Журнал далеко идущего

Растворители Как вы могли заметить, полноценной альтернативы углероду, кислороду и азоту лишённой тех или иных недостатков не существует, практически всегда требуя более специфических условий и являясь значительно менее распространенными и редкими во Вселенной чем формы жизни на основе углерода. Однако помимо химических элементов на которых может быть основана биохимия, также стоит учитывать и распространенные в данных условиях растворители. Химическая стабильность и реакционная способность являются вторым общим требованием к существованию любой химической жизни. Должен существовать баланс между стабильностью биохимических веществ и реакционной способностью их растворителя. Биохимические вещества должны быть устойчивы к реакции как с растворителем, так и друг с другом в течение любого периода времени, необходимого для их биологической функции. Так, например, сахара не могут быть компонентом биохимии, в которой в качестве растворителя используется концентрированная серная кислота, поскольку сахара обезвоживаются до аморфного углерода менее чем за минуту, однако биохимические вещества должны быть в какой-то степени реакционноспособными в своем растворителе, чтобы иметь возможность выполнять свои необходимые биологические функции. Апротонные растворители ( те, которые не могут отдавать протоны ), как правило, менее реакционноспособны, чем вода, аммиак и серная кислота. Кроме того, реакционная способность сильно снижается при низких температурах, поэтому практически любая химия будет стабильна в жидком метане или жидком азоте, поэтому мы ожидаем, что очень стабильные химические вещества не будут компонентами жизни в холодных апротонных растворителях, поскольку они будут недостаточно реакционноспособны ( таким образом, стабильность и реакционная способность зависят как от растворителя, так и от самой химии ). Так находящееся в жидком агрегатном состоянии или фазе вещество облегчает химические реакции, что эмпирически было известно на протяжении многих веков. Как растворитель, жидкость позволяет растворенным реагентам сталкиваться друг с другом со скоростью, которая выше, чем скорость взаимодействия между частицами в твердом теле. В то же время растворитель обеспечивает среду, которая обладает некоторой степенью постоянства по отношению к спектру возможных сред. Например, в воде температура должна находиться в диапазоне от 273 до 373 К при типичных давлениях, а диэлектрическая проницаемость и другие физические параметры, влияющие на скорость реакции, также находятся в определенных диапазонах. Конечно, химические реакции могут протекать как в газовой так и в твердой фазах, но уокаждая из этих фаз имеет недостатки по сравнению с жидкой фазой. Вероятно, можно с уверенностью сказать, что жизни понадобится жидкость для переноса ионов и молекул по всему телу. Для земной жизни эта жидкость ( называемая растворителем ) всегда является водой, однако единственное действительно уникальное свойство воды – меньшая плотность льда по сравнению с жидкой водой. Хотя поверхностный лёд изолирует водоем с жидкой водой внизу от потери тепла, он также имеет более высокое альбедо, чем жидкая вода. Когда водяной лёд плавает, он отражает больше солнечного света, что приводит к большему охлаждению, большему количеству льда на поверхности и, как следствие, более высокому альбедо и ещё большему охлаждению. Таким образом, тот факт, что водяной лёд плавает, заставляет воду усиливать, а не гасить возмущения в потоке энергии, поступающем на планету. Благодаря этому водоемы зимой замерзают с поверхности, и потом слой льда замедляет потерю тепла и предотвращает полное промерзание. В озерах из других жидкостей при охлаждении твердое вещество будет тонуть, и полное промерзание наступит быстро. С точки зрения обитателей озера эта особенность воды очень полезна, но для биосферы в целом, наоборот, такое поведение воды вредно. Другим примером является то, что внимание к атмосферному давлению на уровне моря земли может повлиять на взгляды исследователей на диапазон температур, при которых вода является жидкостью. На поверхности Марса жидкая вода существовать не может, разве что временно, потому что давление слишком низкое, и водяной лёд сублимируется непосредственно в водяной пар, не проходя через промежуточную жидкую фазу. Кроме того, в большинстве диапазонов давления формамид имеет больший температурный диапазон при которой он остаётся в жидком агрегатном состоянии ( от 255 до 480 К ), чем вода, а также является отличным растворителем для полярных материалов. Хотя диапазон температур, в котором вода является жидкостью, велик по шкале Кельвина, важно не привязываться к линейному виду шкалы Цельсия. Диапазон температур от 1 до 2 К гораздо более значителен, чем от 273 до 274 К, как в дробном выражении, так и с точки зрения того, как происходят физические процессы в этом диапазоне. Хотя аммиак является жидким при более низких температурах, чем вода, диапазон температур, в котором аммиак является жидким для соответствующих поверхностных давлений планеты, больше, чем для воды. Что примечательно вода действительно имеет ряд преимуществ в плане возможности поддержания жизни перед другими возможными растворителями: Вода имеет большой диапазон ликвидности, что означает, что её можно найти в жидкой форме в самых разных условиях ( но фтористый водород и муравьиная кислота имеют аналогичный диапазон ликвидности, а этанол и серная кислота еще шире ) . Вода чрезвычайно распространена во Вселенной: на самом деле это самое распространенное химическое соединение ( но уже известно, что серная кислота, метан и азот существуют в больших количествах в других мирах ). Лёд менее плотный, чем жидкая вода, что