Журнал далеко идущего

Несмотря на своё разнообразие, вся жизнь на Земле демонстрирует замечательное сходство на биохимическом уровне: все основные молекулы, используемые в органических процессах, построены на различных молекулярных сочетаниях углерода и водорода; ионы и молекулы растворяются и транспортируются в жидкостях на водной основе, а большинство организмов основанных на углероде дышат кислородом, чтобы выделять энергию из соединенной пищи. Большие молекулы строятся из мономеров – маленьких кирпичиков, соединенных однотипными связями: белки – из аминокислот, ДНК – из нуклеотидов, полисахариды ( целлюлоза, крахмал ) – из сахаров. Структура мономера образована прежде всего атомами углерода, соединенными прочными связями C–C. Мономеры между собой связаны менее прочными связями: эфирными (С-О) или пептидными (-СO-NH-). В водной среде разрыв этих связей с участием воды ( гидролиз ) происходит без затрат энергии, нужен только подходящий катализатор. С одной стороны, такое устройство позволяет легко разбирать ненужные белки и РНК на мономеры и собирать из них новые белки и РНК без повреждений самих мономеров. С другой стороны, в процессе обмена веществ прочные углерод-углеродные связи внутри аминокислот и нуклеотидов приходится образовывать и разрывать, чтобы создать новые вещества и утилизировать ненужные. Иными словами, основные химические связи в молекулах, составляющих живой организм, должны быть «по умолчанию» достаточно прочными, но должен существовать способ их ослабить, чтобы превращать одни вещества в другие. В случае нашей земной жизни эти свойства реализованы с помощью углерода, кислорода, азота и водорода. Атомы углерода образуют прочные связи друг с другом и с водородом, поэтому соединения этих двух элементов ( углеводороды ) химически неактивны. Даже высокоразвитая жизнь с эффективными ферментами с трудом справляется с их расщеплением: лишь немногие бактерии способны питаться углеводородами, например, нефти, поэтому ее разливы и опасны для окружающей среды. Для ослабления связей С-С в биохимии, как правило, используется кислород. Карбонильная группа (С=О) в молекулах придает им химическую активность и позволяет легко создавать и разрушать связи С-С. Если вспомнить, как происходит образование новых и разрыв старых связей C–C в реакциях обмена веществ, то окажется, что почти всегда в этом участвует карбонильная группа ( входящая в состав ацетил-КоА, кетокислот цикла Кребса и различных сахаров ), так если необходимо соединить или разорвать углерод-углеродную связь там, где этой группы нет, то она сначала будет создана путем окисления, а затем использована для изменения скелета молекулы ( иногда вместо нее применяется иминогруппа (C=NH) с похожими свойствами ). Жизнь нуждается в разнообразном наборе химических веществ с различными функциями которыми в нашем случае являются аминокислоты ( для получения белков ), сахара и азотистые основания ( для получения нуклеиновых кислот ), гидроксильные и кетокислоты ( в качестве основных промежуточных продуктов обмена веществ ), липиды ( для создания мембран ) и многое другое. Чтобы создать разнообразный набор химических веществ, жизни нужен набор элементов, способных создавать молекулы, состоящие из многих атомов, которые обеспечат достаточную биологическую функциональность, что может быть достигнуто только с помощью элемента каркаса, связанного с гетероатомными элементами. Атом каркаса — это атом, который может соединяться в цепи и кластеры для построения скелета или формы молекулы, а гетероатомы обеспечивают химическую активность в молекуле. Каркасы обеспечивают способность образовывать большие молекулы и, следовательно, большое количество различных молекул ( сравните количество стабильных молекул типа XnHm, которые могут быть образованы с помощью X=азота ( три–NH3, N2H4, N2H2 ) и с X=углеродом ( по существу бесконечное количество видов углеводородов )). Элементы каркаса и гетероатомы, как правило, представляют собой разные атомы. Каркас должен быть относительно стабильным и неактивным, в то же время соединяясь с функциональными атомами ( гетероатомами ), которые обеспечивают химическую функциональность и отличительность каждой молекулы. В этом отношении несколько других неметаллических элементов могут быть жизнеспособными альтернативами углероду. Сера, бор и, в частности, кремний способны образовывать ковалентные соединения, в которых многие атомы одного и того же типа связаны вместе, образуя большие молекулы, и поэтому в принципе могут рассматриваться как “строительные леса”. Полимеры на основе серы, например, амфифильные политионаты, однако ограничены линейными цепями, что серьезно ограничивает разнообразие возможных форм в системах на основе серы. Бор, с другой стороны, образует полимерные структуры, представляющие собой кластеры атомов, а не более мелкие изолированные молекулы, например, декаборан, B10H14, который, будучи стехиометрически аналогом бора углеводородного декана, по структуре более похож на наночастицу алмаза. Поскольку каркас из углерода ( и водорода ) сам по себе обеспечивает лишь очень ограниченную химическую функцию, необходимую для метаболизма, гетероатомы необходимы для обеспечения