Чи можливе небілкове життя? Кремній, фосфор та метан як основа органіки

– Кремнійорганічний інопланетянин, худ. Lei Chen and Yan Liang (BeautyOfScience.com) / Caltech

— От хай Сашка скаже, — запропонував Корнєєв. — Сашко, чи буває небілкове життя?
– Не знаю, – сказав я. – Не бачив. А що?
– Що означає – не бачив? М-поле ти теж ніколи не бачив, а напруженість його розраховуєш.

Аркадій та Борис Стругацькі «Понеділок починається у суботу».

Коли перші космічні апарати досягли Марса і передали на Землю світлини планети, ми побачили лише іржаву пустелю без ознак життя. Стало остаточно зрозуміло, що умови, придатні навіть для невибагливої бактерії, зустрічаються в космосі дуже рідко. Шукати заселені світи доведеться в інших зоряних системах, а це завдання віддаленого майбутнього.

Але що, якщо в умовах, не схожих на земні, життя все ж таки існує — лише інше, пристосоване саме до цих умов? Чому б і ні — адже в 2010 році в земному каліфорнійському озері Моно вдалося виявити бактерію, в ДНК якої фосфор замінений на миш’як. Якщо після такої радикальної модифікації подвійна спіраль продовжує виконувати свої функції, цілком доречно припустити, що космічні тіла абсолютно, здавалося б, для життя не придатні, все-таки населені. Небілкове життя.

Перш ніж фантазувати, яким може бути небілкове життя, слід розібратися з тим, що взагалі вважати за живе. З погляду хімії, «життя» — лише реакція автокаталізу складних органічних молекул. Каталізатором називають речовину, яка прискорює деякі хімічні процеси, не беручи участь у них. Наприклад, у присутності заліза пришвидшується синтез хлорофілу. Сам хлорофіл виступає як каталізатор при фотосинтезі вуглеводнів з води та вуглекислого газу. Якщо ж якась молекула, потрапивши в розчин з потрібними реагентами, провокує ланцюжок перетворень, кінцевим результатом якого стане поява ще однієї такої молекули, – це автокаталіз.

Органічні та неорганічні речовини, що мають автокаталітичні властивості та здатні в певних обставинах «розмножуватися», добре відомі науці. Але вважати молекулу по-справжньому «живою» можна лише за ще однієї умови. Вона має бути досить складною для того, щоб при самокопіюванні траплялися помилки. І тут виникає мінливість і починає діяти природний добір. Чим ефективніше самокопіюється молекула, яка «навчилася», наприклад, використовувати побічні або проміжні продукти автокаталізу для синтезу необхідних матеріалів, тим більше у неї буде копій, які мають ті ж корисні властивості. А далі процес не зупинити. Де конкуренція та відбір, там і прогрес.

Таємниця походження життя на Землі буде розкрита ще не скоро, тому що ми маємо справу з рівнянням, в якому немає відомих значень. Перша «жива» молекула почала плодити собі подібних в умовах, що нині не існують і важко піддаються реконструкції. За чотири мільярди років наша планета змінилася до невпізнанності, як і Сонце. Недарма таке значення надають дослідженням кометної речовини. Лише лід малих космічних тіл може зберігати інформацію про хімічний склад земних океанів епохи архея та катархея.

Цікаві, проте, й не так проблеми походження білкового життя, скільки основні етапи розвитку. Наприклад, як «живі молекули», а й навіть перші бактерії ще виробляли органіку самі й повністю залежали від поставок матеріалів з надр планети. Благо океани на той час були неглибокі (води на планеті було в 700 разів менше, ніж зараз) і приблизно на 1% складалися з вуглеводнів, завдяки чому іменувалися «первинним бульйоном».

Лише 3,7 мільярда років тому, доївши бульйон, бактерії почали освоювати самостійний синтез. Спочатку аноксигенний, для якого, крім вуглекислоти, був потрібний сірководень або навіть простий водень. Реакція протікала без виділення кисню. Він почав накопичуватися лише через мільярд років — після того, як дефіцитний сірководень при здійсненні фотосинтезу був замінений найважчою для переробки, але й найдоступнішою сировиною. водою. Але якби умови були б іншими, для життя цілком згодилася б і інша речовина.

