Журнал далеко идущего

Другие элементы ( не углеродные формы жизни ) Биомолекулы на девяносто девять процентов состоят из четырех элементов: углерода, водорода, кислорода и азота, оставшийся процент в основном приходится на фосфор и серу. Какие общие свойства отличают эти элементы? Во-первых, их очень много: все они, кроме фосфора, входят в десятку самых распространенных во Вселенной. Во-вторых, все эти элементы отличаются малыми размерами атомов. Размер атома определяется радиусом, на котором находятся самые внешние ( валентные ) электроны, и сложно зависит от положения атома в таблице Менделеева. В каждом периоде размер атома уменьшается с повышением атомного номера, потому что заряд ядра растет, и притяжение электронов к ядру усиливается, но при переходе к следующему периоду появляется следующая электронная оболочка, и размер атома увеличивается скачком. C, N, O, P, S занимают правый верхний угол таблицы Менделеева и являются самыми маленькими атомами с валентностью два (O), 3 (N), 4 (C), 5 (P) и 6 (S), а водород – самый маленький атом с валентностью один. В-третьих, все они, кроме водорода, образуют двойные и тройные химические связи. Помимо С, N, O, P и S стабильные двойные связи известны только у хлора, брома, мышьяка и селена. Молекулы с двойными связями очень важны в биологии. Это азотистые основания ( аденин, гуанин, цитозин, урацил ), большинство витаминов, гем, хлорофилл и многие другие. Благодаря длинным системам сопряженных двойных связей биомолекулы могут взаимодействовать с видимым светом, обеспечивая окраску и фотосинтез. Кольцевые системы двойных связей в азотистых основаниях обеспечивают их плоскую форму и стэкинг-взаимодействие между соседними основаниями. Стэкинг-взаимодействие облегчает рост цепи при копировании и повышает устойчивость ДНК к ультрафиолету. Сера и фосфор играют особую роль в биохимии. Их связи с другими атомами менее прочные, чем связи углерода, кислорода и азота, поэтому фосфор и сера незаменимы в нестабильных промежуточных веществах биохимических реакций, для временного хранения энергии и переноса групп атомов с одних молекул на другие. Энергия, запасенная в фосфоэфирных (P-O-P и P-O-C) связях таких веществ, как АТФ, ацетилфосфат и креатинфосфат, используется для сшивания аминокислот в белки, нуклеотидов – в ДНК и других химических реакций. Сера используется для переноса кислотных групп на коферменте А ( ацетил-КоА, сукцинил-КоА и тд ), при этом энергия, запасенная в тиоэфирной связи (C-S-CO), расходуется на создание новых связей С-С. Другой серосодержащий кофермент, S-аденозил-метионин, аналогично переносит метильные (CH3) группы и тоже участвует в создании новых связей С-С. Углерод образует до четырёх прочных связей с другими атомами, и из него легко строятся цепочки и разветвленные молекулы, однако могут ли поддерживаться аналогичные или по крайней мере в чем-то схожие биохимические процессы в случае других химических элементов помимо углерода? Кремний В 1891 году немецкий астрофизик Юлиус Шайнер стал, пожалуй, первым человеком, который высказал предположение о пригодности кремния в качестве основы для жизни. Позже эту идею подхватил британский химик Джеймс Эмерсон Рейнольдс ( 1844-1920 ), который в 1893 году в своем вступительном слове перед Британской ассоциацией содействия развитию науки указал, что термостойкость соединений кремния может позволить жизни существовать при очень высоких температурах. В статье 1894 году, основанной на идеях Рейнольдса, а также Роберта Болла, Герберт Уэллс написал: " Такое предположение поражает фантастическими фантазиями: видения кремниево-алюминиевых организмов – почему бы сразу не создать кремниево-алюминиевых людей? – блуждание в атмосфере газообразной серы, скажем, у берегов моря жидкого железа, температура которого примерно на тысячу градусов выше температуры доменной печи. " Тридцать лет спустя Дж. Б. С. Холдейн предположил, что жизнь может быть найдена глубоко внутри планеты, основанной на частично расплавленных силикатах, возможно, разогреваемых ( поддерживающихся в жидком состоянии ) за счёт окисления железа. На первый взгляд кремний действительно выглядит многообещающей органической альтернативой углероду: он распространен во Вселенной и также является элементом p-блока группы IV, лежащим непосредственно под углеродом в периодической таблице химических элементов, за счёт чего механизмы большинства его химических взаимодействий с другими элементами будет достаточно похожа на ту, что мы можем наблюдать в случае углерода. Например, точно так же, как углерод соединяется с четырьмя атомами водорода с образованием метана, CH, кремний даёт силан, SiH. Силикаты являются аналогами карбонатов, кремний-хлороформа и так далее. Оба элемента образуют длинные цепочки, или полимеры, в которых они чередуются с кислородом. В простейшем случае углеродно-кислородные цепи дают полиацеталь, пластик, используемый в синтетических волокнах, в то время как из основы чередующихся атомов кремния и кислорода образуются полимерные силиконы. Ближайший аналог кремния углеводородам-силаны (SinH2n+2), обладают высокой реакционной способностью в воде