Что, если в условиях, непохожих на земные, жизнь всё-таки существует – только другая, соответствующая именно этим условиям? Возможна ли жизнь на основе кремния, азота, мышьяка, серы, и с какими затруднениями она столкнётся?

Другая химия

Небелковая жизнь

Игорь Край
(статья печатается в авторской редакции и с иллюстрациями, присланными самим автором; журнальный вариант под названием «Так жить нельзя!» можно найти по ссылке)

- С Новым годом, - приветливо отозвался Эдик.
- Вот пусть Сашка скажет, - предложил Корнеев. - Саша, бывает небелковая жизнь?
- Не знаю, - сказал я. - Не видел. А что?
- Что значит - не видел? М-поле ты тоже никогда не видел, а напряженность его рассчитываешь.

Аркадий и Борис Стругацкие, «Понедельник начинается в субботу».

К встрече с братьями по разуму люди начали готовиться задолго до наступления космической эры. Впервые вопрос о населённости других небесных тел встал в начале XVII века, после того, как Галилео Галилей увидел на Луне горы. Мистический серебристый диск оказался миром во многом подобным Земле! С этого момента населёнными стали считаться все планеты нашей системы, само Солнце, а иногда и звёзды. Вывод о существовании инопланетян был сделан на основании логического умозаключения: если среди лунных гор никто не живёт, то зачем они там нужны?

Во второй половине прошлого века отправленные к Марсу космические аппараты передали на Землю фотографии ржавой пустыни без признаков жизни. И стало окончательно ясно, что условия, подходящие даже для самой неприхотливой бактерии, встречаются в космосе нечасто. Искать обитаемые миры придётся в других звёздных системах, а это – задача отдалённого будущего.
Но что если в условиях непохожих на земные жизнь всё-таки существует, – только другая, приспособленная именно к этим условиям? А так вполне может быть, раз уж в 2010 году в калифорнийском озере Моно удалось обнаружить бактерию, в ДНК которой фосфор заменён на мышьяк*. Если после столь радикальной модификации двойная спираль продолжает выполнять свои функции, вполне уместно дать некоторую волю фантазии, предположив, что космические тела, абсолютно, казалось бы, для этого не пригодные, всё-таки населены.

* Позднее это открытие было признано ошибочным. - прим. автора сайта

Являющееся пристанищем «другой жизни» озеро Моно и выглядит так, словно принадлежит другому миру.

Химия жизни

Прежде, чем браться за рассмотрение небелковой жизни, следует разобраться с общими свойствами живого. С точки зрения химии, «жизнь» – реакция автокатализа сложных органических молекул. Катализатором, как известно, именуется вещество, ускоряющее некоторые химические процессы, не участвуя в них. Например, в присутствии железа ускоряется синтез хлорофилла. Сам же хлорофилл выступает в качестве катализатора при фотосинтезе углеводородов из воды и углекислого газа. Если же некая молекула, попав в раствор с нужными реагентами, провоцирует цепочку преобразований, конечным результатом которой является появление ещё одной такой же молекулы – это автокатализ.

Вирус – широко известный пример существа-молекулы. Но все современные вирусы – паразиты.
Их ДНК или РНК «самокопируется» только внутри живой клетки.

Органические и неорганические вещества, обладающие автокаталитическими свойствами и в определённых обстоятельствах способные «размножаются», хорошо известны науке. Но считать молекулу по-настоящему «живой» можно лишь при выполнении ещё одного условия. Она должна быть достаточно сложной, для того чтобы при самокопировании случались ошибки. В этом случае возникает изменчивость, и начинает действовать естественный отбор. Чем эффективнее самокопируется молекула, например, «научившаяся» использовать побочные или промежуточные продукты автокатализа для синтеза необходимых материалов, тем больше у неё будет копий, обладающих теми же полезными свойствами. А уж дальше «само пойдёт». Где конкуренция и отбор, там и прогресс.