позволяет льду плавать и изолировать воду внизу, предотвращая замерзание целого океана. Вода является полярным растворителем: это позволяет ей переносить растворенные соли. Кроме того, он может растворять белки, сахара, ДНК и кислород ( но то же самое верно и для других растворителей, таких как аммиак и формамид ). Вода прозрачна для видимого света, что позволяет развивать подводную фотосинтетическую экологию. Вода обладает высокой удельной теплоемкостью и теплотой испарения, что позволяет ей поглощать большое количество тепла, регулируя тем самым перепады температур. Вода амфотерна: она может работать как в качестве кислоты, так и в качестве основания и, следовательно, способна участвовать в большом спектре реакций в качестве растворителя, реагента или продукта. Помимо обилия, хороший растворитель должен, по крайней мере, иметь широкий диапазон ликвидности и растворять множество различных соединений, и предпочтительно он должен обладать высокой теплотой плавления и испарения ( что сделало бы его более стабильным при изменении температуры ), высокой диэлектрической проницаемостью ( что делает его хорошим изолятором ) и низкой вязкостью ( так что он оказывает небольшое сопротивление движению ). Скорее всего, это будет талассоген, то есть вещество, которое образует океаны планеты. Несмотря на очевидное соответствие между метаболизмом землян и водой, вода не кажется бесспорно предпочтительной в качестве биорастворителя. Например, хотя большая часть метаболизма землян использует молекулы C=O, электрофильность углерода, дважды связанного с азотом (C=N), одинаково удовлетворительна для поддержки реакций образования углерод-углеродных связей. Тем не менее, за исключением ароматических гетероциклов, таких как пурины, C=N вряд ли используется в биохимии земли, поскольку большинство других соединений, содержащих C=N единиц, самопроизвольно гидролизуются в воде с образованием соответствующего соединения C=O и соответствующего N-содержащего побочного продукта. Но если бы матрицей для жизни был растворитель, отличный от воды, и если бы этот растворитель допускал C=N единиц, разве жизнь не смогла бы эволюционировать в этом растворителе, чтобы использовать C=N единиц так же эффективно, как земная жизнь сегодня использует C=O единиц? Способность воды образовывать прочные водородные связи нарушает водородные связи, полезные для супрамолекулярных структур. Вода не поддерживает сворачивание белка, потому что она разрушает водородные связи, которые стабилизируют складку. Действительно, изучение химической литературы в поисках примеров работ по самоорганизующимся молекулам показывает, что химики, сознательно пытающиеся достичь такого результата, редко используют воду именно потому, что она нарушает нековалентные направленные связи, такие как водородные связи. Аналогичная ситуация наблюдается и с генетическими молекулами. Двойная спираль ДНК соединена водородными связями, которые в воде едва стабильны, потому что вода дает возможность одной нити ДНК образовывать водородные связи не с ее дополнительной нитью, а с самой водой. Но ДНК, поскольку в ее основе лежит повторяющийся заряд, вряд ли будет хорошо работать в неводных растворителях. Это означает, что генетическая молекула в неводных растворителях не была бы ДНК или не была бы полиэлектролитом. И наоборот, если принять понятие повторяющихся зарядов как универсальное в генетических молекулах, то, возможно, придется сделать вывод, что для жизни необходим несколько полярный растворитель ( например, вода ). Тем не менее, некоторым особенностям метаболизма землян может помочь биосольвент, свойства которого отличаются от свойств воды. Например, нестабильность C=N в воде ограничивает структуру метаболитов в воде. Соединение HN=C=NH, аналог O=C=O ( диоксид углерода ), немедленно гидролизуется в воде с образованием мочевины ( H2NCO-NH2 ), термодинамическая нестабильность которой в отношении гидролиза в воде приводит к образованию диоксида углерода и аммиака. Таким образом, вода в качестве растворителя требует, чтобы доминирующей формой углерода в состоянии окисления +4 был диоксид углерода. Вода и углекислый газ, однако, являются проблематичной парой, по крайней мере, при атмосферном давлении на уровне земного моря. Углерод двуокиси углерода является хорошим электрофильным центром. Но сам диоксид углерода плохо растворим в воде ( 0,88 в/в при 293 К и давлении в одну атмосферу ) и растворяется при рН 7 в основном в форме аниона бикарбоната. Бикарбонат, однако, имеет свой электрофильный центр, защищенный анионной карбоксилатной группой, и поэтому по своей природе неактивен как электрофил. Таким образом, метаболизм углекислого газа оказывается в затруднительном положении. Реактивная форма нерастворима; растворимая форма неактивна. Земной метаболизм усердно работал, чтобы справиться с этой головоломкой. Реакционная способность витамина биотина обсуждалась в этом контексте почти три десятилетия назад. Однако биотин является метаболически дорогостоящим и не может быть использован для управления углекислым газом и его проблемной реакционной способностью в больших количествах. Хотя фермент рибулозобисфосфаткарбоксилаза пытается справиться с проблемой без биотина, проблемная реакционная способность диоксида углерода конкурирует с проблемной реакционной способностью диоксигена. Даже в высокоразвитых растениях значительная часть субстрата, предназначенного для улавливания углекислого газа, разрушается в результате реакции с диоксидом. За почти миллиард лет земная жизнь не нашла убедительного решения этой проблемы, которая может быть универсальной. Действительно, если мы действительно столкнемся с внеземной углеродной жизнью, которая живет в воде, будет