и не образуют длинных цепей, а продукт его окисления, диоксид кремния (SiO2), является нерастворимым твердым веществом до температуры более 1600°C, в то время как при земных температурах углекислый газ является газом. Однако, диоксид кремния вообще бы не формировался, если кремниевые формы жизни вдохнули бы в, содержащиеся в восстановительной атмосфере, такие газы как водород (Н2), сероводород (Н2с), окиси углерода (СО) и азота: если на силиконовой основе жизни вообще существует, она будет находиться в атмосфере без кислорода, и, вероятно, восстановительной один. Кремний более электропозитивен по сравнению с C, N, O и H, что создаёт в кремнии некий центр с недостатком электронов и приводит, например, к более сильной поляризации связи по сравнению с аналогичными углеродными связями или к обратной поляризации связи связей C-H и Si–H. В результате этих различий большинство связей, образуемых кремнием с неметаллами, более сильно поляризованы, чем их углеродные аналоги, и, следовательно, более подвержены электрофильной и нуклеофильной атаке. Даже связи, которые считаются очень стабильными, такие как Si−C, обладают более высокой реакционной способностью по сравнению с их углеродными аналогами. Например, четыреххлористый кремний ( содержащий связи Si–Cl ) почти мгновенно гидролизуется в воде, тогда как четыреххлористый углерод ( содержащий аналогичные связи C–Cl ), который также термодинамически неустойчив к гидролизу, стабилен в течение многих лет в присутствии воды. Силаны ( SiH4, Si2H6 и т.д ) стабильны в качестве чистых химических веществ в течение многих лет, но очень чувствительны к воде в присутствии следовых щелочей, в отличие от алканов. Силаны, как разветвленные, так и неразветвленные, и разнообразные циклосиланы ( например, циклогексазилан ) являются широко известными кремниевыми аналогами углеводородов. Полимерные силоксены ( циклосилановые кольца с присоединенными ОН –группами ) не имеют прямого углеродного аналога, но напоминают функционализованные графены. Связанные структуры силоксенового кольца имеют структурное и электронное сходство с порфириновыми единицами гема и хлорофилла. Также известны многие сложные клеточные системы, состоящие из множества соединенных кольцевых систем. Одним из примеров являются силсесквиоксаны, содержащие структуры “ядра”, богатые Si–O-связями, которые могут быть модифицированы другими группами, обеспечивающими точную пространственную ориентацию всей молекулы, что открывает возможность для комплексного регулирования химической доступности структуры ядра. Также химия жизни должна поддерживать химическое функциональное разнообразие. Кремний обеспечивает основу для разнообразных химических функций в сочетании с другими атомами ( кроме углерода ). Несколько примеров включают кремниевые аналоги тиолов ( тиосиланов ), содержащие Si–S-связь, и α–сил-аминокислоты, содержащие Si-N-связь. Также известны динамические, сильно поляризованные кремниевые системы, в которых происходит быстрая обратимая химия. Также кремний может обеспечивать проводимость электронов по силановой цепи Si–Si. Также известны различные химические вещества на основе кремния, которые имеют органические углеродные связи вокруг атома кремния ( то есть где кремний действует как гетероатом, а не элемент каркаса ), хотя многие из них очень быстро реагируют с водой. Примеры таких химических веществ включают соединения цвиттерионного кремния; ряд молекул кремнийорганического кремния с отрицательно заряженными кремниевыми центрами; положительно заряженный кремний ( трехкоординатный кремний ); и пентакоординатные силиконы, некоторые из которых имеют кремний, связанный сразу с пятью различными атомами, которые могут обладать полезными каталитическими свойствами при образовании связей углерод–углерод. Реакции как дисилана ( Si2H6 ), так и этана ( C2H6 ) с кислородом явно экзотермичны, но этан может быть смешан с кислородом при температуре в 200 °C без реакции, тогда как дисилан самопроизвольно сгорает в воздухе при температуре в 0 °C. Кремний может образовывать стабильные ковалентные связи с теми же важнейшими строительными блоками элементов, что и углерод. Он может ковалентно связывать сам себя, углерод, азот, кислород, серу, фосфор и галогены, а также полуметаллы, такие как германий. Кремний также может образовывать ковалентные связи со многими металлами. Помимо универсального связывания со многими другими элементами в наиболее распространенном тетракоординатном состоянии, Si может также образовывать стабильные пента-и гекса - координатные соединения с важнейшими биогенными элементами, такими как азот, углерод или кислород, с общим зарядом молекулы или без него. Более того, координационные числа кремния отличаются от таковых у углерода. Такие различия часто приводят к образованию химических веществ кремния, которые не имеют прямых аналогов углерода, подчеркивая, что потенциальная химическая гибкость кремния ( хотя и достигаемая различными способами ) может быть такой же высокой, как и у углерода. Существует два типа измерения химического разнообразия: структурное и функциональное. Углеводороды демонстрируют