химической реактивности. Гетероатомы могут образовывать ковалентные связи с углеродом ( или другими элементами каркаса ), но являются более электроположительными или электроотрицательными ( эта разница в электроотрицательности обеспечивает реакционную способность молекул ). Реактивность гетероатомов отвечает за подавляющее большинство метаболических реакций, происходящих в организмах Земли. Жизнь на Земле использует несколько гетероатомов ( например, O, N, S и P ), которые образуют ковалентные связи с углеродной структурой биомолекул и друг с другом. Гетероатомы удобно можно разделить на обычные и редкие гетероатомы ( хотя это делается для удобства и не представляет какого-либо абсолютного класса изобилия, которое в любом случае будет варьировать от организма к организму ). Общие гетероатомы ( например, азот или кислород в случае известных нам земных форм жизни ) используются во многих различных молекулах в биохимии. На Земле кислород доминирует среди гетероатомов, используемых жизнью. Фактически, гетероатом кислорода настолько распространен, что земная биохимия может быть описана как “химия карбонильных групп”. Напротив, редкие гетероатомы используются в небольшом числе конкретных контекстов ( в качестве примера в земной жизни можно отметить селен и фтор ). Вполне вероятно, что эти элементы будет трудно широко использовать для жизни, но они дают особые преимущества редким молекулам, в которых они содержатся. Например, термодинамика фтора затрудняет его включение в органические молекулы, но токсичность образующихся молекул делает фтор ценным в химических средствах защиты растений. Следует отметить, что химическое разнообразие в малых молекулах подразумевает потенциальное химическое разнообразие в полимерах. Белки чрезвычайно разнообразны, потому что они могут быть изготовлены из химически разнообразного набора мономеров аминокислот. Вместе каркасы и гетероатомы обеспечивают химическое разнообразие и реакционную способность, необходимые для жизни. В окружающей нас вселенной существует множество форм " жизни ", однако среди открытых естественно развившихся биохимий на основе углерода ( не говоря уже об формах жизни на основе кремния, аммиака, мышьяка, бора, азота, фосфора и тд ) можно разделить всего на несколько широких категорий: на основе метана, аммиака и воды. Это можно было бы объяснить тем, что все они представляют собой комбинации водорода, самого распространенного элемента во Вселенной, со следующими тремя наиболее распространенными элементами, которые способны образовывать соединения с ним. Конечно, существует много подтипов этих основных биохимических систем, и существует огромное биохимическое разнообразие между биосферами и внутри них, но есть также и широкие сходства. Во всех случаях существуют значительные колебания вокруг средней температуры, при которой эти формы жизни могут функционировать. Самый широкий диапазон — это то, что вы могли бы встретить на Земле, так как вода является жидкостью в большем диапазоне, чем другие распространенные растворители. Два других основных типа жизни активны в гораздо меньшем диапазоне температур, но они обычно могут пережить гораздо большие перепады температуры в неактивной, замороженной форме. Это происходит потому, что растворы, от которых они зависят, не расширяются, когда они затвердевают, как это делает замороженная вода. Тип I ( на водной основе ) Жизнь типа I обычно протекает при температуре от 20° до 30 ° C, причём различные формы процветают при температурах от 0° C до 125° градусов Цельсия; все формы жизни этого типа используют H2O в качестве основного химического растворителя. Хорошо развитая планетарная экосистема в конечном итоге развивает формы, способные к фотосинтезу с водой в качестве основного источника водорода и производит атмосферу преимущество состоящую из кислорода/азота/углекислого газа, с чем угодно, от следовых количеств углекислого газа ( для планет, подобных Земле, которые находятся вблизи внутреннего края зоны жизни типа I ) до гораздо больших количеств ( для планет, которые находятся дальше от своей первичной и поддерживают жизнь типа I с помощью сильного парникового эффекта ). Типичными химическими веществами для них являются белки, жиры, углеводы и нуклеиновые кислоты. Это, безусловно, самый распространенный тип, так как кислород является третьим наиболее распространенным элементом во Вселенной, а вода является жидкостью в таком широком диапазоне температур и давлений. Она обычно ассоциируется с планетарным типом наподобие Земли, но любая окружающая среда, которая допускает наличие жидкой воды, может дать начало формам жизни I типа. Тип Ia ( на основе горячей воды ) Тип Ia во многом похож на тип I, но работает при температуре от 125° до 150° C. Чрезвычайно высокое поверхностное давление ( до cта и более атмосфер ) позволяет использовать воду в качестве растворителя, так как при таком давление, несмотря на высокую температуру, она всё ещё остаётся жидкостью. В атмосфере подобных миров содержится гораздо большая доля углекислого газа, обычно от 50 до 90 процентов от общего количества, однако кислород также присутствует в полностью развитой биосфере этого типа. Этот тип биохимии