Найглибше вчені пропрацювали концепцію позаземного життя, засновану не на вуглеці, а на кремнії. Любили до неї звертатися і фантасти (серед вітчизняних книг – «Контакт на Ленжевені» Анатолія Константинова, «Глиняний бог» Анатолія Дніпрова). Дивно лише, що літературні кремнієві прибульці з невідомих причин завжди нагадують глиняні статуї або кристали, що ожили, хоча з точки зору науки зовнішні відмінності кремневодневих і білкових істот можуть бути мінімальними. Адже кремній лише повинен замістити вуглець в органічних молекулах. А силікоїдів, що утворює плоть, силікон широко застосовується нині для імітації деяких тканин людського тіла.

На перший погляд, у життя на основі кремнію є кілька переваг. Кремній є більш поширеним, ніж вуглець. Крім того, силани – полімерні ланцюжки з водню та кремнію – більш стійкі до високої температури, ніж вуглеводні. Але далі починаються труднощі. На жаль, але життя на основі кремнію просто нема з чого виникнути.

Як зазначалося вище, на ранньому етапі автокаталітична молекула повинна синтезувати свої копії з уже готових матеріалів. Ось тільки “комплектуючі” для вуглецевого життя поширені повсюдно – амінокислоти, наприклад, виявлені навіть у міжгалактичному просторі. Кремневодні ж надто нестійкі хімічно й у природі зустрічаються дуже рідко. Важко собі уявити природні умови, в яких вони могли б накопичитися в достатній кількості, щоб утворити живильне середовище для першої істоти-речовини.

Перейшовши до синтезу, кремнієва бактерія зіткнеться з новими проблемами. Місце вуглекислого газу в її метаболізмі повинен зайняти діоксид кремнію – речовина, що становить основну масу кори у планет земного типу, але не летюча і не розчинна у воді. Стійкість до високих температур, в принципі, дозволить силікоідам плавати в магмі, поглинаючи діоксид кремнію у вигляді розплаву. У жерлах вулканів неважко знайти й другий необхідний синтезу компонент — сірководень. Ось тільки самі озера розплавленого каменю трапляються нечасто і існують недовго. А магма в мантії планети буде надто гаряча.

Теоретично рідним будинком для силікоїдів могли б стати розпечені світи, розсічені річками лави, що біжать біля підніжжя чорних базальтових скель. Але і на таких планетах кремнеорганічне життя не створить великої цивілізації, бо сірководень рідкісний, а перехід до синтезу на основі води буде неможливим. Вода не уживеться з магмою.

Залишаються лише складні умови на поверхні силікатних ядер «гарячих» планет-гігантів. Там розплавлений камінь може бути сусідом з багатою воднем атмосферою. У дефіциті, однак, виявиться енергія, необхідна для розкладання стійкого діоксиду кремнію. Потрібне для фотосинтезу світло не досягне дна газового океану. Для хемосинтезу потрібні хімічно активний окислювач. Неважко здогадатися, що з ним станеться у щільній атмосфері з розпеченого водню.

Цікаві можливості відкриває заміна вуглецю комбінацією азоту та фосфору. В цьому випадку для фотосинтезу рослинам замість води та вуглекислоти знадобляться аміак та фосфін (сполучення фосфору та водню). Життя на фосфор-азотній основі могло б процвітати в холодних світах, подібних до описаних у романі Пола Андерсона «Завоювати три світи» та оповіданні Кіра Буличова «Снігуронька». Адже аміак замерзає лише за температури -78 градусів.

З погляду метаболізму «нітроїди» виявляться «істотами навиворіт». Земні рослини синтезують пальне – вуглеводні, виробляючи окислювач – кисень. При крижаному синтезі зайвим виявляється водень. Вдихаючи це високоефективне пальне, нітрозвірі повинні витягувати з рослинної їжі окислювач, повертаючи азот і фосфор.

Проблема тут, власне, у фосфіні. На відміну від космічно поширених вуглекислоти, сірководню, води та аміаку, ця речовина порівняно рідкісна. Але у складі атмосфер з урахуванням водню фосфін цілком звичайний. Для нітроїдів підійдуть легкі та холодні планети-гіганти з твердим ядром та морями рідкого аміаку. А такі трапляються навіть частіше за планети земного типу.