ошеломляющее структурное разнообразие, но химически однообразны, так существует только три стабильных соединения NmHn, но они демонстрируют более различающееся химическое поведение, чем все углеводороды. Хотя кремний действительно находится под углеродом в таблице Менделеева и во многом похож на него по свойствам, между ними есть и серьезные различия. Кремний обладает большим атомным радиусом, чем углерод, и поэтому прочность связи Si-Si вдвое меньше, чем связи C–C, а Si-H– меньше, чем C-H. Углерод легко образует двойные связи, в которых расстояние между атомами меньше, чем в обычных. Кремний из-за большего размера атома практически не способен участвовать в двойных связях. В оксиде углерода CO2 углерод связан двойными связями с двумя атомами кислорода, и при обычных условиях СО2 – газ. В оксиде кремния SiO2 каждый атом Si связан одинарными связями с четырьмя атомами кислорода, каждый из которых образует мостик между двумя атомами кремния, поэтому SiO2 образует твердые тугоплавкие кристаллы, например кварц. Многие соединения кремния более химически активны, чем их аналоги с углеродом. Если метан (СН4) не реагирует с водой ни в обычных условиях, ни при сильном нагревании, то силан (SiH4) при комнатной температуре быстро разлагается водой с выделением водорода и кремниевой кислоты: SiH4 + 3H2O → 2H2 + H2SiO3. В подобные реакции вступают и многие другие соединения кремния, где атомы кремния не связаны с кислородом или азотом. Химик сказал бы примерно следующее: «Кремний – элемент третьего периода, поэтому его атом имеет незаполненные 3d-орбитали, которые позволяют ему проявлять электрофильные свойства, легче вступать в реакции с нуклеофилами» и образовывать соединения с пятью или шестью координированными атомами кремния. В частности, легко образуются пента-координированные соединения кремния, что обеспечивает гораздо большее количество путей реакции между тетракоординатными соединениями кремния, чем доступно углероду. Стабильные соединения кремния с пента - и гекса-координатами являются “суперхиральными”. Так что кремний, с одной стороны, образует очень прочные и устойчивые связи с кислородом, которые, в отличие от связей С-С, практически невозможно ослабить, а с другой – большинство других его химических связей неустойчивы в присутствии воды, аммиака и кислот. Поэтому практически в любых известных в космосе условиях кремний находится в виде устойчивых кристаллов оксида кремния и силикатов, иногда – карбидов и нитридов кремния, но не образует тех сложных молекул, которые получены в лаборатории. Углерод же не только на планетах, но и в межзвездных газово-пылевых облаках легко образует разнообразные органические соединения. Наиболее подходящий вариант для образования на основе кремния сложных и стабильные молекул — это объединить последнего с кислородом в альтернативные цепи (...Si-O-Si-O-Si...), создавая силиконы, стабильные даже в присутствии кислорода и воды; при температуре чуть ниже 300-350°C силиконы могут образовывать длинные полимерные структуры, что невозможно в случае углерода, а некоторые комбинации кремния и углерода способны существовать вплоть до 500°C. С другой стороны, Уильям Бейнс утверждает, что кремний может образовывать стабильные и сложные молекулы со многими другими химическими элементами ( углерод, германий, азот, кислород, сера, фосфор, галогены и металлы ) в очень холодных растворителях без водорода, таких как жидкий азот. Поскольку кремний редко образует двойные связи и никогда не образует тройных связей, как углерод, биомолекулам на основе кремния пришлось бы накапливать энергию другим способом, возможно, используя свойства кремния как полупроводника. Возможно, некоторые странные формы жизни могли бы быть построены из силиконоподобных веществ, если бы не его достаточно большой недостаток, в плане его большого родства к кислороду, так когда углерод окисляется в процессе дыхания земного организма, он превращается в газообразный углекислый газ – отходы, которые легко удалить из организма существа. Окисление кремния, однако, даёт твёрдое вещество, потому что сразу после образования диоксид кремния образует молекулярную решетку, в которой каждый атом кремния окружен четырьмя атомами кислорода, а утилизация такого вещества создаст серьезную проблему для органов дыхания. Также живые организмы должны быть способны собирать, накапливать и использовать энергию из окружающей среды, так у большинства форм жизни основанных на углероде, основными химическими соединениями для хранения энергии являются углеводы, в которых атомы углерода связаны одиночными связями в цепь. Углевод окисляется для высвобождения энергии ( а также воды из отходов и двуокиси углерода ) в серии контролируемых стадий с использованием ферментов, которые представляют собой большие, сложные молекулы, которые катализируют специфические реакции из-за их структуры. Особенностью углерода является то, что многие из его соединений могут принимать правую и левую формы, и именно эта направленность, или хиральность ( отсутствие симметрии относительно правой и левой стороны ), что придаёт ферментам их способность распознавать и