Почему из 118 доступных элементов для создания жизни на Земле природа выбрала только шесть?
В фантастических книгах и фильмах человек то и дело встречается с инопланетянами. Иногда опасными, иногда дружелюбными, похожими на людей, на птиц, даже на растения – в общем, с самыми разными. Однако фантастика фантастикой, а какими они могут быть на самом деле, эти самые инопланетные формы жизни? На что они похожи, как они выглядят, каков их образ существования? Они действительно могут быть опасны для людей? Охотиться на нас ради еды? Или, наоборот?
Всеми этими вопросами занимается довольно редкая и необычная наука – альтернативная биохимия, или экзобиохимия.
Химия, как известно, изучает просто разные вещества, биохимия (биология+химия) – те вещества, которые встречаются внутри живых организмов, а экзобиохимия (от греческого «экзо» – «снаружи, вне») – те вещества и процессы, которые могут встретиться в составе живых организмов вне Земли, то есть инопланетных форм жизни.
Вы наверняка знаете, что все на свете вещи – как живые, так и неживые – состоят из молекул, а молекулы – из атомов. Атомы – как будто маленькие «кирпичики» из конструктора «лего». Как из кирпичиков «лего» можно собрать хочешь мотоцикл, хочешь дерево, а хочешь единорога, также и атомы, соединяясь между собой в разных комбинациях, превращаются в самые разные вещи, от простой воды до пятиклассника Ёжикова. Сейчас таких кирпичиков-атомов нам известно 118 штук, все они перечислены в таблице Менделеева из школьного учебника химии. И вот тут перед нами встаёт первая загадка. УВКАФС!
Изучая вещества, содержащиеся внутри живых организмов, учёные ещё в XX веке пришли к выводу, что всё живое на нашей Земле состоит в основном из атомов шести элементов. Это углерод (обозначается латинской буквой C), водород (H), кислород (O), азот (N), фосфор (P) и сера (S). Из них состоят абсолютно все живые клетки абсолютно всех живых организмов, от крошечной бактерии до огромного синего кита. Биологи даже придумали такое слово – УВКАФС (CHONPS), по первым буквам этих элементов. Абсолютно все белки, углеводы, витамины, вода, кровь животных, соки растений, грибы, цветы, плоды, перья птиц, древесная кора – всё это прежде всего шесть основных «атомов жизни», УВКАФС.
Не подумайте, кстати, что живые клетки состоят ТОЛЬКО из этих элементов. Нет, в них встречаются и другие химические элементы, иногда очень важные. Например, для человека очень нужен кальций, который делает крепкими наши кости и зубы. Или железо, которое входит в состав наших красных кровяных клеток. А, скажем, такие морские животные, как голотурии и асцидии, содержат необычно много редкого металла ванадия – учёные до сих пор до конца не поняли, для чего он этим организмам нужен, но для чего-то нужен, не сомневайтесь. Однако если мы возьмём все-все живые организмы, живущие на Земле, то увидим в их составе прежде всего:
= Углерод (его содержат углеводы, жиры, нуклеиновые кислоты и белки)
= Водород (углеводы, жиры, нуклеиновые кислоты и белки)
= Кислород (углеводы, жиры, нуклеиновые кислоты и белки)
= Азот (нуклеиновые кислоты, белки)
= Фосфор (жиры, нуклеиновые кислоты)
Но... почему? Почему из 118 доступных «кирпичиков» для создания жизни на Земле природа выбрала только эти шесть? Будто пятикласснику Ёжикову подарили самый навороченный в мире «лего», а он из всего разнообразия деталек выбрал только жёлтые, розовые и белые. А остальные так и оставил валяться в коробке. Странно, правда?
