Неуглеродные формы жизни и альтернативная биохимия включает жизнь на основе кремния и кислорода, азота и фосфора, азота и водорода.
Кремний + кислород
Главным претендентом на роль структурообразующего атома в альтернативной биохимии считается кремний. Он расположен в той же группе периодической системы, что и углерод, поэтому свойства их похожи. Но атомы кремния имеют большую массу и больший радиус, они сложнее образуют ковалентную связь, и это может помешать образованию биополимеров (класс полимеров, который встречается в природе в естественном виде и входит в состав живых организмов: белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды, лигнин – NS). Кроме того, соединения кремния не столь разнообразны, как соединения углерода.
В то же время, например, соединения кремния и водорода – силаны – являются более жаропрочными, чем углеродно-водородные соединения. Поэтому ученые полагают, что кремниевая жизнь может существовать на планетах, средняя температура которых значительно превышает земную. В этом случае природным растворителем должна быть не животворящая для землян вода, а соединения с более высокой температурой кипения и плавления.
В декабре 2010 года исследователь из NASA Astrobiology Research Фелиса Вольфе-Симон сообщила об открытии бактерии GFAJ-1 из рода Halomonadaceae, способной при определенных условиях заменять фосфор мышьяком.
Соединения кремния, как считается, также должны быть более устойчивыми к серной кислоте. А вот по отношению к другим средам кремниевые соединения считаются менее устойчивыми по сравнению с углеродными.
Азот + фосфор
Подобно углероду, фосфор может составлять цепочки из атомов, которые, в принципе, могли бы образовывать сложные макромолекулы, если бы он не был таким активным. Впрочем, в комплексе с азотом возможен вариант образования более сложных ковалентных связей, что делает возможным и возникновение большого разнообразия молекул, включая кольцевые структуры.
В атмосфере нашей планеты около 78% азота, но в силу инертности двухатомного азота энергетическая «стоимость» образования трехвалентной связи слишком высока. В то же время некоторые растения могут связывать азот из почвы в симбиозе с анаэробными бактериями, которые живут в их корневой системе. Если в атмосфере будет присутствовать значительное количество диоксида азота или аммиака, доступность азота будет выше. Кроме того, атмосфера экзопланет может быть насыщена и другими оксидами азота.
В аммиачной атмосфере растения, молекулы которых состоят из фосфора и азота, получали бы азот из атмосферы, а фосфор – из почвы. Клетки их окисляли бы аммиак для того, чтобы образовать аналоги моносахаридов, а водород выделялся бы как побочный продукт. Поэтому животные в таком случае будут вдыхать водород, расщепляя аналоги полисахаридов до аммиака и фосфора. Таким образом, энергетические цепочки формировались бы в обратной последовательности по сравнению с тем, что мы наблюдаем на Земле (на нашей планете в данном случае был бы распространен метан).
Авторское представление об экзопланете, на которой аммиак выполняет функцию воды / ©Ittiz
Азот + водород
Недавно, по словам теоретика-кристаллографа, химика, физика и материаловеда, популяризатора науки Артема Оганова, их группа установила одну интересную особенность соединений азота и водорода. Выяснилось, что сжатые азотоводороды могут давать гораздо более разнообразную химию, нежели углеводороды (причем эти соединения существуют в термодинамически стабильном состоянии). А ведь именно разнообразие углеводородов, как было сказано выше, дает нам такую биологическую вариативность.
Между тем азотоводородов во Вселенной очень много. Так, планеты Уран и Нептун на 8% состоят из аммиака (относящегося к простейшим азотоводородам), которого там намного больше, чем на Земле. Помимо всего прочего соединения азота и водорода имеют низкую температуру плавления, которая растет с давлением (как и температура в недрах планет).
«Для ковалентных соединений азота с очень сильными направленными связями тоже будет характерна метастабильность – иными словами, мало того, что под давлением есть необычайно большое число стабильных соединений, там еще будет практически неограниченное число метастабильных соединений, – пишет Артем Оганов. – А если туда начать добавлять другие атомы: кислород, серу, – то химическое разнообразие превысит разнообразие органической химии. Это та область химии, которую мы пока что практически не знаем и которая вышла из наших расчетов».
Возможна ли жизнь на таких планетах, как Уран и Нептун? Неизвестно. «Потенциальная проблема состоит в том, что время жизни метастабильных соединений в планетных условиях (высокие температуры и давления) может оказаться недостаточно долгим», – заключает химик.
