Земне життя, єдине з відомих нам в даний час, засноване на величезному різноманітті сполук вуглецю. Між тим, це не єдиний хімічний елемент, який може лежати в основі життя.
Існування інших форм життя, що принципово відрізняються від нашої земної наявністю, розташуванням і кількістю лап, очей, зубів, кігтів, щупалець та інших частин тіла - одна з улюблених тем у фантастичній літературі.
Втім, фантасти не обмежуються тільки цим - вони придумують як екзотичні форми традиційного (вуглецевого) життя, так і не менш екзотичні його основи - скажімо, живі кристали, безтелесні енергетичні польові істоти або кремнійорганічні створення.
Крім фантастів, обговоренням подібних питань займаються і вчені, хоча вони в своїх оцінках набагато більш обережні. Адже поки єдина основа життя, яка точно відома науці, - це вуглецева.
Проте свого часу відомий астроном і популяризатор науки Карл Саган заявив, що узагальнювати твердження про земне життя щодо життя у всьому Всесвіті абсолютно неправильно. Подібні узагальнення Саган назвав «вуглецевим шовінізмом», при цьому він сам в якості найбільш вірогідної альтернативної основи життя розглядав в першу чергу кремній.
Головне питання життя
Що ж таке життя? Здавалося б, відповідь на це питання очевидна, але як не дивно, про формальні критерії в науковому співтоваристві досі йдуть дискусії. Проте можна виділити ряд характерних ознак: життя повинно самовідтворюватися і еволюціонувати, а для цього потрібно дотримання декількох важливих умов.
По-перше, для існування життя необхідна велика кількість хімічних сполук, що складаються в основному з обмеженого числа хімічних елементів. У разі органічної хімії це вуглець, водень, азот, кисень, сірка, причому кількість подібних сполук величезна.
По-друге, ці сполуки повинні бути термодинамічно стабільними або хоча б метастабільними, тобто час їх життя має бути досить тривалим для здійснення різних біохімічних реакцій.
Третя умова - повинні існувати реакції для вилучення енергії з навколишнього середовища, а також її накопичення і вивільнення.
Четверте - для самовідтворюваності життя потрібен механізм спадковості, носієм інформації в якому виступає велика аперіодична молекула.
Ервін Шредінгер припускав, що носієм спадкової інформації може бути аперіодичний кристал, а пізніше була відкрита структура молекули ДНК - лінійний сополімер. Нарешті, всі ці речовини повинні перебувати в рідкому стані, щоб забезпечити достатню швидкість реакцій метаболізму (обміну речовин) за рахунок дифузії.
Традиційні альтернативи
У випадку з вуглецем всі ці умови виконуються, а от навіть з найближчою альтернативою - кремнієм - справа йде далеко не так райдужно. Кремнійорганічні молекули можуть бути досить довгими, щоб нести спадкову інформацію, але їх різноманіття занадто бідне порівняно з вуглецевою органікою - через більший розмір атомів кремній насилу утворює подвійні зв'язки, що сильно обмежує можливості приєднання різних функціональних груп.
Крім того, граничні кремнійводороди - силани - і зовсім нестабільні. Звичайно, існують і стабільні сполуки, такі як силікати, але більшість з них - тверді за нормальних умов речовини.
З іншими елементами, такими як бор або сірка, справа йде ще сумніше: борорганіка і високомолекулярні сполуки сірки вкрай нестабільні, а їх різноманітність занадто бідна, щоб забезпечити життя всіма необхідними умовами.
Під тиском
"Азот ніколи всерйоз не розглядався як основа для життя, оскільки за нормальних умов єдиним стабільним азотоводневим з'єднанням є аміак NH3, - говорить Артем Оганов, керівник лабораторії комп'ютерного дизайну матеріалів МФТІ, професор Нью-Йоркського університету Стоуні-Брук і Сколковського інституту науки і технологій (Сколтех).
- Однак нещодавно, проводячи моделювання різних азотоводневих систем при високих тисках (до 800 ГПа) за допомогою нашого алгоритму USPEX (Universal Structure Predictor: Evolutionary Xtallography, Універсальний провісник структур: еволюційна кристалографія), наша група виявила дивовижну річ.