регулировать огромное разнообразие процессов в организме. Неспособность кремния дать начало многим соединениям, которые проявляют гибкость, затрудняет понимание того, как он может служить основой для многих взаимосвязанных цепочек реакций, необходимых для поддержания жизни ( аналогичные результаты могут быть получены с другими элементами углеродной группы, а именно германием (Ge), оловом (Sn) и свинцом (Pb)). Редкость форм жизни на основе кремния или даже пребиотических химических веществ на основе последних также подтверждается астрономическими данными, так в метеоритах, в кометах, в атмосферах планет гигантов, в межзвёздном пространстве и во внешних слоях холодных звезд были обнаружены молекулы окисленного кремния ( диоксид кремния и силикаты ), но никаких веществ, таких как силаны или силиконы, которые могли бы быть предшественниками биохимии, основанной на кремние. Различия между энергиями связей для углеродсодержащих и кремнийсодержащих химических связей также отражаются различиями в реакционной способности кремния и углеродсодержащих соединений. Прочность связи C–C немного больше, чем у связи C–O, в то время как аналогичная связь Si–O намного прочнее, чем связь Si–Si, хотя точная энергия связи зависит от заместителей на C или Si. В результате этих различий в прочности индивидуальных связей в химии молекул органического углерода преобладает полимеризация C–C ( катенизация, образование длинных цепей ковалентно связанных атомов углерода, например, в углеводородах ). Несмотря на то, что кремний способен образовывать катенированные структуры Si–Si ( например, в силанах ), они гораздо более реакционноспособны, чем их аналоги C–C ( особенно в воде ). Как следствие большей реакционной способности связи Si–Si, наиболее распространенные стабильные полимеры кремния построены из цепей Si–O, поскольку связь Si–O непропорционально прочнее, чем любая другая связь, содержащая Si. Более того, полимеризация кремния часто приводит к образованию сетки цепей Si–O, а не линейных полимеров, как для углерода — напомним, что образование длинных линейных полимеров часто называют абсолютной, общей характеристикой любой биохимии. В результате химия Si в богатых кислородом средах ( например, воде ) в конечном итоге приводит к образованию кремнезема (SiO2)( который является огнеупорным твердым веществом, а не газом, без двойных связей с кислородом, как в его углеродном эквиваленте CO2 ). Полимеризация кремния в водных средах, богатых кислородом, приводит к образованию сетки цепей Si-O, а не линейных полимеров, таких как силаны ( например, n–декасилан (Si10H22)). В результате химия Si в богатых кислородом средах ( например, в воде ) в конечном итоге приводит к образованию кремнезема (SiO2), огнеупорного твёрдого вещества. Как уже можно было заметить как учёными, так и многими фантастами глубже всего проработана концепция внеземной жизни на основе кремния. Однако, как бы странно это ни было, на протяжении большей части литературной истории основанные на кремние пришельцы по неизвестным причинам всегда описывали как некие глиняные статуи или ожившие кристаллы, хотя, с точки зрения науки внешние различия кремневодородных и белковых существ могут быть минимальными, ведь кремний всего лишь должен заместить углерод в органических молекулах. Как отмечалось выше, на самом раннем этапе химической эволюции рассматриваемых нами форм жизни автокаталитическая молекула должна синтезировать свои копии из уже готовых, находящихся в достаточном изобилии в естественной природе, материалов, однако как уже упоминалось выше кремневодороды являются слишком химически неустойчивыми и потому исключительно редкими соединениями, что значительно уменьшает вероятность появления форм жизни основанных только на кремнии ( Si — Si ). Впрочем даже в случае появления чисто " кремниевых " бактерий, последние столкнутся с ещё несколькими, препятсвующими их дальнейшему развитию, проблемами. Так место углекислого газа в её метаболизме должен занять диоксид кремния, вещество, составляющее основную массу коры планет земного типа, но не летучее и лучше всего растворимое в серной кислоте ( не слишком распространённая во вселенной, за исключением планет подобных Венере ). Устойчивость к высоким температурам, в принципе, позволит им плавать в магме, поглощая диоксид кремния в виде расплава ( в жерлах вулканов не составляет редкости и второй необходимый для синтеза компонент – сероводород ). Вот только сами озёра расплавленного камня встречаются нечасто и существуют недолго, а магма в мантии планеты скорее всего окажется слишком горяча ( от 700 до 1300 градусов Цельсия ) даже для чисто кремниевых форм жизни. Теоретически, родным домом для исключительно кремниевых форм жизни могли бы стать близкие к родительской звезде раскалённые миры, рассечённые реками лавы, текущими у подножия чёрных базальтовых скал, а также труднопредставимые на данный момент условия на поверхности силикатных ядер «горячих» планет-гигантов, где расплавленный камень сможет соседствовать с богатой водородом атмосферой. Однако помимо форм жизни основанных исключительно на углероде, мы можем представить себе