интересно посмотреть, как она справилась с неблагоприятными свойствами углекислого газа. Полярные растворители Полярные растворители состоят из молекул, которые имеют несколько различный электрический заряд на разных атомах: например, кислород в молекуле воды немного более отрицателен, чем атомы водорода. Такие растворители способны растворять полярные молекулы и ионные соединения, но не неполярные молекулы, такие как углеводороды. Наиболее вероятной альтернативой воде является аммиак (NH3), особенно при низких температурах, когда вода переходит в твердое агрегатное состояние ( лёд ). Так ещё в 1954 году Дж. Б. С. Холдейн, выступая на симпозиуме по происхождению жизни, предположил, что можно было бы разработать альтернативную биохимию, в которой вода была бы заменена в качестве растворителя жидким аммиаком. Часть его рассуждений была основана на наблюдении, что вода имеет ряд аналогов аммиака, так, например, аммиачным аналогом метанола, CH3OH, является метиламин, CH3NH2. Холдейн предположил, что возможно создать аналоги сложных веществ на основе аммиака, такие как белки и нуклеиновые кислоты, а затем использовать тот факт, что целый класс органических соединений, пептидов, может существовать без изменений в системе аммиака. Молекулы амидов, которые заменяют нормальные аминокислоты, могли бы затем подвергнуться конденсации с образованием полипептидов, которые были бы почти идентичны по форме тем, которые встречаются в земных формах жизни. Эта гипотеза, которая была развита далее британским астрономом В. Акселем Фирсоффом, представляет особый интерес при рассмотрении возможности биологической эволюции на богатых аммиаком планетах, таких как газовые гиганты и их спутники. С положительной стороны, жидкий аммиак действительно имеет некоторые поразительные химические сходства с водой, так существует целая система органической и неорганической химии, которая происходит в аммонийном, а не водном растворе. Аммиак обладает дополнительным преимуществом растворения большинства органических веществ так же хорошо или лучше, чем вода, и обладает беспрецедентной способностью растворять многие элементарные металлы, включая натрий, магний и алюминий, непосредственно в растворе; кроме того, некоторые другие элементы, такие как йод, сера, селен и фосфор также несколько растворимы в аммиаке с минимальной реакцией. Это не такой хороший изолятор, как вода, и его легче кипятить, но также труднее замораживать ( поэтому он обладает высокой температурой плавления ), и он гораздо менее вязкий. Спирты, сахара, жирные кислоты и аминокислоты могут быть легко растворены в аммиаке, особенно при замене их-ОН-групп на-NH2. Например, аналогом спиртового этанола (C2H5OH) будет C2H5NH2. Также возможно воспроизвести химию кислот и оснований воды: NH4+ заменит H3o+ как ( более слабую ) кислоту, а NH2- заменит OH- как ( более сильное ) основание. В метаболизме на основе аммиака энергия будет храниться в двойных связях C=N. Каждый из этих элементов важен для химии жизни и путей пребиотического синтеза. Часто выдвигается возражение, что диапазон ликвидности жидкого аммиака – 44°C ( от -78°C до -33°C ), при давлении в одну атмосферу – будет довольно низок. Но, как и в случае с водой, повышение давления на поверхности планеты расширяет диапазон ликвидности. Например, при давлении в 60 атмосфер, что ниже давления, доступного на Юпитере или Венере, аммиак кипит при температуре в 98°C вместо -33°C, обеспечивая диапазон ликвидности в 175°C, а значит жизнь на основе аммиака не обязательно должна быть жизнью при низких температурах! Аммиак имеет диэлектрическую проницаемость примерно на одну четверть от воды, что делает его гораздо более плохим изолятором. С другой стороны, теплота плавления аммиака выше, поэтому его относительно труднее заморозить при температуре плавления. Подобно тому, как вода диссоциирует на ионы гидрония (H3o+) и гидроксила (OH-), аммиак диссоциирует на ионы аммония (NH4+) и амида (NH2-) с константой диссоциации около K=10−30K=10‐³⁰. Удельная теплоемкость содержание аммиака немного больше, чем в воде, и оно гораздо менее вязкое ( оно более свободно течёт ). Кислотно-щелочная химия жидкого аммиака была тщательно изучена, и она оказалась почти такой же богатой деталями, как и химия водной системы. Во многих отношениях, как растворитель для жизни, аммиак едва ли уступает воде. В системе аммиака могут быть созданы убедительные аналоги макромолекул земной жизни. Однако на основе аммиака биохимия вполне может развиваться в совершенно ином направлении. Вероятно, существует столько же различных возможностей в углерод-аммиак, как в системах углерод-вода. Жизненно важный растворитель живого организма должен быть способен диссоциировать на анионы ( отрицательные ионы ) и катионы ( положительные ионы ), что позволяет протекать кислотно-щелочным реакциям. В системе растворителя аммиака кислоты и основания отличаются от системы воды ( кислотность и основность определяются относительно среды, в которой они растворены ). В аммиачной системе вода, которая вступает в реакцию с жидким аммиаком с образованием NH+ ион, по – видимому, является сильной кислотой- совершенно враждебной жизни. Астрономы, наблюдающие за жизнью Аммония на нашей планете, несомненно, рассматривали бы океаны Земли как нечто большее, чем чаны с горячей кислотой. Вода и аммиак химически не идентичны: они просто аналогичны. Обязательно будет много различий в биохимических особенностях. Молтон предположил, например, что формы жизни на основе аммиака могут использовать цезий и рубидий хлориды для регулирования электрического потенциала клеточных мембран. Эти соли более растворимы в жидком аммиаке, чем соли калия или натрия, используемые