Виявилося, що при тисках понад 36 ГПа (360 000 атм) з'являється цілий ряд стабільних азотоводнів, таких як довгі одномірні полімерні ланцюги з ланок N4H, N3H, N2H і NH, екзотичні N9H4, що утворюють двомірні листи атомів азоту з приєднаними катіонами NH4 +, а також молекулярні з'єднання N8H, NH2, N3H7, NH4, NH5.
Фактично ми виявили, що при тисках близько 40 − 60 ГПа азотоводнева хімія за своєю різноманітністю значно перевершує хімію вуглеводневих сполук за нормальних умов. Це дозволяє сподіватися, що хімія систем за участю азоту, водню, кисню та сірки також більш багата за своєю різноманітністю, ніж традиційна органічна за нормальних умов ".
Крок до життя
Ця гіпотеза групи Артема Оганова відкриває абсолютно несподівані можливості в плані невуглецевої основи життя.
"Азотоводні можуть утворювати довгі полімерні ланцюги і навіть двомірні листи, - пояснює Артем. Зараз ми вивчаємо властивості подібних систем за участю кисню, потім додамо до розгляду в наших моделях вуглець і сірку, а це, можливо, відкриє шлях до азотних аналогів вуглецевих білків, нехай для початку і найпростіших, без активних центрів і складної структури.
Питання про джерела енергії для життя, заснованої на азоті, поки залишається відкритим, хоча це цілком можуть бути якісь поки невідомі нам окислювально-відновлювальні реакції, що йдуть в умовах високих тисків. Насправді такі умови можуть існувати в надрах планет-гігантів типу Урану або Нептуна, хоча температури там занадто високі. Але поки ми не знаємо точно, які реакції можуть там відбуватися і які з них важливі для життя, тому не можемо достатньо точно оцінити необхідний температурний діапазон ".
Умови «проживання» живих істот на основі азотних сполук можуть здатися читачам надзвичайно екзотичними. Але досить згадати той факт, що поширеність планет-гігантів у зіркових системах як мінімум не менша, ніж кам'янистих земплеподібних планет. А це означає, що у Всесвіті саме наше, вуглецеве життя може виявитися куди більшою екзотикою.
"Азот - сьомий за поширеністю елемент у Всесвіті. Його досить багато в складі планет-гігантів, таких як Уран і Нептун. Вважається, що там азот знаходиться в основному у вигляді аміаку, але наше моделювання показує, що при тисках понад 460 ГПа аміак перестає бути стабільним з'єднанням (яким він є при нормальних умовах). Так що, можливо, в надрах планет-гігантів замість аміаку існують зовсім інші молекули, і саме цю хімію ми зараз досліджуємо ".
Азотна екзотика
При високих тисках азот і водень утворюють безліч стабільних, складних і незвичайних сполук. Хімія цих азотоводнів набагато більш різноманітна, ніж вуглеводнева при нормальних умовах, так що є надія, що азото-воднево-кисень-сірчисті сполуки можуть перевершити по багатству можливостей органічну хімію.
На малюнку - структури N4H, N3H, N2H, NH, N9H4 (рожеві - атоми водню, сині - азоту). У рожевій рамці - мономерні ланки.
Життєвий простір
Цілком можливо, що в пошуках екзотичного життя нам не доведеться летіти на інший кінець Всесвіту. У нашій власній Сонячній системі присутні дві планети з відповідними умовами. І Уран, і Нептун оповиті атмосферою, що складається з водню, гелію і метану, і, мабуть, мають силікатно-залізо-нікелеве ядро.
А між ядром і атмосферою знаходиться мантія, що складається з гарячої рідини - суміш води, аміаку і метану. Саме в цій рідині при потрібних тисках на відповідних глибинах може відбуватися передбачений групою Артема Оганова розпад аміаку та утворення екзотичних азотоводнів, а також більш складних сполук, що включають кисень, вуглець і сірку.
Нептун до того ж має внутрішнє джерело тепла, природа якого досі точно не з'ясована (передбачається, що це радіогенний, хімічний або гравітаційний нагрів). Це дозволяє значно розширити «зону населеності» навколо нашої (або іншої) зірки далеко за межі, доступні для нашого крихкого вуглецевого життя.