в жизни?»

    Если кажется, что внедрение кремния помогает или, по крайней мере, не вредит жизни, это может означать, что при наличии доступа к нужным материалам земные организмы могут использовать кремний немного больше.

    Ученые могут даже выяснить, могут ли они побудить микробы присоединять углерод к другим элементам, которые жизнь обычно отвергает. «Существует целая таблица Менделеева, практически нетронутая природой, — говорит Арнольд.