Pin1WhatsAppRedditShareEmailTweet1 Shares
На первый взгляд это может быть незаметно, но углерод — это фундаментальный элемент жизни на Земле. ДНК и РНК состоят из углерода. И не только из углерода, конечно, но углерод может связываться с другими молекулами, образуя длинные цепочки, необходимые для существования жизни. И не только человеческой, но и всех видов жизни — от растений и грибов до млекопитающих, насекомых и так далее. Всё живое на нашей планете основано на углероде.
С технической точки зрения, жизнь где угодно должна быть основана на углероде. Вполне возможно, что другой элемент мог бы заменить углерод при образовании этих молекулярных цепочек, составляющих строительные блоки жизни, но это всё теоретические рассуждения. Мы никогда раньше не видели форм жизни, не основанных на углероде; в основном мы просто помещаем их в научную фантастику и делаем их довольно странными на вид.
Если вся жизнь действительно основана на углероде, то возникает вопрос: почему? Что делает углерод идеальным элементом для жизни? И насколько вероятны теории о других элементах? Какие элементы могут способствовать формированию жизни, и как мы вообще это знаем? Давайте разберемся!
Что позволяет углероду зарождаться в жизни?
Хотя водород — самый распространенный элемент во Вселенной, а кислород необходим для жизни, именно углерод является основой жизни и важнейшим элементом в этом уравнении. Это объясняется уникальными свойствами углерода, которых нет у многих других элементов. В частности, углерод отлично работает в команде. Он легко образует прочные связи с другими элементами.
Благодаря прочности углеродных связей, можно образовывать очень сложные молекулы. ДНК, например, — чрезвычайно сложная молекула. Но её работа основана на том, что углеродные связи удерживают её вместе. Она легко образует длинные полимерные цепи, которые позволяют существовать ДНК и белкам, поскольку они могут достигать очень большой длины.
Молекулярная формула ДНК — C15H31N3O13P2. Как видите, углерод занимает важное место в молекуле. Здесь он связывается с водородом, азотом, кислородом и фосфором. Это основные элементы жизни. Все остальное построено вокруг них, поэтому углерод — это своего рода каркас или скелет, на котором основана жизнь.
Наш мир буквально переполнен углеродом, особенно по сравнению со многими другими элементами. Углерод на самом деле является четвёртым по распространённости элементом во всей Вселенной. Первые три — это водород, гелий и кислород, все они являются газами. Следовательно, углерод — это наиболее распространённое твёрдое вещество, которое можно найти. Поэтому неудивительно, что он может быть неотъемлемой частью жизни, учитывая его обилие.
Поскольку атомы очень малы, это значительно облегчает образование чрезвычайно сложных молекулярных цепочек. Как мы уже упоминали, углерод может образовывать белки, а также сахара. Все, что необходимо жизни для получения энергии, основано на углероде, так же как и сама жизнь. Это означает, что живые организмы могут расщеплять другие молекулы на основе углерода, чтобы получать из них энергию для поддержания жизни. Это своего рода микроскопический сценарий «ты — то, что ты ешь».
Углеродный цикл
На Земле существует так называемый углеродный цикл. Это макромасштабный процесс, охватывающий всё на планете. Он позволяет всей планете перерабатывать углерод, распространять его и, в некотором смысле, обеспечивать существование жизни.
Запасы углерода в мире ограничены. Мы его не уничтожаем, но и не создаём. Этого мы точно не можем сделать, особенно в таких масштабах. Поэтому у нас осталось столько же углерода, сколько было когда-либо. Это значит, что всё, что его использует, рано или поздно должно будет им поделиться. Вполне возможно, что часть углерода, находящегося сейчас внутри вас, когда-то была внутри Авраама Линкольна, тираннозавра и, возможно, первых нескольких одноклеточных организмов, плававших в тех водоёмах, когда на нашей планете зародилась жизнь.
Растения поглощают углекислый газ из воздуха. Он хранится в почве и корневых системах и может высвобождаться снова, когда растения отмирают. Океаны поглощают углерод, а живые организмы, такие как животные, выдыхают его в атмосферу для обмена с кислородом.