земной жизнью. С другой стороны, существуют проблемы с понятием аммиака как основы жизни. Они сосредоточены главным образом на том факте, что теплота испарения аммиака составляет лишь половину теплоты испарения воды, а ее поверхностное натяжение-лишь треть. Следовательно, водородные связи, существующие между молекулами аммиака, намного слабее, чем в воде, так что аммиак будет менее способен концентрировать неполярныемолекулы благодаря гидрофобному эффекту. При отсутствии этой способности возникают вопросы о том, насколько хорошо аммиак может удерживать пребиотические молекулы вместе достаточно хорошо, чтобы позволить сформировать самовоспроизводящуюся систему. Скорее всего из-за сложных взаимодействий между геотермальным нагревом, солнечной инсоляцией и эксцентриситетом орбиты, поддерживающей водно-аммиачные моря и океаны планеты количество находящейся в жидком или твёрдом агрегатном состоянии воды вероятно будет значительно различаться, что скорее всего будет проводить к медленному изменению окружающей среды и биохимии в зависимости от температуры. В некоторых случаях большая часть воды замерзает, и образуются слоистые моря органического рассола, в других случаях вся гидросфера становится жидкой, и концентрации падают. Скорее всего жизнь на планетах этого типа никогда не развивали бы клеточную мембрану, как в большинстве других миров, и вместо этого основывалась на гелях и сетях макромолекул. Местные аналоги ( альтернативы ) привычных в нашем понимание клеток вероятнее всего представляли бы из себя фрактально разветвляющиеся шары "белков" ( вместо аминокислот в этой биохимии используются различные жирные кислоты ), где различные активные группы контролируют, какие вещества входят в структуру и выходят из нее. Изменения концентрации соли или питательных веществ или даже замерзание редко вредят таким сетям; большинство форм жизни в этом мире могут долгое время оставаться замороженными. С другой стороны, эта форма жизни имели бы очень медленную биохимию по сравнению с большинством других, привычных нам форм жизни на водной основе. Также воду можно заменить жидкой углекислотой, так при обычном давлении она не существует ( сухой лед сразу переходит в газ, минуя жидкую стадию ), но при повышении давления становится жидкостью. При давлении в 70 атмосфер СО2 остается жидким в диапазоне температур от –50 до +31 °C, а при более высоких температурах и уровнях давления переходит в сверхкритическое состояние. Сверхкритическое состояние вещества наступает при температуре и давлении выше критической точки ( для СO2 это 31 °C и 74 атмосферы, для воды – 374 °C и 218 атмосфер ), оно сочетает плотность жидкости и подвижность газа и растворяет разные вещества гораздо активнее, чем обычная жидкость. Жидкая углекислота растворяет многие вещества не хуже воды и более того, она во многом совместима с существующей биохимией. Например, липазы и ряд других ферментов в сверхкритическом СО2 работают даже активнее, чем в водной среде, и в биотехнологии это свойство уже нашло применение. Хотя сверхкритический СО2 используется для мягкой стерилизации пищевых продуктов, его антибактериальное действие связано только с растворением клеточных мембран. Ни белки, ни нуклеиновые кислоты в СО2 не страдают. Известны штаммы плесени и бактерий ( например, Pseudomonas putida ), которые благодаря особому составу липидов устойчивы к некоторым органическим растворителям и сохраняют жизнеспособность и в сверхкритическом СО2. Как оказалось, существуют природные микробные сообщества, приспособленные к жизни в жидкой углекислоте, так на дне Окинавского желоба ( Восточно-Китайское море ) были найдены гидротермальные поля, на которых из недр на поверхность дна выходит жидкий СО2. Японские океанологи, исследуя этот район, обнаружили на поле Йонагуни Кнолл IV на глубине 1380 мм целое озеро жидкого СО2, скрытого в толще осадков на морском дне. Диаметр озера достигает 200 метров, толщина слоя жидкого СО2 – около 30 см, температура – от +3 до +10 °C. В пропитанных СО2 неконсолидированных глинистых осадках над озером обитает разнообразное микробное сообщество с численностью до одного миллиарда клеток на 1 см³, которое питается, окисляя идущий снизу метан и сероводород. В толще углекислотного озера есть те же самые микробы, но их численность меньше. Так что среда жидкого СО2 вполне совместима с жизнью, и она может иметь много общего с привычной нам жизнью в водной среде. Если на Земле жидкий СО2 встречается в отдельных местах на глубине, то на более массивной планете ( «суперземля» ), получающей меньше солнечного тепла, возможны океаны жидкого СО2 с небольшой примесью воды на поверхности. Жизнь на такой планете может использовать белки и нуклеиновые кислоты, похожие на земные, но иметь совершенно другие материалы клеточных мембран. Ещё один возможный альтернативный растворитель – формамид (NH2CHO), полученный в результате реакции цианистого водорода с водой, является таким же хорошим растворителем, как и вода ( в частности, он может растворять аминокислоты, белки и нуклеиновые кислоты ), но не столь реакционноспособен. Этот органический растворитель достаточно безопасен для живых клеток, даже используемый в смесях для криоконсервации тканей и клеток, так как защищает их мембраны от разрыва ледяными кристаллами. Формамид легко образуется при взаимодействии синильной кислоты с водой. Он остается жидким при температурах от +3 до +220 °C, и по удельной теплоте испарения сравним с водой. Формамид растворяет большинство веществ, растворимых в воде, поэтому мы вполне можно себе представить планету, на которой формамид образует не только маленькие лужицы, но и озера, и моря. Жизнь в такой среде может иметь те же азотистые основания, что