характеризуется добавлением ряда второстепенных элементов, летучих при таких температурах, таких как ртуть и олово. Сера также чаще используется в местной биохимии, чем в стандартной биологии первого типа. Некоторые эксперты рассматривают типы I и Ia просто как две крайности в континууме. Это менее распространенный тип, чем обычная биохимия I типа, поскольку сильная инсоляция, чаще всего приводит к безудержному парниковому эффекту и иссушению планетарной атмосферы, что приводит к безжизненному миру подобно Венере. Тип Ib ( на основе галогена/водно-соляной кислоты ) Тип Ib похож на вышеупомянутые два, но в отличие от них, его смесь растворителей включает в себя некоторое количество HCl в дополнение к воде, а атмосфера помимо кислорода включает в себя часть газообразного хлора ( атмосферы планет данного типа должны будут преимущественно состоять из азота (N2), кислорода (O2) и хлора (Cl2) с переменным количеством паров соляной кислоты (HCl) и следовых количеств монооксидадиклора (Cl 2o), углекислого газа (CO2), иприта (C4H8Cl2S) и тд ). Планеты имеющие атмосферы преимущество состоящие из хлора во многом напоминают обычные землеподобные планеты, за исключением разве что их невероятной, по сравнению с последними, редкостью. Так в течение обычных процессов нуклеосинтеза в звёздах создаётся больше чётных элементов, чем нечетных, и больше лёгких элементов, чем тяжёлых. Хлор — это относительно тяжёлый элемент, притом нечётный из-за чего, в среднем, он встречается более чем в 20 тысяч раз реже, чем кислород, элемент, который чаще всего выделяется в процессе фотосинтеза на землеподобных планетах. Тем не менее, существуют небольшие области галактики, в которых межзвёздная среда достаточно сильно обогащена хлором, что особенно верно в случае звёзд второго и третьего поколения, которые имеют более высокую металличность ( относительная концентрация элементов тяжелее водорода и гелия ). В случае планет этого редкого типа межзвёздная среда, из которой образовалась их родительская звезда и сопутствующие ей планеты, также должна быть особенно обогащена так называемыми элементами альфа-процесса ( серой, хлором, аргоном, кальцием, титаном и хромом ) и если этот относительно редкий процесс нуклеосинтеза будет достаточно распространен в протопланетном газопылевом диске ( облаке ) из которого в последствии должна будет сформироваться звезда и окружающие её планеты, появление подобного мира станет возможным. Однако, даже если протопланетный диск всё же окажется насыщен хлором, процесс планетообразования должен следовать довольно необычному ряду событий, чтобы привести к появлению к планете с настолько необычной атмосферой. Так хлористый водород является более летучим веществом по сравнению с водой, и в отличие от воды не часто сочетается с силикатами ( гидратированные "мокрые" силикаты являются основным источником воды в образовании планет земной группы ). Полоса материала, достаточно холодного, чтобы удерживать источники хлористого водорода, и в то же время достаточно теплого, чтобы позволить образование скалистой планеты, также очень узка. Внутри этой узкой полосы планета удерживает только воду в своей гидросфере ( хотя там также могут находиться и необычные концентрации более тугоплавких хлоридных минералов ), поэтому планеты этого типа чаще всего формируются на внешних границах жизненной зоны своей звездной системы или даже за её пределами, подобно нашему Марсу. По мере того как звезда стареет и нагревается, или по мере того, как динамика между межпланетным материалом и планетами приближает орбиты к первичным, и становится возможным планета этого типа. В большинстве так называемых хлорных миров болота и мелководные моря вероятно будут являться доминирующими биомами из-за лежащей в их основе геологии, ведь жизнь на суше будет подвергаться некоторым трудностям, включающим в себя воздействие ультрафиолетового излучения, исходящего от родительской звезды, и очень широкий диапазон местной кислотности ( последнее особенно не приятно для существования живых организмов ). В качестве защиты от неблагоприятных условий окружающей среды растения вероятно будут иметь восковые листья и кору, состоящую из устойчивых хлорорганических полимеров. Молекула, подобная тетрахлорбензолу, была бы стабильной и имела бы массу энергии, которую можно было бы высвободить при хлорировании обратно в тетрахлорбензол углерода. Как и на планетах землеподобного типа жизнь на планетах с хлоросодержащей атмосферой вероятно будет производить химическую энергию из солнечного света, используя её для уменьшения доступных водородсодержащих соединений. Как и на Земле, наиболее распространенным водородным ресурсом является вода, просто потому, что её много. Эта форма фотосинтеза высвобождает кислород, однако хлорные миры также имеют большие запасы соляной кислоты, и фотосинтетические организмы также вероятно будут использовать этот природный ресурс, выделяя в качестве побочного эффекта — хлор. Расщепление воды и расщепление соляной кислоты высвобождают ионы водорода и высокоэнергетические электроны, которые затем будут использоваться для получения углеводов и других органических соединений. Обычный источник углерода — углекислый