Значительная часть круговорота углерода связана с атмосферой и тем, как углекислый газ влияет на качество воздуха и глобальные температуры. Но можно увидеть, как углерод распространяется и другими путями: когда он поглощается растениями, растение потребляется животным, животное потребляется нами, и эти атомы углерода постоянно используются в обмене в различных формах. Это не только углекислый газ, это и белки, сахара и другие молекулы, которые передаются между организмами в циклическом танце жизни.
Возможны ли другие биохимические процессы?
Итак, если углерод способен образовывать основы жизни, потому что легко соединяется с другими элементами, то способны ли другие элементы выполнять ту же задачу? Как оказалось, хотя углерод хорошо подходит для этой задачи, он не одинок. Следует помнить, что всё это чисто теоретические рассуждения, но что такое наука, если не задавать вопросы, чтобы проверить, возможно ли что-то?
Кремний
Кремний расположен в периодической таблице элементов сразу под углеродом. Как правило, это наиболее часто упоминаемый элемент, когда речь заходит о других потенциальных формах жизни. Причина в том, что кремний во многом имитирует углерод в плане образования молекул. Он не так хорошо образует сложные связи с другими элементами, но всё же довольно неплохо.
В структурном отношении многие связи и молекулы кремния напоминают связи и связи с углеродом. Кремний также может образовывать прочные связи с кислородом, что было бы необходимо для создания элементов жизни, по крайней мере, в том виде, в каком мы их понимаем. Но у этого подхода есть и потенциальные недостатки.
Не все связи между атомами кремния будут такими же прочными, как связи между атомами углерода. Кремний идеально подходит для высоких температур, но при обычных температурах поверхности Земли связи между атомами углерода гораздо прочнее. Кроме того, атомы кремния намного крупнее атомов углерода. Это делает их несколько громоздкими в некоторых молекулах и снижает потенциал создания некоторых из самых сложных полимеров, которые можно получить с помощью углерода.
Исследователям удалось в лабораторных условиях манипулировать микробами, чтобы создавать органические соединения из кремния, что в природе обычно не происходит. Это значительно укрепляет идею о том, что, возможно, однажды мы сможем обнаружить жизнь на кремниевой подложке во Вселенной.
Метан
Идея потенциальных форм жизни на основе метана немного более теоретическая, чем вопрос о кремнии. Вот здесь все становится гораздо сложнее и труднее для понимания. По крайней мере, углерод и кремний — это отдельные элементы. Метан — это молекула, состоящая из углерода и кислорода, так что, возможно, это снова технически углеродная жизнь? Тем не менее, метан — это не та среда, в которой может процветать большинство форм жизни на Земле. Вы бы точно не захотели постоянно дышать им.
Исследователи НАСА, изучающие один из спутников Сатурна, Титан, обнаружили в атмосфере винилцианид. Они считают, что это органическое соединение может обеспечивать клеточные мембраны для форм жизни, питающихся метаном. Вероятно, это будут лишь микроорганизмы в метановых океанах, покрывающих спутник, но теоретически это возможно.
Мембраны на Титане должны были бы состоять из азота, углерода и водорода, в отличие от фосфора и кислорода, которые можно найти здесь, на Земле.
Сера
Самые древние окаменелости, которые мы когда-либо находили на Земле, датируются 3,4 миллиардами лет назад. Это было время зарождения жизни, и у нас не было планеты, которая выглядела бы так, как сейчас. В атмосфере не было кислорода, не происходило фотосинтеза, преобразующего углекислый газ в нечто пригодное для дыхания. Мир был горячим, газообразным и крайне негостеприимным для всего, что сейчас существует. Так как же зародилась жизнь и чем она занималась?
Обнаруженные учеными окаменелости свидетельствуют о существовании микроорганизмов, использующих серу в качестве источника энергии. Эти микроорганизмы росли и размножались, а также вселяли надежду на то, что однажды на Марсе можно будет обнаружить жизнь или, по крайней мере, свидетельства ее существования.
Кроме того, считается, что некоторые соединения серы, способствовавшие зарождению жизни на Земле, изначально попали сюда из космоса. Если они приземлились здесь и дали начало динозаврам, голубям и футболистам, кто знает, что могло бы произойти на другой планете?
Аммиак
Как и метан, аммиак — ещё одно вещество, в котором, мягко говоря, большинство живых организмов на Земле не смогут выжить. Существуют теории о жизни на основе аммиака, но в данном случае речь идёт не столько о замене углерода аммиаком, чего он не может сделать, поскольку является молекулой, а не атомом, сколько о замене воды.