и у нас, но, скорее всего, другой набор аминокислот и другие клеточные мембраны. Серная кислота (H2O4) является ещё одним вероятным растворителем, который может поддерживать различные химические реакции. Она имеет очень широкий температурный диапазон ( от 10 до 338°C ) и в большом количестве присутствует в нижних слоях облаков в атмосфере Венеры. H2SO4 работает кислота, а HSO4 — как основание; баланс сильно склонен в пользу кислоты, но даже на Земле известно, что экстремофильные организмы не только способны, но и благополучно выживают в чрезвычайно кислых условиях ( в этом случае двойная связь C=C была бы лучшим способом хранения энергии ). Ранее некоторыми исследователями высказывались предположения что серная кислота могла бы являться достаточно распространенным ( по сравнению со многими другими за исключением разве что воды и ряда неполярных растворителей ) растворителем на поверхности или если быть точнее в атмосфере венероподобных планет. Так некоторые кремнийсодержащие полимеры обладают высокой устойчивостью к серной кислоте ( например, полимеры, в которых атомы кремния и углерода чередуются в основной цепи, а не чередование силиконов кремний-кислород, остаются стабильными при температуре в 90 °C ). Ранее описанные химические особенности кремния позволяют обеспечивать необходимую биологическую функциональность использующих в качестве растворителя серную кислоту организмов, которую в противном случае было бы достаточно трудно добиться при использовании химических соединений на основе углерода, ведь кремний обладает специфическими потенциальными преимуществами в качестве гетероатома для соединений в растворителе серной кислоты. Добавление кремния в репертуар структур, устойчивых в серной кислоте, оказывает большее положительное влияние на имеющееся структурное и функциональное химическое разнообразие, чем в воде. Этот больший объем стабильных функциональных групп кремния может привести к большему эволюционному преимуществу для жизни на основе серной кислоты ( по сравнению с земной жизнью на водной основе ) в использовании химии кремния. Мало того, что размер доступного химического пространства кремния в серной кислоте больше, чем в воде, но чрезмерное представительство стабильных функциональных групп кремния может компенсировать меньшее количество функциональных групп на основе углерода, которые стабильны в агрессивных условиях концентрированной серной кислоты. Силаны ( молекулы кремния, содержащие связи Si–Si ) могут исключительно обеспечивать другую потенциально полезную биологическую функциональность для гипотетической формы жизни на основе серной кислоты. Цепи Si–Si, многие из которых, как известно, стабильны в концентрированной серной кислоте, имеют степень орбитального перекрытия σ, что позволяет проводить электроны по каркасу молекулы. Такая проводимость электронов аналогична сопряженным алкеновым системам в биохимии земной жизни. Конъюгированные алкены, такие как изопрен, очень быстро атакуются в концентрированной серной кислоте ( H2SO4 ), и поэтому, в принципе, длинноцепочечные силаны в серной кислоте могли бы заменить биохимические функции, выполняемые сопряженными диенами в земной химии. Цианистый водород (HCN), обладающий широким диапазоном ликвидности, низкой вязкостью, высокой диэлектрической проницаемостью и удельной теплоемкостью, но также склонностью к полимеризации, которая может препятствовать биохимическим процессам; Фтористый водород (HF), который имеет тот же диапазон ликвидности, что и вода, и растворяет полярные молекулы, как и вода. Парафиновые воски стабильны в среде HF, и содержащийся в них фтор можно вдыхать в качестве окислителя. Неполярные растворители Неполярные растворители либо состоят из молекул, в которых все атомы имеют одинаковый заряд, например азот, либо атомы расположены таким образом, что как положительный, так и отрицательный заряды расположены в одной и той же точке, например, метан. Эти растворители не могут растворять белки или другие полярные молекулы, как это делает вода, поэтому биохимия в неполярном растворителе будет радикально отличаться от нашей. Жидкие углеводороды, такие как метан (CH4) и этан (C2h6), которые, как уже известно, присутствуют на поверхности Титана, не имеют полярности, поэтому они не могут растворять белки; более того, они могут переносить неполярные полимеры, такие как полилипиды. Будучи менее реакционноспособными и имеющими более слабые водородные связи, они позволили бы углеводородной жизни использовать собственные водородные связи, особенно в биохимии при низких температурах. Формы жизни, живущие в углеводородных озерах, могли бы получать энергию, заставляя этилен (C2h4) и ацетилен (C2h2) вступать в реакцию с водородом, превращая их в метан. В последнем случае наиболее важная проблема заключается в том, что две большие категории молекул, заряженные молекулы и полярные молекулы, не растворяются в углеводородах. К сожалению, это включает в себя белки, нуклеиновые кислоты и другие жизненно важные молекулы, однако липиды, такие как масла и жиры, растворяются в углеводородном растворителе, поэтому нам понадобится большое количество метана, чтобы скопировать траты. Любая жизнь в углеводородном растворителе может быть создана из гигантских липидов, или она может связывать липиды с другими молекулами, чтобы увеличить их растворимость. Липиды в наших клеточных мембранах, однако, не могли бы работать так, как они работают сейчас, что зависит от головы, которая притягивается к воде, и хвоста, который отталкивается водой, образуя бислои с хвостами спина к спине. Без воды или полярного растворителя, который работает аналогичным образом, это не сработало бы и нуждалось бы в определённой адаптации. Так