газ, из-за чего на планетах этого типа может существовать три доминирующих вида фотосинтеза: 2НСl + СО2 —> СН2О +Сl2 Соляная кислота и двуокись углерода расходуются и органические вещества и хлор, и Н2О +СО2 —> СН2О + О2 Или же похожем на первый вариант процессе использованию молекул соляной кислоты (HCl) при их соединение к молекулам углекислого газа (CO2) с образованием формальдегида (CH2O), хлора (Cl2) и кислорода (O2): 4 HCl + 2 CO2 + энергия → 2 CH2O+ 2 Cl2 +O2. Скорее всего большинство фотосинтетических организмов на самом деле будет предпочитать использовать соляную кислоту, если она доступна, но наличие воды делает её более распространенным источником водорода. Высвобождение хлора в конечном счёте часто приводит к кислороду в атмосфере в любом случае, так как хлор реагирует с водой, чтобы высвободить кислород и снова произвести хлористый водород. Сочетание различных кислородных и хлорных фотосинтетических пигментов обычно имеет пурпурно-черный цвет. Тип II ( водно-аммиачная основа ) Второй тип работает при температуре не превышающей -50 °C, из-за чего единственным доступным растворитель представляет собой смесь H2O и NH4, а биохимия предполагает широкое использование жирных кислот. Учитывая что температура кипения и перехода аммиака из жидкого в газообразное состояние находится на несколько десятков градусов ниже температуры замерзания воды, выходит что на поверхности планет данного типа не только отсутствует вода в жидком агрегатном состоянии, вместо этого присутвуя исключительно в виде сжатого льда 1h, который примерно так же тверд, как гранит, присутствующий на Земле. Это вещество составляет большую часть коры, которая, в свою очередь, образует отдельные континентальные плиты, плавающие над массивным океаном гиперсоленого, богатого минералами водно-аммиачного раствора, окружающего геологически активное металлическое ядро планеты или луны. Когда тёплая вода пробивает находящуюся над ней ледяную кору, она практически сразу же затвердевает при соприкосновении с более холодной атмосферой. Данный процесс криовулканизма частично ответственен за восполнение метана, присутствующего в атмосфере, благодаря химической реакции, которая происходит в недрах планеты, известной как "серпентинизация" ( когда перегретая субконтинентальная вода выветривается естественным образом, образуя отложения оливина ) с последующим газообразованием. Стоит также отметить, что аммиак, присутствующий в жидкой водной мантии, будет всплывать в больших количествах вместе с водой в периоды криовулканизма, оставляя после себя твердые ледяные отложения 1h в дополнение к жидкому аммиаку ( аммиак имеет более низкую температуру замерзания, чем вода, и поэтому останется жидкостью при достижении поверхности ). пойманный в ловушку внутри самой “скалы” или вдоль поверхности свежеотложенного ледяного отложения 1h ) на поверхности. Эта полярная смесь аммиака и жидкой воды в мантии была бы намного плотнее твердого льда, образующего кору, эффективно предотвращая “прорыв” смеси и подъем над поверхностью подобно тому, как магма часто поднимается над твердыми породами на земле. Вместо этого конвекционные течения, присутствующие в мантии как из-за приливных сил, так и из-за внутренней разницы температур между верхней и нижней мантией в некоторой степени влияют на криовулканическую активность. Поскольку кора постепенно обновляется в результате этого цикла тектонической активности плит и криовулканизма, ледяные субстраты, называемые “кокристаллами”, будут формироваться на основе факторов внешней среды, которые могут влиять на то, как лед 1h охлаждается и затвердевает, таких как температура поверхности, насыщенность углеводородами и давление. Эти кокристаллы вместе с ледяными субстратами, образовавшимися в результате постепенного выветривания на поверхности, с первого взгляда напоминали бы силикаты, которые составляют неорганические элементы в осадочных отложениях на земле, принимая самые разнообразные формы с различными свойствами. Среди этих субстратов также присутствовали бы следовые концентрации растворенной серы, фосфора, калия, магния, кальция и натрия, образующиеся в ядре, которые позже всплыли бы через конвекционные потоки внутри мантии, сопровождаемые криовулканизмом ( следует также отметить, что тепло, излучаемое плотным железным металлическим ядром планеты или луны, предотвратило бы образование слоя необычных видов водного или иного льда под действием высокого давления, таких как лед VI, образующихся вокруг ядра, что резко ограничило бы выход этих элементов на поверхность. Вместо этого вокруг ядра планеты образовался полутвердый слой сжатой "слякоти". Вулканическая среда, образовавшаяся в результате ее относительно плотного ядра, также способствовала ограничению количества воды, которая могла образоваться из атмосферного кислорода и водорода на поверхности планеты или луны во время её формирования благодаря раннему созданию сильно восстановительной атмосферы ( аналогичной атмосфере Земли во время архея ), что привело к образованию относительно тонкой мантии, лишенной льдов под давлением, покрытой корой толщиной около четырёх или пяти километров, что еще больше позволило возникнуть криовулканизму