«Ну, наверное,» – скажете вы – «природа использовала для создания жизни самые распространённые атомы, встречающиеся во Вселенной, то есть то, что, образно говоря, первым попало под руку». Интересная гипотеза, то есть предположение. Проверим. Самый распространённый в нашей Вселенной химический элемент – это водород. Ура! Попали! А на втором месте? Хм... Гелий... Не попали. Но у нас есть оправдание – гелий представляет собой инертный, то есть «ленивый», газ, который крайне неохотно и редко вступает в химические реакции. А для того, чтобы создать живой организм с его интенсивным обменом веществ, такой газ не годится. Что у нас дальше? Азот. Есть! Углерод. Есть! Кислород. Есть! А дальше? Снова «хм». Неон, натрий, магний, алюминий, кремний... Сера – только на 11 месте по распространённости. А фосфор... Он не попал даже в «первую двадцатку». Но для жизни на Земле фосфор исключительно важен – он входит в состав молекул ДНК и РНК, хранящих «наследственный код», позволяющих организмам воспроизводить самих себя. А ещё в состав молекул АТФ и АДФ, которые отвечают за передачу энергии внутри живой клетки. Без них жизнь стала бы невозможной!
Таким образом, наша гипотеза о том, что для создания жизни природа выбирала «то, что под рукой», «самое распространённое», проверки не выдерживает. И, сказать по правде, точного ответа на эту самую «загадку УВКАФС» учёные пока не смогли отыскать. Возможно, когда-нибудь и найдут. А может быть, и нет тут никакой загадки – просто чистая случайность, совпадение. Так тоже бывает.
Идём дальше. Из нашей «великолепной шестёрки» наиболее важными для жизни элементами будут углерод, водород и кислород. Почему? Начнём с углерода. Углерод – это вообще важнейший элемент, недаром наука химия ещё со школы подразделяется на органическую химию (изучающую только соединения углерода!) и неорганическую (изучающую все остальные соединения). Атомы углерода благодаря своим особым свойствам (прежде всего четырёхвалентности) могут образовывать длинные «цепочки», «кольца» и даже «сетки» с многочисленными «крючочками» по бокам. Эти «крючочки» позволяют присоединять другие атомы. Таким образом получаются очень большие и сложные молекулы (макромолекулы), такие как белки и нуклеиновые кислоты. Или, скажем, фосфолипиды, из которых «построены» мембраны, то есть прочные стенки живых клеток. Без таких молекул содержимое живой клетки просто «выльется» в окружающую среду, и ни о какой жизни даже говорить не придётся. В общем, без углерода – никак. Это, если хотите, химический «скелет» жизни. Земной жизни.
Однако углерод – это не единственный элемент с валентностью 4. Есть и другие – например, германий (Ge), свинец (Pb), олово (Sn)... Но особенно любопытен кремний (Si)! Кремний встречается очень широко, это 10-й по распространённости элемент во Вселенной. Ещё в 1894 году немецкий астрофизик Юлиус Шайнер обратил внимание на то, что кремний во многих отношениях похож на углерод, и может рассматриваться в качестве основы для альтернативной, «неземной» жизни!
Чаще всего мы представляем себе инопланетную жизнь как непохожую на нашу, но всё-таки похожую (как разные инопланетные расы в «Звёздных войнах» или «Вавилоне 5»). Но дело в том, что чужая жизнь может быть похожа на нашу только в том случае, если условия на чужой планете будут похожи на наши! Если там есть воздух (из кислорода и азота) и жидкая вода, если там нормальные (по нашим понятиям) температура и сила тяжести. Но разве это обязательно? Астрономы считают, что из всего обилия планет (а их только в нашей Галактике предположительно 2 триллиона) похожи на Землю не более 1 процента. А остальные – совершенно другие! Скажем, на Венере температура +500 градусов, озёра из базальтовой лавы и расплавленного свинца, а с неба капает дождь из концентрированной серной кислоты. А на Титане (спутнике Сатурна) температура -180 градусов, скалы из водно-аммиачного льда и с неба капает дождь из жидкого метана (который мы называем «природный газ» и на котором разогреваем суп). А есть и такой тип планет, как углеродные – на которых скалы и камни из алмазов, грязь из мазута и дёгтя, а дождь – самый натуральный бензин (не показывайте такие планеты владельцам нефтяных и прочих добывающих компаний, они умрут от зависти). Может ли выжить человек или иная другая земная жизнь в таких условиях? Сами понимаете, что нет.