Можно ли считать отдельную, способную к самовоспроизводству молекулу «живым существом» - вопрос сугубо философский. Но, по существу дела, весь организм, – начиная от клеточной мембраны и заканчивая головным мозгом высших позвоночных, - не более чем устройство, поддерживающее оптимальные условия для автокатализа ДНК.

Крупные – с ладонь величиной – монстры докембрийской, «вендской» фауны могли существовать лишь
в условиях сильного течения, приносящего пищу и кислород.

Метаногенная жизнь

Так могла бы выглядеть посадка зонда «Гюйгенс» на Титан. Если бы её кто-нибудь видел с поверхности спутника Сатурна.

Из всех космических тел Солнечной системы спутник Сатурна Титан похож на Землю более всего. По крайней мере, внешне. Помимо нашей планеты только на Титане атмосфера состоит преимущественно из азота, и плещутся незамерзающие моря. Правда, вместо воды в них жидкие газы – метан и этан.
Учёным не удалось пока придумать жизнь, способную существовать в столь суровых условиях. Да, этан, вероятно, вполне может в качестве растворителя заменить воду. Но слишком холодно. Не выдержат даже азот-фосфорные «снегурочки», по жилам которых течёт жидкий аммиак. При такой температуре химические реакции крайне затруднены. И автокаталитическая молекула здесь должна представлять собой какой-то не имеющий ничего общего с ДНК очень активный и нестабильный полимер. Возможно, на основе мышьяка.
Тем не менее, именно на Титане признаки жизни обнаружены. Во всяком случае, на спутнике Сатурна протекают атмосферные процессы, объяснять которые может деятельность живых организмов. В нижних слоях атмосферы ледяного спутника обнаружился дефицит водорода и ацетилена, словно кто-то потребляет эти газы. Если гипотеза о биогенной природе недостачи водорода подтвердится, за обитающих на Титане бактерий останется лишь порадоваться. Ведь на Земле фотосинтезирующим организмам приходится разлагать исключительно стойкие вещества – углекислоту (для получения углерода) и воду (чтобы добыть водород). Жителям же этановых морей достаточно лишь обогащать свободным водородом уже наличествующие углеводородные молекулы.

Тайна происхождения жизни на Земле остаётся пока нераскрытой, и пребудет в этом состоянии ещё долго. Ибо в данном случае науке приходится решать задачу со всеми неизвестными. Первая «живая» молекула принялась плодить себе подобные в условиях ныне уже несуществующих и с трудом поддающихся реконструкции. За четыре миллиарда лет не только наша планета до неузнаваемости изменилась, но и Солнце не осталось прежним. Недаром такое значение придаётся исследованиям кометного вещества. Только лёд малых космических тел может хранить информацию о химическом составе земных океанов эпохи Архея и Катархея.

Интересны, однако, не столько проблемы происхождения белковой жизни, сколько основные этапы её развития, вероятно, неизбежные и для жизни небелковой. Например, не только «живые молекулы», но и первые бактерии ещё не производили органику сами и полностью зависели от поставок материалов из недр планеты. Благо, океаны, в ту пору неглубокие и крошечные (воды на планете было в 700 раз меньше, чем сейчас), примерно на 1% состояли из углеводородов и могли именоваться «первичным бульоном» с полным правом.
Лишь 3.7 миллиарда лет назад, доев бульон, бактерии начали осваивать самостоятельный синтез. Сначала аноксигенный, для которого, помимо углекислоты, требовался сероводород или даже просто водород, ещё не полностью выветрившийся из земной атмосферы. Реакция протекала без выделения кислорода. Он начал накапливаться только миллиард лет спустя, после того как дефицитный сероводород при осуществлении фотосинтеза был заменён самым трудным для переработки, но и самым доступным сырьём – водой.

Потребляющие сероводород бактерии практически отсутствуют в отравленных этим газом
глубинах Чёрного моря. Для хемосинтеза ещё и кислород необходим.