формы жизни одновременно основанные как на кремнии так и на углероде. Возможность формирования подобной гибридной биохимии Si–C могут включать функциональные группы силанолата –Si–O–C, хотя они также будут гидролитически лабильны. Однослойная связь кремний–углерод представляет собой прочную ковалентную связь, устойчивую к воде и другим растворителям, которая в принципе может быть использована в биохимии в качестве связующего элемента для молекулярных связей. Такое использование кремния было бы аналогично той роли, которую азот играет в основе белков, или той роли, которую фосфор и кислород играют в основе нуклеиновых кислот. Однако включение кремния в качестве основного элемента молекулярных связей должно было бы дать очень значительное эволюционное преимущество, которое компенсировало бы огромные энергетические затраты на мобилизацию большого количества Si. Так в среде, богатой водой, на типичной скалистой планете, где соотношение C/O было бы сильно смещено в сторону O, основная форма кремния будет изолирована в высокоактивных и нерастворимых породах, богатых кремнеземом. Избыточное космическое изобилие элементарного кислорода по сравнению с другими элементами, с которыми кремний может быть стабильно связан, гарантирует, что подавляющее большинство доступного кремния почти исключительно будет связано с кислородом. Аналогично, очень высокое сродство кислорода к кремнию делает маловероятным, что связи между кремнием и другими элементами ( такими как Si–Si или Si–C ) будут чем-то иным, кроме редкой случайности в богатых кислородом средах, поэтому весьма вероятно что в данном случае будет преобладает химия основанная на кремнии и кислороде. Впрочем невероятная стабильность и прочность связи Si–O делает гибридные молекулярные связи Si–C, использующие Si в качестве основного гетероатомного элемента, чрезвычайно дорогостоящими с энергетической точки зрения и, следовательно, очень маловероятными. Однако это не означает, что такие каркасы Si–C для сложной биохимии будут совершенно невозможны. В средах на планетах, где при соотношение C/O будет предпочтительнее C, чем O, или с гораздо меньшим общим содержанием O, основные строительные блоки для гибридной биохимии Si–C могут быть более доступными, однако важно подчеркнуть, что такие условия могут оказаться очень редкими. Бор Бор — это сосед углерода слева в периодической системе и один из немногих элементов, который, по-видимому, предлагает правдоподобную альтернативу углероду в качестве основы для жизни в других частях Вселенной. Его атом имеет три валентных ( образующих химические связи ) электрона, поэтому с кислородом образует три связи ( например, в борной кислоте H3BO3 ). При этом атом бора не может достроить свою внешнюю электронную оболочку до восьми и образует уникальные дополнительные связи, охватывающие сразу три атома. Подобно углероду и кремнию, бор имеет сильную тенденцию образовывать ковалентные молекулярные соединения. Однако, будучи элементом III группы, он имеет на один валентный электрон меньше, чем число валентных орбиталей, что делает его химию заметно отличной от химии на основе углерода. В химии бора нет прямых аналогов углеводородам, потому что, хотя бор образует множество различных структурных разновидностей гидрида, в них атомы бора связаны косвенно через водородные мостики. Бор образует связи с азотом, которые чем-то похожи на связь углерод–углерод - два электрона из азота, которые передаются в дополнение к ковалентному обмену электронами. Соединения бора и азота в значительной степени соответствуют химическим и физическим свойствам алканов ( таких как метан и этан ) и ароматических углеводородов ( таких как бензол ), но с более высокими температурами плавления и кипения. Хотя его простейшие соединения, бораны (BxHy), чрезвычайно реакционноспособны в присутствии кислорода, они были бы более стабильными в восстановительной атмосфере. Комбинация чередующихся бора и азота очень похожа на углерод и может образовывать аналоги углеводородов, таких как этан (C2H6), метан (CH4) и бензол (C6H6). Особенно боразол химически и физически похож на бензол, однако тот факт, что боразол и его производные более реакционноспособны, чем их бензольные аналоги, сделал бы любую биохимию на основе бора более осуществимой при более низких температурах, при которых аммиак является жидким растворителем, поскольку реакции тогда были бы более управляемыми. Интересно, что бор обладает сродством к аммиаку в качестве растворителя, что подходит для низкотемпературной биологической схемы. Одним из самых больших недостатков бора как основы для жизни является его нехватка, так на Земле его содержание в континентальной коре составляет всего около десяти частиц на миллион, так что любая биология, по-видимому, зависит от наличия у них какого-то механизма для обеспечения большей локальной концентрации элемента. Также к сожалению, большинство соединений бора химически очень активны и легко реагируют с водой, образуя борную кислоту, ядра атомов бора менее устойчивы, чем ядра углерода и гелия, и в звездах бор быстро превращается в гелий и углерод. Те скромные количества