Ось тільки органічні речовини на основі азоту та фосфору недостатньо стабільні. Але лише у земних умовах. Надійність хімічних зв’язків збільшується з падінням температури. Отже, «поживний бульйон», необхідний зародження азотного життя, цілком може накопичуватися в аміачних морях. Після цього розвиток «нітроїдів» не зустріне жодних серйозних перешкод, окрім дефіциту енергії. А енергії потрібно багато, адже холод ускладнює розбирання фосфіну та аміаку на необхідні для синтезу органіки «деталі». Ось тільки енергії у крижаному світі багато не буває, інакше він не був би крижаним.

Світло для фотосинтезу азотні рослини можуть знайти лише у верхніх шарах атмосфери. Газоподібне середовище тільки здається не надто придатним для життя — навіть на Землі бактерії у хмарах процвітають, задовольняючись крапельною вологою. Отже, залишається шанс виявити життя на основі азоту навіть у Сонячній системі. У газовій оболонці Юпітера, наприклад, немає нічого такого, з чим мікроорганізми не змогли б упоратися. Планету оточує затягнутий хмарами водяної пари шар, у якому при тиску від трьох до семи атмосфер температура становить +30 градусів Цельсія. Як і на молодій Землі, тут достатньо аміаку, метану, сірководню та вуглекислоти. Є і фосфін. «Комфортні» зони є також у хмарах Сатурна, Урана та Нептуна.

У міркуваннях про альтернативні форми життя вченим доводиться відштовхуватися від ДНК, що добре зарекомендувала себе на нашій планеті. Чи може щось складне та автокаталітичне існувати на принципово іншій основі? Виключити такий варіант не можна.

ДНК складається з нуклеотидів, до складу яких у свою чергу входять вуглець, водень, азот, кисень і фосфор. Перші два елементи є основними. Водень замінювати нічим, та й нема чого. Якщо ж замістити вуглець кремнієм або зовсім виключити цей хімічний елемент зі складу молекули, як у випадку крижаними істотами, невідомо, чи збереже подвійна спіраль автокаталітичні властивості. Теоретично повинна, але перевірці ця гіпотеза поки що не піддається.

Зате з азотом, киснем і фосфором можна поводитись як заманеться — основні властивості молекули не змінюються. Але тут вже не доводиться говорити про справжнє небілкове життя. Адже вуглеводнева основа збережена. Проте результат при такій невеликій зміні може виявитися вкрай несподіваним.

Найкраще реальним умовам відповідає «альтернативне» життя, в органіці якого кисень замінили на сірку. Начебто дрібниця, але в такому разі синтез стає можливим тільки при заміні води, що перетворюється на смертельну отруту, на сірчану кислоту! А це означає, що відповідні умови для гіпотетичних «сірковуглецевих» бактерій можна знайти на сусідній до нас планеті.

Саме із сірчаної кислоти складаються хмари на безводній Венері. На додаткові думки наводить і той факт, що в процесі аноксигенного фотосинтезу «сірковуглецеві» бактерії повинні замість водяної пари виділяти сірководень. Це нестійке з’єднання, що швидко руйнується космічними випромінюваннями. Але в атмосфері Венери сірководень чомусь є. Його запаси що неспроможні поповнюватися рахунок вивержень, оскільки надра позбавленої потужного супутника планети охолонули і вулканізм давно припинився. Чи не живі істоти виробляють цей газ?.. Хоча, звичайно ж, сірководень у венеріанських хмарах може мати менш екзотичне походження.

* * *

Наскільки далеко може просунутися еволюція «альтернативного» життя? Зрозуміло, хмари Венери — набагато гірший притулок для рослин, ніж суша та океани Землі. Але в крапельках сірчаної кислоти бактеріям буде роздолля. Світла достатньо, адже Сонце у півтора рази ближче, ніж на Землі. А сировиною для фотосинтезу є сама кислота і вуглекислий газ, з якого атмосфера Венери складається майже повністю.

Інше питання, що заснований на сірці метаболізм унеможливлює і непотрібний фотосинтез з виділенням кисню. Анаеробне ж дихання не забезпечить достатньої енергії для руху. А значить, великі і рухливі хижаки навряд чи атакують земні зонди в атмосфері Венери.

Те саме стосується і атмосфери Юпітера, і етанових морів Титану. Фантасту, звичайно, ніщо не завадить населити бурі хмари планет-гігантів літаючими китами. Але насправді політ в атмосфері Юпітера неможливий: гравітація надто велика. Життя може зародитися в найнесподіваніших місцях, але йому доведеться пройти чимало труднощів, щоб породити щось складніше за бактерії.