на поверхности ). Если смотреть из космоса, то аммиачные океаны ( ликвосфера ) будут выглядеть темно- коричневыми из-за большого количества растворенных в них щелочноземельных металлов, хотя при небольшой концентрации растворенных металлов аммиачный океан выглядел бы синим ( в отличие от воды аммиак может растворять щелочноземельные металлы, как если бы они были простой солью, меняя таким образом цвет жидкости ). Если растворить в жидком аммиаке кусочек металлического натрия, можно наблюдать появление ярко-синей окраски. При растворении большого количества металла ( больше 3 моль/л ) раствор будет приобретать бронзовую окраску с металлическим блеском. Окраска раствора зависит от количества растворенного металла: при малом содержании металла она светло-синяя, по мере увеличения концентрации раствор меняет окраску от темно-синей до чёрной, при немного более высоких концентрациях золотисто-бронзовый цвет, желто-коричневой, желто-красной, бронзово-красной. Концентрированные растворы проводят электрический ток так же хорошо, как и металлы. При температуре ниже – 42 °С синяя и бронзовая фазы сосуществуют не смешиваясь. Разбавленные и концентрированные растворы щелочных металлов в жидком аммиаке не смешиваются друг с другом. Такой раствор может самостоятельно расслоиться на две фазы. Одна из них, более концентрированная, но менее плотная, окажется сверху, а разбавленный раствор с большей плотностью – снизу. Заметить границу между растворами легко: верхняя жидкость обладает металлическим бронзовым блеском, а нижняя имеет чернильно-синий цвет. Окраска раствора обусловлена частичной диссоциацией металлического натрия с об- разованием сольватированных ионов Na+ и сольватированных электронов: Naтв + (n) NH3 ⇄ [Na•(n–x) NH3] + раствор + [ē·(x) NH3] – раствор, или упрощенно Naтв → Na+solv + ēsolv. Красновато-оранжевый цвет в атмосфере вероятно был бы обусловлен оксидами азота ( аналогами азота для кислорода ). Как и на Земле, атмосфера планет этого типа должна была бы состоять в основном из двухатомного азота (N2) и кислорода (O2) с переменным количеством аммиака (NH3) и следовых количеств углекислого газа (CO2) и других газов. В отличие от Земли, практически не имея свободного кислорода, вместо этого имея большое количество закиси или оксида азота. В отличие от водных миров, таких как Земля, растениям на аммиачных мирах не нужно было бы депротонировать молекулы воды, чтобы получить электрон для фотосинтеза. Это происходит потому, что растворенные щелочноземельные металлы выделяют свободные электроны, которые могут быть непосредственно использованы и что освободило бы фотосинтезирующие растения для использования более широкого спектра, что, вероятно, высвободило бы сотни миллионов, если не миллиард, лет эволюции для фотосинтезирующих клеток. Так предполагается что местные растения будут использовать аммиак (NH3) и углекислый газ (CO2) для синтезирования или создания метиламина (CH3 NH2), азота (N2) и кислорода (O2), используя приведенную ниже химическую реакцию: 10 NH3 + 3CO2 + энергия → 6CH3 NH2 + 4 N2 + 3O2. Однако преодоление накопления двухатомного азота, вероятно, с лихвой компенсировало бы потерянное время. Хотя мы не можем предсказать, какие молекулы будут использоваться живыми существами в аммиаке или серной кислоте, понятно, что наши азотистые основания не подойдут для генетических полимеров в такой среде. Уотсон-криковские пары образуются только в нейтральной среде ( pH от 6 до 9 ). В кислой среде к аминогруппам (NH2) аденина и цитозина присоединяются протоны, дающие положительный заряд, а в щелочной среде, наоборот, гуанин и урацил теряют протоны и получают отрицательный заряд на месте карбонильной группы (С=О). И то и другое нарушает водородные связи между основаниями и делает эти основания непригодными для хранения генетической информации. Поэтому все микробы, населяющие сильнокислые или щелочные среды на Земле, поддерживают внутри клетки нейтральный pH, даже если на это уходит много энергии. Тип III ( на основе метан-этан ) Тип III возможен при температуре — 160° градусов ниже нуля из-за чего основным растворителем будет являться смесь метана, СН4 и этана, а также в некоторых случаях С2н6. Сам по себе метан имеет чрезвычайно узкий диапазон, в котором он является жидкостью, но вместе эти два вещества создают жидкость с диапазоном, более перспективным для появления и дальнейшего существования низкотемпературных форм жизни. Поскольку первичный растворитель неполярный, биохимия таких жизненных форм имеет мало аналогов с тем что вы могли бы встретить на Земле. Типичная атмосфера такого мира состоит из азота и метана с более тяжелыми углеводородными газами в качестве загрязняющих веществ, наиболее ярким примером чего может являться Титан, крупнейший спутник Сатурна. В большинстве случаев планеты этого типа достаточно туманны и имеют плотную и густую, схожую с все тем же Титаном, атмосферу, поскольку проходящее через неё ионизирующее излучение родительской звезды, аттрактора или иных космических источников излучения разрывает молекулы метана на части и образует разные углеводороды, такие как этан (C2h6), диацетилен (C4h2), метилацетилен (C3h4), ацетилен (C2h2) и пропан (C3h8). Этот распад также может привести к образованию таких неуглеводородов как диоксид углерода (CO2), монооксид углерода (CO), цианистый водород (HCN), цианоген (CN)2) и цианоацетилен (C3HN). Учитывая это выходит что в тёмной и туманной метановой атмосфере планет этого типа, местным растительным формам жизни, вероятнее всего, придётся полагаться на хемосинтез, поскольку в сложившихся условиях для привычных нам процессов фотосинтеза будет недостаточно света. Так предполагается что местные растения будут использовать метан (CH4) и оксид азота (NO) для производства метанола (CH3 OH), азота (N2) и кислорода (O2): 2 CH4 + 4 NO + энергия → 2 CH3OH + 2 N2 + O2. На протяжении долгого времени Титан, второй самый крупный спутник планеты в Солнечной системе после спутника Юпитера Ганимеда, привлекал внимание учёных, предпологающих что на его поверхности может существовать жизнь, ведь он является единственным спутником планеты в системе нашей звезды, имеющим плотную атмосферу, и кроме того, является единственным телом в космосе, не считая Землю, на поверхности которого обнаружены значительные количества веществ, пребывающих в жидком агрегатном состоянии. Конечно же помимо схожести существуют и достаточно существенные различия: чрезвычайно низкая средняя температура ≈ 94 К ( 179,15 градусов по Цельсию )( что приводит к экзотической органической химии, основанной на силах Ван-дер-Ваальса ); недостаток кислорода для биохимии ( что приводит к гипотезам для N-замещенных биохимий ); и неполярный растворитель CH4-C2H6 ( что приводит к догадкам об альтернативных мембранных структурах, ведь для автокаталитических реакций, в процессе которых одна сложная РНК-подобная молекула производит другую такую же, требуется как правило жидкая среда из вещества, способного растворять другие твёрдые, жидкие или газообразные вещества, не изменяя их химически ( растворитель ), в роли которых пусть и находящийся в большом изобилии жидкий метан и этан не могут рассматриваться как удовлетворительная замена воды, что впрочем не мешает подходить фосфину (PH3), присутствующий в большом количестве в местных водоёмах. При этом, фосфин в жидком этане не замерзает и не растворяется, а образует взвесь микроскопических капель, способных поглощать сложные молекулы из внешней среды. Таким образом, если земная бактерия представляет собой окружённую мембраной водяную капельку, то бактерия на подобной Титану планете или луне должна была бы представлять из себя капельку фосфина, не нуждающуюся в мембране, поглощая свободный водород и ацетилен (C2H2), и выделяя метан ). В последнем случае привычные в нашем понимание мембраны могут и вовсе не потребоваться для форм жизни на Титане, поскольку чрезвычайно низкие температуры уже препятствуют растворению макромолекул, а мембраноподобные структуры будут препятствовать диффузии метаболитов через клетку. Однако ранее исследователи считали, что так как медленно оседающий на поверхность в форме сажи углерод, облака которого делают местную атмосферу почти непрозрачной, далее реагируя с другими компонентами атмосферы, ближе к поверхности образует полупрозрачную дымку ( взвесь сложных углеводородных молекул, среди которых присутствуют даже аминокислоты )( органика ), которая оседая на поверхность, смывается дождями в реки, выносится в моря, превращая их в необходимый для протекания химической эволюции «первичный бульон», где в свою очередь могли бы сформироваться сложные структуры – «пузыри», напоминающие стенки биологических клеток, обнаруживаемых на Земле. Разница между «земными» клеточными мембранами и аналогичными структурами, которые предполагалось обнаружить на Титане, состоит лишь в том, что стенки клеток земных организмов сложены молекулами липидов ( жирных кислот ), в то время как на Титане они могли быть представлены азотсодержащими молекулами, в частности акрилонитрил (C2H3CN), называемыми азотосомами. До настоящего времени свидетельством в пользу этой гипотезы считались результаты одного раннего исследования, включающего моделирование молекулярной динамики в условиях Титана, так в новом исследовании Х. Сандстрём и М. Рам с кафедры химии и химической технологии Технического университета Чалмерса, Швеция, провели более глубокий анализ термодинамической стабильности азотосом в условиях Титана с использованием новой модели, включающей квантовые эффекты, и установили, что эти соединения не способны существовать на планете в течение длительного времени. Таким образом, гипотеза о возможном формировании на Титане аналогов земной биологической клетки на основе азотосом по результатам данной работы не была подтверждена. Тип IV ( на основе купоросной/серной кислоты ) Жизнь типа IV существует при температурах от 250 до 330°C и в условиях, где присутствует жидкая серная кислота, но нет воды. Органические молекулы в этих горячих биосферах, как правило, основаны на силиконе, по некоторым прикидкам являясь переходным звеном между жизнью на углерода и кремния. Так называемые планеты купоросного типа являются одними из наиболее причудливых и с первого взгляда неблагоприятных сред для существования сложной многоклеточной жизни, характеризующихся морями и даже океанами, состоящими