бора, которые все же есть, образовались в результате ядерных реакций в газово-пылевых облаках под действием космических лучей из-за чего как уже упоминалось выше формы жизни на основе бора вероятно будут крайней редкостью по сравнению с формами жизни на основе углерода. Азот Азот — это один из немногих элементов, которые были предложены в качестве альтернативы углероду в качестве основы жизни в других частях Вселенной. Главным образом это связано с тем, что он может образовывать длинные цепочки при низких температурах с жидким растворителем, таким как аммиак (NH3) или цианистый водород (HCN); помимо этого он всегда имеет тенденцию возвращаться к простой двухатомной форме, но он может быть более стабильным в сочетании с углеродом, фосфором, бором или серой. С другой стороны, основным недостатком азота как основы для крупных молекулярных структур является то, что энергия тройной связи в N2 намного больше, чем у одиночной связи, так что азотно-азотные связи имеют тенденцию возвращаться к элементарному азоту. Однако азот может образовывать более длинные молекулы с некоторыми другими элементами, включая углерод, фосфор, серу и бор. Азот также может образовывать гидриды, такие как гидразин. Примечательно, что очень экзотические сложные молекулы могут быть возможны на основе азота при сверхвысоких давлениях. Так как предсказано в работах Артема Оганова ( профессор Нью-Йоркского университета в Стоуни-Брук и Сколковского института науки и технологий ), при давлениях выше 360 тысяч атмосфер ( 36 ГПа ) азот может образовывать устойчивые разнообразные цепочки, кольца и плоские слои стабильных азотоводородов, таких как длинные одномерные полимерные цепи из звеньев N4H, N3H, N2H и NH, экзотические N9H4, образующие двухмерные листы атомов азота с присоединенными катионами NH4+, а также молекулярные соединения N8H, NH2, N3H7, NH4, NH5. Фактически при давлении порядка 40−60 ГПа азотоводородная химия по своему разнообразию начинает значительно превосходить химию углеводородных соединений при привычных для нас земных условиях, что позволяет надеяться, что химия систем с участием азота, водорода, кислорода и серы также будет более богата по своему разнообразию, чем традиционная органическая химия при обычном давлении. К сожалению, это разнообразие известно только по квантово-механическому моделированию поведения атомов и молекул и проверить эти расчеты экспериментально очень трудно, потому что такие уровни давления достижимы лишь в очень малых объемах на гидравлических прессах с алмазными столами, однако если предположения верны то в природе подобные условия могут существовать в глубинах водно-аммиачно-метановых океанов таких газовых гигантов как Уран и Нептун. Также довольно интересные возможности открывает замена углерода комбинацией азота и фосфора. В этом случае для фотосинтеза растениям вместо воды и углекислоты понадобятся аммиак и фосфин ( соединение фосфора и водорода ), а жизнь на фосфор-азотной основе могла бы процветать в холодных мирах, подобных описанным в романе Пола Андерсена «Завоевать три мира» и рассказе Кира Булычёва «Снегурочка». С точки зрения метаболизма «нитроиды» окажутся «существами навыворот». Земные растения синтезируют горючее — углеводороды, вырабатывая окислитель — кислород. При ледяном же синтезе лишним оказывается водород. Вдыхая это высокоэффективное горючее, нитрозвери должны будут извлекать из растительной пищи окислитель, возвращая растениям азот и фосфор. Фосфор Пускай возможность существования жизни на основе фосфора можно рассматривать как потенциальный биохимический строительный блок, с фосфином (PH3) в качестве совместимого растворителя, основным камнем преткновения является бедное разнообразие фосфора. В лучшем случае кажется, что фосфор может образовывать цепочки с другими элементами, такими как углерод, кремний или азот. Фосфор имеет решающее значение для земной жизни: фосфор и прочие многочисленные фосфаты являются ключевыми частями "основы" двойной спирали ДНК и молекулы переноса энергии АТФ. Как фосфор (P), так и сера (S) способны образовывать длинные линейные цепи, но не разветвленные, и для их стабильности необходима восстановительная атмосфера. Однако содержание фосфора у животных примерно в 17 тысяч больше, чем на Солнце ( и, следовательно, в солнечной туманности ), и на два порядка больше, чем у других основных биогенных элементов, таких как углерод, азот и кислород. Иными словами, жизнь, какой мы ее знаем, нуждается в большом количестве фосфора по сравнению с солнечным изобилием ( и, соответственно, космическим изобилием ), и литосфере Земли удалось сконцентрировать фосфор в гораздо большей степени, чем другие биогенные элементы, что наводит на мысль о возможном узком месте в биотической химии. Фосфор производится только в звёздах средней массы ( более пятнадцати солнечных масс, путём синтеза неона и углерода ), и его присутствие в межзвездных молекулах, по-видимому, весьма чувствительно к химическому составу и хрупкости пылевых зерен мантии. Тогда вполне возможно, что могут существовать планетные системы с низким содержанием фосфора, которые, возможно, менее подходят для