многие реакции не могли бы легко работать в углеводородном растворителе, такие как кислотно-щелочные реакции и такие реакции как дыхание, которые зависят от потока катионов водорода. Использование простых солей, таких как ( заряженные ) ионы калия в нашей нервной системе, также будет ограничено. Эти функции довольно важны, и отсутствие заряженных молекул и ионов является серьезным недостатком углеводородов и других неполярных растворителей. Жизнь, несомненно, может найти обходной способ, но результаты могут быть не такими хорошими, как система на водной основе или любая система, использующая полярные растворители, однако в использовании метана в качестве растворителе метана есть некоторые преимущества. Так более низкие температуры позволяют существовать более широкому спектру молекул, не распадающиеся на части, и можно укротить более быстрые реакции, которые невозможно контролировать при комнатных температурах. Часто говорят, что жизнь в метане была бы простой и медленной, но способность контролировать эти более быстрые реакции, такие как реакции свободных радикалов, которые наносят ущерб нашим клеткам, может позволить им увеличить свою скорость. Метан не расширяется при замерзании, поэтому он также не будет разрывать клетки вместе с кристаллами льда. Он также не нарушает водородные связи и не атакует молекулы напрямую, хотя последнее может немного затруднить пищеварение. В целом, мы знаем, что неполярные растворители могут поддерживать сложную органическую химию, поэтому, даже если им не хватает некоторых полезных свойств воды, в качестве биологических растворителей они могут просто работать. Растворимость неполярных молекул, которые не образуют прочных водородных связей, зависит от их молекулярной массы, а также от слабых электростатических взаимодействий. Однако из-за очень низких температур даже небольшие неполярные молекулы, такие как бутан, имеют очень низкую растворимость в жидком метане или жидком азоте. Криосольвенты ( криорастворители ) Множество из наиболее распространенных и важных для поддержания сложных молекулярных взаимодействий потенциальных растворителей, обнаруженных в Солнечной системе, при комнатных температуре и атмосферном давление существуют только в газовом агрегатном состоянии, становясь жидкостью только при понижение температуры и/или увлечение атмосферного давления, которые можно было бы счесть слишком неблагоприятными или агрессивными для большинства форм жизни на основе углерода, в том числе относящимся к третьему типу ( на основе метан-этан ) и далее известные как криорастворители. Низкие температуры характерны для всего космоса, как и жидкие виды и следовательно, криорастворители нельзя сбрасывать со счетов как потенциальные биорастворители. Так с ледяными небесными телами на которых плещутся океаны жидких газов всё может быть не настолько категорично безнадёжно как может показаться на первый взгляд, так при температуре — 106 С° до — 33 °С проявляются очень интересные эффекты криохимического синтеза. Так с одной стороны, холод замедляет реакции, но с другой даже самые нестойкие и в обычных условиях нестабильные химические соединения получают возможность существовать. Очень слабые и разрушающиеся при комнатных температурах простым тепловым движением химические связи выстраивают атомы в сложные структуры. Так водород, являющийся самым распространенным химическим элементом во вселенной, способен находиться в жидком агрегатном состоянии только в пределах, относительно, небольшого температурного диапазона между его точкой замерзания при температуре в 14,01 K (−259,14 °C) и точкой кипения в 20,28 K (−252,87 °C), этот диапазон может быть значительно расширен при использовании водорода в качестве сверхкритического флюида в атмосфере газовых гигантов ( при температуре в 230°C в атмосфере Юпитера, слишком высокой для поддержания большинства органических молекул, около тридцати градусов Цельсия в атмосфере Сатурна и примерно - 110°C в случае Урана и Нептуна ). Гораздо более прочные водородные связи в криосольвентах могут стабилизировать молекулы в гораздо большей степени, чем в жидкой воде при средних земных температурах. Пускай в некоторых случаях эффекты этой стабилизации могут рассматриваться как нежелательные, они могут быть полезны при лёгком каталитическом контроле реакционной способности и стабилизации молекул генетического полимера гипотетических низкотемпературных форм жизни на основе кремния. Конечно, гипотеза криосинтеза довольно экстровогантна и её пока ещё даже невозможно оценить на достоверность, но если пофантазировать можно представить себе довольно необычных животных и растения, существующих словно в ином временном потоке. Поскольку интенсивность обмена веществ при таких температурах будет несоизмеримо мала, свирепый хищник может оказаться не более прытким чем, например, баобаб, а местные растения и вовсе удастся отличить от иных минеральных образований только после детального анализа. Из-за низкого же темпа смены поколений и по всей видимости не настолько острой нужде в пространстве и ресурсах, а значит и медленной эволюции – криобионты в любом случае останутся примитивными существами, но при этом, гигантский или даже сверхгигантский, не имеющий аналогов во «влажных» мирах, размер в подобном ледяном мире может быть нормой, потому что это позволит свести к минимуму потери выделяющейся в организме энергии. Криохимическое «дерево», скорее всего, примет форму льдины, дрейфующей в газовом океане, усваивающей «палубой» свет, а «днищем» растворённые материалы. «Сухопутные» растения узнать будет проще. Состоять им придётся изо льда, но их выдаст медленное движение жидких газов ( скорее всего, фосфина ) по капиллярам. Поверхностные