На Земле углерод может образовывать миллионы соединений, в то время как кремний в основном застрял внутри горных пород. Но в других местах кремний может стать основой жизни.
Ключевые выводы
- Научная фантастика часто утверждает существование кремниевых форм жизни в других частях Вселенной.
- Возможно, но с химией сложнее. На Земле преобладает углерод из-за его превосходной способности образовывать широкий спектр соединений, в то время как кремний довольно легко попадает в горные породы.
- Нам нужно быть более открытыми и менее ориентированными на Землю в нашей охоте за жизнью в Космосе.
Когда мы ищем жизнь на других планетах, мы обычно имеем в виду, что мы ищем жизнь, какой мы ее знаем - жизнь, основанную на углероде, которая требует жидкой воды и использует свет или химические вещества в качестве энергии. источник. Это имеет смысл при поиске жизни на (довольно) похожей на Землю планете, такой как Марс. Но имеет ли это смысл для других планетарных тел, особенно за пределами нашей Солнечной системы?
Одно из распространенных предположений в научной фантастике состоит в том, что углерод может быть заменен кремнием в качестве основного строительного блока жизни. Возможно, вы помните Орта из эпизода «Звездного пути» 1967 года «Дьявол во тьме» или кремниевые формы жизни из рассказа Айзека Азимова «Говорящий камень».
Почему углерод доминирует в земной жизни
Но на Земле органическая химия означает углеродную химию. Это связано с невероятной гибкостью углерода в формировании сложных, стабильных молекул - не только с самим собой, но и с другими элементами, особенно с водородом, кислородом и азотом. Существуют миллионы соединений углерода, и многие из них необходимы для жизни, какой мы ее знаем - от белков и ДНК до газообразного метана и углекислого газа, которые имеют решающее значение для метаболизма многих форм жизни на нашей планете.
На Земле не получится заменить углерод кремнием в качестве компонента жизни. Реалии биохимии на нашей планете не позволили бы этого. Элементарный кремний будет быстро и яростно окисляться в силикаты (горные породы) при воздействии атмосферного кислорода. То же самое произойдет с элементарным кремнием, подвергшимся воздействию жидкой воды. На Земле большинство горных пород, таких как гранит и базальт, построены из силикатных минералов, основу которых составляет кремниевый и кислородный каркас. Любой свободный кремний был бы связан в этом каркасе и был бы инертен, т. е. не мог бы соединиться с другими элементами, при умеренных температурах. Кремний начнет соединяться с другими элементами только при очень высоких температурах, скажем, в магматических очагах. Но даже в этом случае, согласно статье Януша Петковски из Массачусетского технологического института, все прочные кремний-кислородные связи разорвутся примерно в одно и то же время, что сделает их непригодными для биологических процессов.
Это не означает, что земная жизнь не использует кремний. Обычным водорослям, известным как диатомовые водоросли, для роста требуется кремний. А без кремния растения не могли бы оставаться прямостоячими, но при этом гибкими. Кремниевая кислота содержится в соединительной ткани волос, ногтей и кожи. А когда кость сломана, вокруг перелома обнаруживается высокий уровень кремнезема по мере его заживления.
Силиконовый образ жизни
По иронии судьбы, Земля богата кремнием. Так что, если на Земле нет шансов для жизни на основе кремния, не дисквалифицирует ли это другие планеты, такие как наша? Не обязательно. Предпосылкой для жизни на основе кремния является отсутствие на экзопланете или экзолуне значительного количества свободного кислорода или жидкой воды. В этом случае могли бы существовать органические соединения кремния. В такой среде силан (SiH4) может заменить метан (CH4). Так называемые полисиланы (соединения с несколькими группами SiH4) могут стать началом альтернативной биохимии.
Как может выглядеть такой мир? Ближайшим аналогом в нашей Солнечной системе является большой спутник Сатурна Титан, который не только лишен кислорода и жидкой воды, но и очень холоден, что было бы полезно для жизни на основе силанов. Однако жизнь на Титане потребует растворителя, отличного от воды. Жидкие метановые и этановые озера на Луне могут сработать. Но на Титане много углерода, который может превзойти кремний в связях с другими элементами. В мире с немного более высокими температурами, чем на Титане, метанол может работать как возможный растворитель для жизни на основе кремния.
Один удивительный вывод в статье Петковски заключался в том, что серная кислота, которую мы обычно считаем смертельной, теоретически может поддерживать богатое разнообразие химии органического кремния. В нашей Солнечной системе есть два места с большим количеством серной кислоты: нижняя часть венерианской атмосферы и почти недра спутника Юпитера Ио. Может быть надуманным спекулировать на этих местах как на гаванях для жизни, но мы должны отказаться от наших ориентированных на Землю взглядов, чтобы рассмотреть все возможности. Жизнь часто удивляла нас в прошлом. И если мы когда-нибудь отважимся выйти за пределы нашей Солнечной системы, мы можем обнаружить множество планет и спутников за пределами нашего воображения.
Альтернативная биохимия
До сих пор мы говорили только о мирах, вращающихся вокруг звезд или планет. А как насчет планет-изгоев, которые бродят по Вселенной, не привязанные ни к одной звезде? Они могут использовать тепловую энергию вместо звездного излучения в качестве основного источника энергии. На Земле солнечный свет поддерживает жизнь, потому что его много. Но на нейтронной звезде или магнетаре жизнь может собирать энергию из магнитного поля звезды. Джеральд Файнберг и Роберт Шапиро даже предположили, что различное выравнивание магнитных моментов можно использовать в качестве механизма для передачи информации от одного поколения к другому, как это делает ДНК на Земле.
На данный момент астрономам удалось обнаружить лишь несколько органических соединений кремния в космическом пространстве, а соединений углерода, по-видимому, гораздо больше. Углерод вполне может преобладать в инопланетной жизни. Но все еще может быть несколько планет, на которых развилась жизнь на основе кремния.
Конечно, если мы подумаем о будущей эволюции, даже на нашей собственной планете, дверь для жизни на основе кремния широко открыта. Некоторые определения жизни включают самовоспроизводящиеся машины, которые (когда-нибудь) смогут собрать себя из сырья, а затем передать инструкции по сборке вновь построенным машинам, которые смогут повторить процесс изготовления. Однажды эта форма «жизни» может преобладать над довольно примитивными углеродными формами жизни, которые в настоящее время правят балом на Земле: США.