А теперь вернёмся к кремнию. Атом углерода, присоединяя 4 атома водорода, образует метан. Точно так же атом кремния, присоединяя 4 атома водорода, образует силан. Силикаты (соли кремния) являются аналогом карбонатов (солей углерода). Наконец, как и углерод, кремний может образовывать длинные цепочки – полимеры. Скажем, углеродно-кислородные цепочки образуют одну из пластмасс – полиформальдегид. Точно также кремниево-кислородные цепочки образуют хорошо известный нам всем силикон... В общем, тут есть о чём пофантазировать! Наши с вами органические молекулы на основе углерода не переносят высоких температур – при температуре «всего лишь» +70 градусов человек уже может получить ожог металлическим предметом. А температура +250 градусов для нас смертельна. А вот соединения кремния к высоким температурам очень устойчивы! Английский фантаст Герберт Уэллс (автор «Войны миров») писал об этом так:
Можно только поразиться предполагаемой картине: кремниево-алюминиевый организм – почему, в конце концов, не кремниево-алюминиевый разумный человек? – живущий в атмосфере из газообразной серы на берегу моря из жидкого железа при температуре доменной печи (+2000 градусов)?
Конечно, тут есть и сложности, и серьёзные возражения. Например, если диоксид углерода – это газ (тот самый углекислый газ из бутылки с минеральной водой), то диоксид кремния – это твёрдое вещество, кварц, то есть обыкновенный песок! Во всяком случае на поверхности Земли. Мы с вами, когда дышим, вдыхаем кислород, а выдыхаем углекислый газ. А если бы мы вдруг – бац! – и перестроились с углерода на кремний? Тогда выдыхать мы начали бы... песок. Он просто забил бы наши лёгкие за считанные минуты, мы бы погибли. Так что органы дыхания у кислородно-кремниевой формы жизни (если таковая существует) должны быть устроены «совершенно не так».
Возражение второе, экологическое. Если есть организм, который дышит кислородом, а выделяет диоксид кремния, то должен быть и другой организм – который поглощает диоксид кремния, а выделяет кислород (ну, как наши зелёные растения, которые поглощают углекислый газ, а выделяют кислород при фотосинтезе). Иначе такая «жизнь» долго не просуществует. Кстати, вот вам творческое задание: а придумайте, что было бы, если бы такие вот «пожиратели песка» оказались вдруг на нашей планете? Которые не едят людей (у нас совершенно другая биохимия), зато с удовольствием полакомятся девятиэтажным панельным домом или силикатными кирпичами? А выделяют кислород, очень много кислорода... Вроде как кислород – это хорошо, да? Хорошо, но не всем – если кислорода в воздухе слишком много, человек пьянеет, затем слепнет и в конце концов может даже погибнуть. А инопланетные пришельцы, не имеющие естественных врагов на Земле, съедят все песчаные пляжи и городские небоскрёбы, а заодно отравят кислородом всю атмосферу...
Однако мы увлеклись. Расчёты учёных показывают, что кремниевая жизнь в наших, земных условиях, очень маловероятна. Однако на других планетах и при других температурах, в особенности если в атмосфере нет кислорода – такие варианты вполне возможны. Причём формы «силиконовой жизни» могут оказаться невероятно причудливыми, совершенно непохожими на наше представление о «живом вообще». Они могут выглядеть как бесформенные камни. Или как сложные сростки кристаллов. Скорость обмена веществ у таких организмов намного меньше нашей – поэтому они медленнее двигаются (если двигаются вообще), очень долго живут, а если умеют «общаться» между собой, то одно только «доброе утро» могут «говорить» две недели, почти как деревья-энты в книге «Властелин колец», только ещё хуже.