На основе кремния

Диоксид кремния нерастворим, но мельчайшие крупинки
силикатов присутствуют в воде в качестве взвеси.
Что и позволяет радиоляриям и некоторым губкам
обзаводиться вычурными кремниевыми скелетами.

Как фантастами, так и учёными, глубже всего проработана концепция внеземной жизни на основе кремния. Не обойдена она и отечественными авторами («Контакт на Ленжевене» Анатолия Константинова, «Глиняный бог» Анатолия Днепрова). Странно лишь, что литературные кремниевые пришельцы по неизвестным причинам всегда напоминают 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. А образующий плоть «силикоидов» силикон широко применяется ныне для имитации некоторых тканей человеческого тела.
Преимуществом кремния является его высокая, по сравнению с углеродом, распространённость. Кроме того, силаны – полимерные цепочки из водорода и кремния – более устойчивы к высокой температуре, чем углеводороды. Но далее начинаются затруднения. Увы, жизни на основе кремния, просто, не из чего возникнуть. Как отмечалось выше, на самом раннем этапе автокаталитическая молекула должна синтезировать свои копии из уже готовых материалов. «Комплектующие» для углеродной жизни распространены повсеместно. Аминокислоты, например, обнаружены в туманностях и даже в межгалактическом пространстве. Но кремневодороды слишком неустойчивы химически и в природе представляют исключительную редкость. Трудно себе представить естественные условия, в которых они могли бы накопиться, образовав питательную среду для первого «существа-вещества».

Силикоиды в игре Master of Orion почему-то едят камень. Хотя в метаболизме живых организмов
на основе кремния он соответствует углекислому газу и должен быть ядовитым для животных.

Перейдя же к синтезу, кремниевая бактерия столкнётся с новыми проблемами. Место углекислого газа в её метаболизме должен занять диоксид кремния, вещество, составляющее основную массу коры планет земного типа, но не летучее и не растворимое в воде. Устойчивость к высоким температурам, в принципе, позволит «силикоидам» 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. Магма же в мантии планеты слишком горяча даже для кремниевой «саламандры».
Теоретически, родным домом для силикоидов могли бы стать раскалённые миры, рассечённые реками лавы, текущими у подножия чёрных базальтовых скал. Но и на таких планетах кремнеорганическая жизнь не будет процветать, ибо сероводород редок, а переход к синтезу на основе воды невозможен. Вода не уживётся с магмой. Остаются лишь труднопредставимые на данный момент условия на поверхности силикатных ядер «горячих» планет-гигантов. Там расплавленный камень может соседствовать с богатой водородом атмосферой. В дефиците, однако, окажется необходимая для разложения весьма устойчивого диоксида кремния энергия. Нужный для фотосинтеза свет не достигнет дна газового «океана». Для хемосинтеза же требуются химически активный окислитель. А судьбу молекулы такого вещества в плотной атмосфере из раскалённого водорода слишком легко предсказать.

Зафиксированным в кристаллической решётке молекулам слишком трудно добраться друг до друга.
И значит, жизнь бессмысленно искать на лишенных жидкости лунах.
Остальные варианты рассматриваются.

Есть, впрочем, и ещё одно ограничение, делающее обнаружение жизни на основе кремния крайне маловероятным. В любых, даже самых экзотических моделях живого существа биохимические реакции могут протекать лишь в жидкой среде. Более того, вещество, служащее основой силиконовой клетки, должно быть хорошим растворителем. Вода на горячих планетах превратится в пар. Альтернативный же растворитель – закипающая лишь при 200 градусах серная кислота – просто не настолько распространена в космосе, чтобы образовывать океаны.

Некросфера

Многими мэтрами, например, Лемом в рассказе «Правда», Артуром Кларком в романе «Из солнечного чрева», упоминаются существа, состоящие из магнитных полей и раскалённой плазмы.