биохимии земного типа. Также возможно, что процессы, которые привели к высокой концентрации фосфора на Земле, не являются повсеместными в земных мирах. Кроме того, большая часть фосфора в земной литосфере находится в форме фосфатов ( особенно минералов апатита ), которые не особенно растворимы и требуют дальнейшей переработки, чтобы быть доступными для организмов. Таким образом, содержание фосфора в растворе ( или легкорастворимой форме ) значительно ниже, чем предполагает чистое значение в литосфере. Кроме того, если большая часть начальной пребиотической химии планеты происходит в межзвездном пространстве и околозвездной среде протозвезды, то концентрация животных/солнца может быть лучшим показателем того, в какой степени необходимо собирать фосфор, чтобы в конечном итоге добиться успеха во всей биосфере. Если предположения верны то, в отличие от землеподобных планет, в достаточно богатых фосфором мирах будут иметь широкое распространение фосфорную кислоту, в качестве "переменного газа" вместо водяного пара, так, например, вместо водяного дождя или снега будут выпадать фосфорнокислые дожди или снег. Средняя температура на планетах этого типа составляла бы около 170 градусов по Цельсию, а их атмосфера скорее всего должна была бы состоять из триоксида фосфора (P4o6) с переменным количеством паров фосфорной кислоты (H3PO4) и следовыми количествами трихлорида фосфора (PCl 3), фосфина (PH3), углекислого газа (CO2) и других газов. Местные же аналоги фотосинтезирующих растений скорее всего должны были бы использовать фосфорную кислоту (H3 PO4) и фосфин (PH 3) объединяя их с углекислым газом (CO2) с образованием трифенилфосфата (OP(OC2 H5)3), триоксида фосфора (P4o 6) и кислорода (O2), используя приведенное ниже сбалансированное уравнение: H3PO4 + 4 PH3 + 6 CO2 + энергия → OP(OC2H5)3 + P4O6 + 3 O2. В то время как местные гетеротрофы или животные должны были бы использовать фосфорную кислоту в качестве растворителя и употреблять в пищу продукты, богатые фосфорорганическими соединениями. Скорее всего подобно земным животным, они должны были бы также вдыхать из атмосферы кислород и выдыхать углекислый газ, а основным биогеохимическим циклом, по сравнению с углеродным циклом, на фосфорных планетах должен был бы являться фосфорный цикл. ========================= Мышьяк Некоторые морские водоросли и беспозвоночные включают мышьяк в комплекс органических молекул, таких как арсеносахара ( «arsenosugars» — углеводы с присоединёнными к ним соединениями мышьяка ), арсенобетаины,арсенохолин, и соли тетраметиларсония. Грибы и бактерии могут производить летучие метилированные соединения, включающие в свой состав мышьяк. Мышьяколипиды или арсенолипиды используемые вместо фосфолипидов, также были обнаружены в низких концентрациях во многих морских организмах. Их зачастую накапливают водоросли в тропических регионах, где в воде недостаточно фосфора — их роль пока что мало изучена. Некоторые бактерии используют арсенат, окисленную форму мышьяка, для своей жизнедеятельности. Также, некоторые прокариоты используют арсенат как конечный получатель электрона при брожении (( As V+ → As III+), то есть превращая арсенаты в арсениты ), а некоторые могут использовать арсенат как донор электрона для генерирования энергии. Единственная бактерия, способная использовать арсенат как конечный акцептор ( вещество, принимающее электроны и водород от окисляемых соединений и передающее их другим веществам ) электронов в ходе так называемого «арсенатного дыхания» — облигатно анаэробный хемолитоавтотрофный микроорганизм ( рода Chrysiogenes ) Chrysiogenes arsenatis. ============================ Полиоксометалы Жизнь на основе полиоксометалатов - это гипотетическая жизнь, химическими строительными блоками которой являются полиоксометалаты – ионы, состоящие из нескольких различных анионов переходных металлов, связанных вместе атомами кислорода и, возможно, также содержащих другие атомы, такие как фосфор или кремний. Возможность жизни на основе полиоксометалата была экспериментально исследована Ли Кронином из Университета Глазго. При смешивании полиоксометалатов в растворе Кронин наблюдал, как химические вещества самособираются в миниатюрные пузырьки, которые он назвал неорганическими химическими ячейками, или ичеллами. Изменяя основу пузырьков из оксида металла, пузырькам можно придать некоторые характеристики мембран естественных клеток. Например, оксид с отверстием в качестве части своей структуры становится пористой мембраной, избирательно пропускающей химические вещества в клетку и из нее в зависимости от размера, точно так же, как стенки биологических клеток. Команда Кронина также создала пузырьки внутри пузырьков, создав отсеки, имитирующие внутреннюю структуру живых клеток. Ичеллам также можно придать нечто похожее на фотосинтетический аппарат, связав некоторые молекулы оксида со светочувствительными красителями. Менее убедительными заменителями углерода могут быть оксиды металлов на основе магния (Mg), алюминия (Al), железа (Fe) или титана (Ti), которые могут образовывать стабильные нанотрубки и алмазоподобные кристаллы при высоких