А какие ещё могут быть варианты инопланетян? Забудем про углерод, поговорим чуть подробнее о кислороде и водороде. По отдельности эти два элемента тоже важны, но в сотни раз важнее, когда соединяются вместе, образуя воду. Вода – основа жизни, наверняка вы это слышали не раз и не два. Вода – замечательный растворитель, который формирует жидкую среду внутри каждой живой клетки. Благодаря такой среде вещества могут свободно перемещаться – скажем, молекула Т-РНК может, как крохотный грузовичок, «тянуть на верёвочке» молекулу аминокислоты, необходимую для синтеза белка... Заморозьте воду, превратите её в лёд – и вся деятельность внутри клетки остановится! Жизнь закончится.
Однако вода в жидком состоянии может существовать (при нормальном давлении) только в очень небольшом диапазоне температур – от 0 до +100 градусов. А сколько во Вселенной планет, на поверхности которых температура совсем не такая? Сотни миллиардов. Вспомните ту же самую Венеру (+500º), Титан (-180º) или Плутон (-230º). Могут ли там существовать организмы нашего, земного типа? Нет. А какие тогда могут? Есть ли варианты у экзобиохимиков?
Да, есть. Например, аммиак – в молекуле которого один атом азота соединён с тремя атомами водорода. На возможность использования аммиака в качестве «заменителя воды» в живых организмах на других планетах впервые обратил внимание английский биолог Джон Холдейн в 1954 году. На Земле аммиак – это газ (не путайте аммиак и водный раствор аммиака, известный всем нашатырный спирт), температура кипения аммиака -33 градуса. Но на далёких планетах аммиак вполне может быть жидкостью! Жидкий аммиак – отличный растворитель, как и вода. Аммиак образует множество соединений, похожих на водные соединения. Скажем, если из воды можно получить метанол (древесный спирт, формула CH3OH), то из аммиака аналогичным образом можно получить метиламин (формула CH3NH2). Рассуждая таким образом, Холдейн пришёл к выводу, что вполне возможны «аммиачные» аналоги белков и нуклеиновых кислот!
Каким был бы «аммиачный инопланетянин»? Прежде всего, он жил бы при немыслимо холодных для нас температурах. Скажем, он мог бы дышать азотом (а не кислородом) и пить аммиак (а не воду). Мог бы такой инопланетянин прилететь к нам на Землю? Завоевать нас? Ну, или подружиться? Очень вряд ли. В фантастических фильмах часто показывают, как земные учёные в белых халатах в лаборатории внимательно осматривают найденное на упавшем НЛО тело пришельца... С «аммиачным» организмом так вряд ли получилось бы. С точки зрения «аммиачного инопланетянина» Земля – это сущий ад с чудовищно большой температурой и океанами, полными ядовитой кислоты – обыкновенная вода для такого инопланетянина будет крепчайшей кислотой, страшным ядом! Так что при попытке доставить такой организм в лабораторию он бы просто сгорел! Да и «пожать руку» такому инопланетянину у вас не получилось бы – от вашей ладони он получил бы страшный ожог. Но и нам тоже при встрече пришлось несладко – от пришельца исходил бы такой чудовищный и резкий запах, что мы, скорее всего, просто упали в обморок.
Ещё более «холодный» вариант замены воды – это жидкий метан. Учёные, например, считают, что на поверхности Титана, спутника Сатурна, могли бы существовать примитивные микроорганизмы, которые извлекали бы энергию из этилена, ацетилена и водорода, выделяя при этом метан. Ещё одним аналогом воды мог бы стать жидкий азот – теоретически вполне допустимо существование азотно-кремниевых организмов – при чудовищно низких температурах, под минус 200 градусов... А если полететь не на холодные, а, наоборот, на горячие планеты? Скажем, на Венере вполне могли бы существовать кремниевые организмы, использующие вместо воды... серную кислоту! Это тоже очень хороший растворитель. В теории такой организм мог бы даже прилететь к нам на Землю, но... зачем? Земные условия для него были бы чрезвычайно ядовитыми, просто «нюхнув кислорода», он получил бы страшнейший ожог... А уж «питаться кровью землян» – и вовсе смешно. Это как если бы земной человек решил выпить вместо воды нашатырного спирта или покушать вместо манной каши едкого натра (каустической соды). Никаких шансов выжить.