моря апротонных криосольвентов могут быть обычным явлением на достаточном удаление от своих родительских звёзд планетах. Фактически, апротонные криосольвенты, такие как метан, этан (C2h6) или жидкий азот, могут быть наиболее распространенными жидкостями на поверхности планет, основываясь на исчерпывающем анализе склонности стабильных поверхностных океанов, состоящих из жидкостей, отличных от воды. N2 сам по себе является очень распространенным химическим веществом в космическом масштабе и его содержание может соперничать с содержанием воды. Поверхностные непротонирующие растворители, такие как жидкий азот (N2), способный растворять сложные молекулы кремния, такие как полисиланы, что, возможно, позволит создать низкотемпературную биохимию на основе кремния, могут быть особенно распространены на планетах ( или лунах ), вращающихся вокруг звёзд М-класса. Учитывая достаточно низкую температуру плавления ( перехода в жидкое агрегатное состояние )(-210 °C) и кипения ( начала перехода в газовое агрегатное состояние )(-196 °C) N2 и высокую активность звёзд М-класса рассматриваемые планеты с достаточно большим содержанием жидких криосольвентов должны будут находиться на относительно большом расстоянии от их родительской звезды, что в случае звёзд М-класса можно оценить как одну астрономическую единицу. Такие преимущества могут привести к стабильным, “благоприятным” условиям, которые потенциально могут позволить жидким океанам из N2 сохраняться на поверхности планеты или луны газового гиганта в течение миллиардов лет, несмотря на относительно узкий температурный диапазон при которой N2 находится в жидком агрегатном состоянии ( от -210 °C до -196 °C при атмосферном давлении в один бар ). Низкие температуры апротонных криосольвентных морей создают по крайней мере два серьезных ограничения в качестве растворителей для жизни, первая из которых заключается в маленькой скорости проведения химических реакций при таких низких температуры, а вторая с низкой растворимостью молекул при криогенных температурах. Медленные скорости реакций могут быть непомерно высокими для образования сложных молекул или их реакционной способности между ними. Химические реакции, происходящие в криорастворителях, будут протекать очень медленно, гораздо медленнее, чем в окружающей среде на поверхности Земли. Скорость химических реакций обычно снижается в 2-3 раза при каждом снижении температуры на 10 °C. Однако это снижение скорости химической реакции не является абсолютным ограничением; на самом деле это может быть преимуществом, ведь ключевым фактором в образовании сложных химических веществ при любой температуре является выбор химических реакций, специально адаптированных к заданному температурному диапазону. Дигидроген Самым распространенным соединением в солнечной системе является дигидроген, являющийся основным компонентом ( 86% ) верхних областей атмосферы таких газовых гигантов как Юпитер, Сатурн, Уран или Нептун. Другой основной компонент внешних областей планет-гигантов - гелий ( 14% ). В большей части объема газовых гигантов, где дигидроген стабилен, он является сверхкритическим флюидом. Для газовых гигантов можно определить два радиуса. Первый - это радиус области, в которой дигидроген становится сверхкритическим. Во втором случае температура повышается до точки, при которой органические молекулы перестают быть стабильными; для этого обсуждения в качестве этой точки выбрано 500 К. Если второй радиус меньше первого, то у газового гиганта есть обитаемая зона для жизни в сверхкритическом дигидрогене. Однако если второй радиус больше первого, то на планете нет зоны обитания. Если такая зона существует на Юпитере, то она узкая. При температуре 300 К ( что явно подходит для органических молекул ) давление ( около восьми атмосфер ) все еще докритическое. Примерно на двести километров ниже, где давление Юпитера является сверхкритическим, температура поднимается выше 500 К, приближаясь к верхнему пределу, при котором углерод-углеродные связи являются стабильными. Для Сатурна, Урана и Нептуна обитаемая зона шире по сравнению с радиусом планеты. На Сатурне температура около 300 К, когда дигидроген становится сверхкритическим. На Уране и Нептуне температура, при которой дигидроген становится сверхкритическим, составляет всего 160 К - температуру, при которой органические молекулы стабильны. Атмосферы этих планет, конечно, конвектируются и чтобы выжить на Юпитере, любая гипотетическая жизнь, основанная на молекулах, содержащих ковалентные углерод-углеродные связи, должна избегать перемещения конвекцией в места в атмосфере, где они нестабильны, что, конечно, не невозможно. Даже на Земле жизнь в океанах не должна перемещаться за счет конвекции из ее особой зоны обитания. Саган и Солпитер представили подробное обсуждение того, что может быть необходимо для «плавающего объекта», чтобы оставаться стабильным в атмосфере Юпитера. Бейнс недавно обсудил динитроген как возможный биокриосольвент. В его статье также рассматриваются основные вопросы использования криорастворителя. Наиболее существенным является относительная нерастворимость веществ в криорастворителях. Таким образом, мало что известно о поведении органических молекул в сверхкритическом дигидрогене как растворителе. В 1950-х и 1960-х годах различные лаборатории изучали растворимость органических молекул ( например, нафталина ) в сжатых газах, включая дигидроген и гелий. Однако ни одна из сред, исследованных в лаборатории, не подвергалась воздействию высоких давлений и температур. Динитроген Бейнс рассмотрел возможность растворения органических веществ в диазоте, включая возможность того, что виды на основе кремния могут иметь большую растворимость