температурах. Однако в любом случае вероятно самым большим препятствием, с которым столкнется любая потенциальная жизнь, основанная на полиоксометалатах, будет приобретение способности к репликации с использованием молекул, хранящих информацию, таких как ДНК из-за чего их вполне можно было бы считать одним из самых редких форм жизни. Так в периодической таблице химических элементов Дмитрия Менделеева под углеродом и кремнием находится германий, который способен образовывать полимеры, известные как полигерманы используемые в качестве полупроводников. Также существуют полимеры, известные как полистаннаны, образующиеся из олова, и алюминиево-кислородно-кремниевые полимеры, или геополимеры, используемые в качестве цемента. Последний достаточно распространенный в природе химический элемент ниже углерода – свинец является плохим кандидатом в качестве биохимической основы из-за слабых химических связей последних, однако он может быть включен вторичным способом. Возможным компонентом могут быть полиоксометалаты, которые, как было замечено, образуют пористые пузырьки оксида металла, которые могут действовать так же, как и биологические клетки. Как не трудно догадаться металлическая биохимия может существовать только при очень высоких температурах, слишком агрессивных и опасных для привычных нам форм жизни. Метаболизм подобных форм жизни может основываться на простых металлических соединениях, как это обстоит в случае некоторых земных микроорганизмов, или использовать некоторые неметаллы, такие как кислород или водород. К сожалению, металлы не так хорошо подходят в качестве биохимической основы как углерод, но для различных функций можно использовать несколько элементов, для которых существуют множество вариантов, так они могли бы расширить эти возможности, используя металлоорганические комплексы или включив кремниевые полимеры, аналогичные тем что вы могли бы видеть в случае форм жизни на основе кремния. О том же как могли бы выглядеть подобные существа достаточно трудно сказать, однако учитывая некоторые особенности этих организмов мы могли бы сделать определённые предложения, так скорее всего подобные организмы должны были бы процветать в горячих, вулканически или сейсмически активные планеты или луны вроде Ио, первого галилеевого спутника Юпитера. Сами же тела этих существ вероятно должны были бы состоять из сложных переплетенных кремнистых минералов, таких как кальсилит и мелилит, вместе с многочисленными примесями, такими как германий, селен и других редкоземельных элементов. Внутри любого отдельного организма, вероятно, должно было бы находится мелкозернистое ядро переплетенных минералов, по-видимому, связанных с образованием вихревых кристаллов, но с последовательной асимметричной организацией, которая узнаваемо похожа у одного индивидуума на другого. Сами организмы вероятно должны были бы вести в основном сидячий образ жизни, подобный анемонам, иногда медленно двигаясь к источнику измельченных минералов или чтобы избежать поглощения более крупной особью. Они могли бы использовать жёсткие смолы и каучуки на основе металлов, смешанных с кислородом, углеродом или кремнием, в качестве одних из строительных материалов для организмов, некоторые из которых могут быть довольно мягкими, а внутренности влажными от неорганических масел. Они могли бы быть украшены в достаточно экстравагантные краски из тяжёлых металлов, таких как оксид свинца, вероятно передавши бы им малиновый окрас. Разложение биоматериалов на основе металлов было бы таким же беспорядочным, как и его органический аналог, с выщелачиванием растворимых оксидов и тяжелых металлов, выделением легковоспламеняющихся газов гидридов металлов, таких как герман и станнан, и даже образованием блеска элементарного металла по мере распада простых соединений металлов. Наследственная информация должна была бы организованной системе из германия и селена, интеркалированных в крошечные, хранящие закодированную информацию, плоские минералы-бляшки, в то время как реакция на окружающую среду должна была бы передаваться медленными колебательными реакциями в стекловидных цеолитах, регулируемыми катионными включениями, действующими как посредники между ядром и поверхностью организма. Колебательные реакции заставляют крошечные вращающиеся клетки образовываться в полупроницаемой цеолитовой оболочке, позволяя двигаться к раздражителям или от них. Поглощение же питательных веществ или необходимых для роста строительных материалов должно было бы происходить примерно таким же способом что и в случае ведущих сидячий образ жизни животных, который затем должен был бы проверяться множеством подкожных минеральных микрозерен реагентов. Полученная же энергия должна была бы накапливаться во вращающихся ячейках и в реакциях эндотермической кристаллизации. Разложение биоматериалов на основе металлов было бы таким же беспорядочным, как и его органический аналог, с выщелачиванием растворимых оксидов и тяжелых металлов, выделением легковоспламеняющихся газов гидридов металлов, таких как герман и станнан, и даже образованием блеска элементарного металла по мере распада простых соединений металлов.