Немного юмора. Одна из биохимических альтернативных моделей всерьёз рассматривает замену воды этанолом (этиловым спиртом). Этанол по многим своим свойствам схож с водой, в частности это прекрасный растворитель. Он не такой активный, как вода, и не позволяет обеспечивать такой же в точности быстрый обмен веществ, как вода, зато позволяет образовывать такие твёрдые химические соединения, которые в воде растворялись бы. Смог бы представитель «кремниево-этаноловой жизни» прилететь на Землю? Более-менее комфортно он чувствовал бы себя только в Антарктиде или в Сибири зимой, чтобы мороз был градусов под 80. Но температура – это не самое плохое. Наши вода и водяной пар в атмосфере были бы для него смертельно опасны! Скажем, при попадании жидкой воды на «руку» инопланетянина та начала бы разлагаться, «гнить» с невероятной скоростью, разваливаться на глазах на куски... Бррр... А ещё одну опасность представляли бы земные любители спиртного: вот они-то точно не отказались бы отведать «крови инопланетянина» (то есть чистого спирта). Вот такие вот «земляне-вампиры». Кхм...
Некоторые исследователи в качестве «основы инопланетной жизни» предложили и вовсе экзотическую группу веществ – бораны (бороводороды). Оказывается, при определённых условиях эти вещества могут образовывать сложные структуры, аналогичные этану, метану или даже бензолу. Возникновение такой «борановой» жизни очень маловероятно по причине невероятно малой распространённости этих веществ во Вселенной. Но всё-таки если бы такой инопланетянин прилетел на Землю, то... Не поверите, он взорвался бы, как бомба! Химия – сложная штука. Скажем, газ хлор невероятно ядовит и химически активен. Но стоит соединить его с щелочным металлом натрием – и получается совершенно безвредная кухонная соль, которой мы солим яйцо всмятку за завтраком. Вот и боран – в условиях восстановительной атмосферы (например, состоящей из метана, аммиака и углекислого газа, как на нашей Земле 4 миллиарда лет назад) бороводороды «спокойны», стабильны и могут формировать сложные молекулы. Особенно при очень низких температурах. Но при контакте с кислородом или водой бораны тут же воспламеняются (взрываются). Вы же иногда удивлялись, когда в космической компьютерной «стрелялке» враги взрываются, не оставляя после себя никаких следов? Но если враги – те самые «борановые инопланетяне», то даже школьная «бомбочка» из бумажного шарика с водой приведёт к тому, что инопланетянин взорвётся, как будто он весь был сделан из лучшей в мире взрывчатки!
Экзобиохимия – очень молодая и исключительно интересная наука. Какими могут быть живые организмы на других планетах? Бесконечно разными. Совершенно необязательно похожими на нас и вообще на любой другой организм, существующий на Земле. Просто заменяя один химический элемент на другой, можно получать варианты организмов, приспособленных к самым, казалось бы, нереальным условиям существования. Но в то же время начинаешь понимать, что «контакт» с такими существами из-за разной биохимии может быть смертельно опасен и даже невозможен в принципе. И что бояться пришельцев, которые нападут и щас-как-всех-съедят, довольно глупо. Кстати, есть ещё одна теория на этот счёт. Жизнь с альтернативной биохимией (например, кремниево-кислородно-железная) вполне могла бы существовать на... Земле. Точнее, под землёй. На глубине в тысячу километров, при температурах в тысячи градусов. Эту теорию учёные называют «теорией теневой жизни». Глубоко у нас под ногами – целые экосистемы, состоящие из самых разных организмов. Возможно, что некоторые из них даже разумны, вы только представьте себе! Сперва такая теория кажется ну просто немыслимой фантастикой... Но... А вдруг?