в диазоте, чем виды на основе углерода. Однако реакционная способность силанов сделает их непригодными для использования в качестве биополимеров на сегодняшней Земле, потому что вода вступает в реакцию со многими силанами ( это не относится к динитрогену как биорастворителю ). Динитроген распространен в космосе, как вода, однако его более низкие точки замерзания и кипения делают его жидкостью в более широком диапазоне космоса. Например, жидкий диазот может быть основным растворителем на Тритоне, самом большом спутнике Нептуна. Нет сомнений в том, что полимерное разнообразие возможно при использовании кремния, а не углерода в качестве основы. Одна из трудностей с криорастворителями — это медленная скорость химических реакций. Химические реакции известного типа в воде, которые происходят при температуре от 273 до 373 K, действительно протекают медленно при 100 K. Однако широкий спектр химических реакций, которые слишком быстры, чтобы их можно было рассматривать как часть метаболизма терранов, например, реакции, включающие образование и разрыв водородных связей - замедляется при криотемпературах. При низких температурах такие реакции могут продуктивно контролироваться катализаторами, которые могут находиться под контролем генетических молекул в гипотетической форме жизни. Помимо основной комбинации углерода, кислорода и водорода, земные формы жизни используют многие другие химические элементы в своих органических процессах, например фосфор ( часть структуры ДНК и фосфолипидов ), серу ( в некоторых аминокислотах ) и кальций ( укрепляет ткани, такие как раковины, кости и зубы ). Так существует, по крайней мере, несколько примеров замены этих элементов на Земле, наиболее известным из которых является обнаруженный в 2001 году. в Моно-Лейк ( штат Калифорния ), вид бактерий GFAJ-1, который как полагают учёные удалось заменить фосфаты в обмене веществ с арсенаты, а биологи не думаю, что это больше, мышьяк ( как ) могли принимать участие в биохимии организмов начале, прежде чем уступающие более распространеному фосфору; сегодня, некоторые морские водоросли используют включения мышьяка в органических соединениях, как и arsenosugars для корзиноплетение. Более тяжелыми ( и, следовательно, менее вероятными ) элементами, подобными фосфору, являются сурьма (Sb) и висмут (Bi). Сера уже заменена во многих организмах, включая животных, селеном (Se) в форме селенопротеинов, в то время как некоторые грибы производят аминокислоты, в которых сера заменена теллуром (Te). Единственным другим природным элементом в той же химической группе серы является полоний (По). Привычный в нашем понимание процесс фотосинтеза требует, чтобы вещество расщеплялось для высвобождения катионов водорода и электронов, так земные растения используют воду и выделяют кислород в качестве побочного продукта, но в перспективе могут использовать и другие вещества. Так существует тип бактерий, известный как пурпурные сернистые бактерии, которые используют сероводород вместо воды — сероводород расщепляется на катион водорода и элементарную серу, которые в дальнейшем могут вступать в реакцию с водой с образованием серной кислоты. Также существуют и множество других видов бактерий, которые могут восстанавливать элементарную серу или серную кислоту до сероводорода и замыкают цикл в определенном типе дыхания. Исходя из этого дышущие жидкой серой ( вы не ошиблись ) животные должны были бы использовать аналогичный биохимический процесс. При комнатных температурах сера является твёрдым веществом, поэтому при упоминании возможности использования серы для " дыхания " скорее всего вызвало бы у вас чувство некоторого недоумения, однако при нагревании серы до 112,85 С° она начинает переходить в жидкое агрегатное состояние ( плавится ) за счёт чего она становится более пригодной для попадания в организм при глотание или вдыхание через жабры или поры. Так устойчивые к высоким температурам, плавающие в морях или озерах жидкой серы, животные могли бы вдыхать эту обжигающую жидкость и выдыхать сероводород, а местные растения будут окислять сероводород обратно до элементарной серы. Подобный жаркий, во многом напоминающий привычный в нашем понимание ад, мир с небольшим количеством воды мог бы поддерживать такой цикл серы, если бы местная жизнь могла выдерживать высокие температуры, необходимые для поддержания серы в жидком состоянии. Вероятнее всего атмосфера планет подобного типа должна была бы состоять в основном из азота (N2) и кислорода (O2) с переменным количеством серной кислоты (H2 SO4) и следовых количеств углекислого газа (CO2), диоксида серы (SO2), сероводорода (H2s) и других газов. Серная кислота способна находиться в жидком агрегатном состоянии при большем температурном диапазоне ( от – 10,38 до 279,8 С° ), как в кислотных аэрозольных облаках над Венерой, поскольку кислота представляет собой жидкость от комнатной температуры до тепла, которая плавит свинец. Смесь сероводорода и двуокиси углерода может быть превращена в серу, воду и серную кислоту путём фото или хемосинтеза местных растений, однако в другом случае местные растения могли бы использовать серную кислоту (H2SO4) и углекислый газ (CO2) для производства тиоуксусной кислоты (CH3 COSH), диоксида серы (SO2) и кислорода (O2), используя следующее сбалансированную химическую реакцию: 4 H2SO4 + 4 CO2 + энергия → 2 C2H4OS + 2 SO2 + 9 O2. Минералы кальция ( сульфаты и карбонаты ) пропитывают ткани животных, образуя кости и раковины, но стеклянные губки и многие диатомовые водоросли используют диоксид кремния ( диоксид кремния ), который может образовывать твердые кристаллы, похожие на стекло. Другими возможными заменителями являются металлы, такие как железо или медь (Cu).