из практически чистой серной кислоты. Однако также как и в случае планет с хлоросодержащей атмосферой, поскольку серная кислота не является обычным химическим веществом, каменистый мир не просто образуется с океанами безводной серной кислоты, они должны образоваться после образования планет в результате достаточно необычного и крайне редкого набора обстоятельств: Во-первых, на поверхности планеты должно находиться достаточно большое количество серы, что является единственным относительно простым условием для возникновения планеты купоросного типа поскольку сера сама по себе является достаточно распространенным химическим элементом, и значительных выбросов серы при вулканической активности, однако следует отметить что увеличение ( за счёт повсеместной вулканической активности по всей или большей части планеты ) доли серы на поверхности планеты должно будет произойти уже после периода формирования планеты когда её поверхность нередка была расплавлена, а средняя температура составляла несколько сотен градусов, поскольку подобные условия способствуют связыванию серы с халькофильными элементами, такими как железо, что приведёт к тому, что большая часть серы будет связана во внутреннем ядре. Во-вторых, рассматриваемая планета должна подвергаться интенсивной фотодизассоциации её водных ресурсов ( морей и океанов ), поскольку расщепление молекул воды даст первичной атмосфере из CO2 большое количество кислорода и, в течение ограниченного времени, водорода. Сера и кислород соединятся, чтобы сформировать диоксид серы, а затем триоксид серы, последний затем соединится с оставшейся водой, чтобы сформировать серную кислоту. Свободный водород в конце концов испарится, но часть его сохранится как один из компонентов серной кислоты и того небольшого количества воды, которое останется. В течение всей оставшейся жизни планеты количество серной кислоты будет иметь тенденцию оставаться сбалансированным; субдукция приносит некоторую серную кислоту в мантию, где она разрушается, а вулканы в последствии выделяют сероводород, диоксид серы и водяной пар, которые вступают в реакцию с кислородом и друг с другом, чтобы воссоздать серную кислоту, потерянную в мантии. Последнее условие — это то, что действительно делает планеты этого типа настолько редкими, поскольку существует множество тонких химических балансов, которые должны поддерживаться друг другом. Так если фотодизассоциация протекает слишком быстро, то все запасы воды в мире будут уничтожены до того, как образуются сернокислотные океаны, которые приведут мир к безудержному парниковому эффекту, точно так же, если в мире будет слишком мало воды. Если на поверхности планеты оказывается слишком много воды, то серная кислота никогда не преодолеет её и останется, если вообще останется, незначительной составляющей океанов, постоянно обновляемой вулканическим выбросом двуокиси серы, поскольку она разрушается в результате реакций с водой. Кроме того, планета на такой близкой к родительской звезде орбите со слишком большим количеством воды подвергается высокому риску быстрого парникового эффекта, в скором времени превратившись в горячий подобный Венере мир. По этим причинам планеты этого типа, как правило, встречаются вокруг звезд G и F типа населения I. Химически планеты купоросного типа чем-то напоминают горячие источники где можно найти серную кислоту, так как в обоих случаях серная кислота создаёт интенсивное химическое выветривание, поскольку она растворяется и вступает в реакцию с наиболее распространенными минералами и металлами. Кислотность океанов, морей, рек и озёр также препятствует стабильности карбонатов, требуя чтобы CO2 были связаны с другими минералами или соединениями, чтобы избежать беглого парникового эффекта, что в большинстве случаев достигается органически созданными минералами. Кроме того, эти планеты редко обладают плотной атмосферой, что помогает предотвратить чрезмерное накопление CO2. Кварц, является одним из самых распространенных минералов в континентальной коре землеподобных миров, относится к группе минералов, устойчивых к серной кислоты, в том числе как и многие глиноподобные минералы, оставшиеся после разрушения серной кислотой полевых шпатов. Сульфиды металлов и многие обычно редкие сернистые минералы очень распространены. В засушливых районах часто встречаются залежи ангидрита, безводного сульфата кальция, в более редких случаях может присутствовать гидратированный вариант, известный как гипс и другие гидратированные минералы. Несколько других солей также стабильны, но хлористого натрия среди них нет, серная кислота реагирует с ним, образуя бисульфат натрия, который будет растворен, и газообразный хлористый водород, часть которого останется в виде газа, а часть также растворится. Сернокислотные моря и океаны этих миров чрезвычайно соленые из-за склонности кислоты растворять большинство минералов и ионизировать большинство металлов. Это не редкость для сульфатов, чтобы осаждаться при более низких температурах из-за этого. Важно отметить, что, несмотря на огромную растворяющую способность серной кислоты, не засоленные озера и реки могут существовать, поскольку эрозия вероятнее всего бы очистила их почти от