Аммиак не совсем противоречит жизни. Мы производим аммиак с мочой, поэтому он является частью нашей биологии, хотя и не считается органическим веществом. Это объясняется лишь тем, что это азотсодержащее соединение, в котором нет углерода. Органической является жизнь на основе углерода. Тем не менее, если бы мы смогли открыть жизнь, не основанную на углероде, вам пришлось бы скорректировать ваше определение органического вещества.
Поскольку на очень немногих планетах Солнечной системы, да и, возможно, всей Вселенной, есть жидкая вода, вполне логично задаться вопросом, какие еще жидкости могли бы быть использованы для зарождения жизни. Жизнь, какой мы ее знаем, требует воды, но кто сказал, что жизнь должна быть такой же, как мы? Вот тут-то и появляется аммиак.
Даже в нашей Солнечной системе существует ограниченное количество жидкостей, которые можно найти в больших количествах. На Меркурии и Венере есть серная кислота. Хотя у нас есть вода, и она была обнаружена на некоторых спутниках, на более холодных планетах, вероятно, будет аммиак, у которого более низкая температура замерзания. При понижении температуры метан сжижается, и даже азот может присутствовать в жидком виде на окраинах системы.
Наличие жидкостного пресса не означает, что он может работать в живых организмах. Он должен соответствовать ряду критериев, включая способность выступать в качестве растворителя, низкую вязкость, устойчивость к перепадам температуры и другие факторы. Учитывая все это, если мы исключим жидкую воду, которая, как известно, является идеальным вариантом, то аммиак — наш следующий лучший вариант.
Аммиак — четвёртая по распространённости молекула во Вселенной, и по химическому составу он очень похож на воду. Он не во всём похож на воду, что необходимо для функционирования живых организмов, но мы также основываем свои знания на том, что знаем и видели, поэтому трудно сказать, упускаем ли мы какие-либо детали.
Жизнь в космическом ожерелье
Существует ещё одна теория о том, как могла зародиться жизнь где-то во Вселенной, которая оставляет идею жизни на основе углерода далеко позади. Это выходит за рамки даже идеи жизни на основе кремния, аммиака или чего-либо подобного. Это жизнь в виде космического ожерелья, и это самая крайняя из крайностей.
Если задуматься о том, что нам известно об экстремальных условиях жизни на Земле, можно вспомнить что-то вроде тихоходки. Эти крошечные организмы могут существовать в условиях экстремального холода, экстремальной жары и даже вакуума космоса. Существуют также формы жизни, обитающие вокруг невероятно горячих, токсичных гидротермальных источников, извергающихся на дне океана. Хотя это и исключения, они показывают, что бывают случаи, когда жизнь может процветать способами, которые противоречат нашим ожиданиям. Там, где 99,9% всего остального погибло бы, эти существа живут, как мирные создания. А теперь представим это в космическом масштабе.
Если мы отбросим то, что, как нам кажется, мы знаем о необходимых для жизни вещах, а именно о углероде, кислороде, воде, правильной гравитации и правильном расстоянии от звезды, мы сможем начать поиски в действительно экзотических местах. Например, внутри самих звезд.
Это всего лишь теоретические рассуждения, но идея заключается в том, что может существовать частица, подобная бозону Хиггса, называемая магнитным монополем. Мы даже не знаем, реальна ли эта частица. Как и бозон Хиггса, она долгое время оставалась теоретической. Хотя существование бозона Хиггса в конечном итоге было доказано, эта частица до сих пор ускользает от нас.
Если это правда, то эти частицы могут соединяться на космических нитях, образуя структуры, подобные ДНК, внутри звёзд. Если способность к самовоспроизведению закодирована в РНК и ДНК, то эти частицы могут выполнять аналогичную функцию внутри звёзд, кодируя и воспроизводя, создавая вид жизни, непохожий ни на что существующее в нашем мире. Это будет жизнь, основанная на частицах, по крайней мере, её строительные блоки.
Что касается того, смогут ли эти ожерелья когда-нибудь превратиться во что-то, обладающее сознанием, то это уже совсем другая история, и кто знает?
Другие статьи, которые могут вас заинтересовать