всего, что могла бы растворить кислота. Моря, озера и реки также имеют довольно странный внешний вид из-за вязкости серной кислоты, которая в двадцать семь раз плотнее воды и более маслянистая/сиропообразная на вид, эта вязкость имеет тенденцию приглушать волны, и это усугубляется плотностью кислоты, которая в 1,84 раза превышает плотность воды, что требует больше энергии для перемещения данного объема. Эта высокая плотность в сочетании с кислотностью имеет тенденцию приглушать возвышения на этих мирах интенсивным химическим и механическим выветриванием. Кроме того, хотя чистая серная кислота бесцветна, большое количество растворенных солей и минералов в соленых океанах и морях окрасит их в коричневый цвет. Атмосфера этих миров на самом деле не сильно отличается от земной, за исключением небольшого количества паров серной кислоты и более экстремальной температуры, так первичная атмосфера вероятнее всего будет состоять в основном из CO2 и азота , в то время как более старые планеты с уже процветающими биосферами будут иметь атмосферу преимущество состоящую из азота и кислорода с незначительными количествами углекислого газа, серной кислоты и водяного пара. Поскольку пары серной кислоты в основном бесцветны, а эти миры, как правило, вращаются вокруг звёзд типа G и F, их небо часто имеет бледный оттенок синего или зелёного, некоторые из них могут даже казаться белыми. Многие миры будут тяготеть к зеленому цвету из-за присутствия сульфатных аэрозолей. Сульфаты не только рассеивают свет сильнее, чем пары азота, кислорода и серной кислоты, но и являются эффективными ядрами конденсации, способствуя образованию в воздухе множества мелких капель серной кислоты, которые рассеивают свет более эффективно, чем меньшее число более крупных капель. Как сульфаты, так и пары серной кислоты облака имеют очень высокий коэффициент альбедо, делающее эти миры яркими и коричневатыми с с орбиты. Это высокое альбедо в сочетании с необходимостью очень жаркого климата требует, чтобы эти миры занимали очень тёплые орбиты , те, которые в среднем составляют солнечные потоки приблизительно 1700-3800 Вт/метр², примерно эквивалентные Венере. Местная биохимия довольно сильно отличается от того что вы могли бы увидеть на Земле, ибо она основана на силиконах, чередующихся цепочках кремния и кислорода. В земных условиях силиконы не образуются естественным путём, силикаты слишком стабильны, однако в мирах купоросного типа экстремальная жара и кислотность способны расщеплять некоторые силикаты на основные единицы кремния и кислорода, которые, как предполагается, затем могут объединяться в силиконы. То, что придает этим силиконам сложность, необходимую для поддержания органической жизни, - это органические побочные группы, присоединенные к атомам кремния. Эти побочные группы основаны главным образом на обычных элементах органической жизни: углероде, водороде, кислороде, азоте, фосфоре и сере, но иногда используются и другие элементы. В относительно простых молекулах цепи могут быть короткими, а боковые группы постоянными, но существует почти бесконечное разнообразие молекул, которое возможно использовать, если цепи выполнены разной длины и их боковые группы различны. В дополнение к силиконам, алканы, простейшие углеводороды, также могут часто использоваться, поскольку они стабильны в серной кислоте. Ряд других традиционных органических соединений вероятно будут ионизироваться протонированием ( добавлением ядра водорода ), но при это оно остаётся нетронутыми и поэтому часто используется в ролях, где ионы полезны или критичны, таких как нервные системы и второстепенные биохимические пути. Следовые уровни воды в этих мирах иногда используются для различных целей в микроорганизмах. Многие купоросные миры имеют фотосинтезирующие формы жизни. Точные биохимические пути могут варьироваться, но основной процесс практически не отличается от нашего; солнечный свет стимулирует клеточные процессы, которые объединяют CO2, серную кислоту и основные силиконы в богатые энергией силиконовые полимерные "сахара" и высвобождают свободный кислород. Клеточное дыхание, будет противоположно; силиконовые "сахара " сжигаются при реакции с кислородом, чтобы произвести CO2, серную кислоту и отработанные силиконы. Силиконовые субстраты вероятно будут твёрдыми, но также могут быть жидкими и обычно не производятся в достаточных количествах, чтобы вызвать трудности для удаления даже для сложных многоклеточных форм жизни. Соединения серы почти всегда имеют большое изобилие и значение в биохимии планет купоросного типа, вследствие их химической полезности и большого изобилия в окружающей среде. Металлы также вероятно могут использоваться гораздо чаще, чем в нашей биохимии, благодаря большому сродству серной кислоты к их растворению. Следует также отметить, что высокая температура атмосферы купоросного типа не будет являться препятствием для возникновения и поддержания местных форм жизни, ведь многие биологические реакции могут зависеть от высокой энергии, которую приносит такое тепло, даже с помощью эквивалентов ферментов. Таким образом, при снижении температуры ниже 100°C большинство биологических реакций начинает сильно замедляться.