Не все обитатели фантастических миров согласятся с тем, что жизнь – явление химическое. В романе Станислава Лема «Непобедимый» земляне попадают на планету, населённую одичавшими и деградировавшими машинами. Лем описывает и Солярис – мыслящий океан, ничего, насколько можно судить, не выделяющий и не потребляющий. В романе «Чёрное облако» Фреда Хойла признаки жизни начинает проявлять дрейфующее в космосе облако газа.
Общей чертой всех «не химических» чудовищ является их загадочное и, скорее всего, искусственное происхождение. Наделённое разумом существо не появится случайно. Сложное должно быть результатом развития простого. Единственным же известным науке путём такого развития в природе является эволюция. Но непонятно, что будет являться носителем наследственности в сгустке плазмы, и каким образом облако газа или океан могут быть подвержены мутациям и естественному отбору.

Ледяная жизнь

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). 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». Ведь аммиак замерзает лишь при температуре -78 градусов.

Моря жидких газов некогда плескались, омывая скалистые берега из водяного льда,
на Тритоне – спутнике планеты Нептун.

С точки зрения метаболизма «нитроиды» окажутся «существами навыворот». Земные растения синтезируют горючее – углеводороды, в качестве отхода выбрасывая 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.
Проблема здесь, собственно, в фосфине. В отличие от космически распространённых углекислоты, сероводорода, воды и аммиака, это вещество сравнительно редкое. Но в составе атмосфер на основе водорода фосфин вполне обычен. Таким образом, «снегурочки» получают среду для обитания, наверняка встречающуюся в космосе даже чаще, чем «влажные» планеты земного типа. Для нитроидов подойдут отчасти подобные Урану и Нептуну относительно лёгкие и холодные планеты-гиганты с твёрдым ядром и морями жидкого аммиака.
Как и силаны, органические вещества на основе азота и фосфора недостаточно стабильны. Но только в земных условиях. Надёжность химических связей увеличивается по мере падения температуры. А значит «питательный бульон» необходимый для зарождения азотной жизни вполне может накапливаться в аммиачных морях. Затем, развитие «нитроидов» не встретит серьёзных препятствий, помимо дефицита энергии. Которой потребуется много именно потому, что холод затрудняет разборку фосфина и аммиака на необходимые для синтеза органики детали. Доступность же энергии в ледяном мире, очевидно, невелика. Иначе он не был бы ледяным.

Жизнь земного типа без жидкой воды невозможна. Но некоторые микроорганизмы устраивает
и капельная влага. В облаках они синтезируют белок и размножаются.

Свет для фотосинтеза азотные растения смогут найти лишь в верхних слоях атмосферы. Газообразная среда кажется не слишком подходящей для жизни. Но на Земле бактерии в облаках процветают, довольствуясь капельной влагой. А значит, остаётся шанс обнаружить жизнь на основе азота даже в Солнечной системе. В газовой оболочке Юпитера, например, нет ничего такого, с чем микроорганизмы не смогли бы справиться. Атмосфера включает затянутый облаками водяного пара слой, в котором при давлении всего от трёх до семи атмосфер температура составляет +30 градусов Цельсия. Как и на молодой Земле, тут достаточно аммиака, метана, сероводорода и углекислоты. Присутствует и фосфин. «Комфортные» зоны есть в тучах Сатурна, Урана и Нептуна.

Кислота

Чужой, слюна которого разъедает металл, может быть «сероуглеродным» существом.
Правда, в таком случае люди для него были бы не просто несъедобны,
но и смертельно ядовиты.

В рассуждениях об альтернативных формах жизни учёным приходится отталкиваться от хорошо зарекомендовавшей себя на нашей планете ДНК. Может ли существовать что-нибудь сложное и автокаталитическое на принципиально иной основе? Исключить такой вариант нельзя. Проанализировать – тоже.
ДНК же состоит из нуклеотидов, в состав которых, в свою очередь, входят углерод, водород, азот, кислород и фосфор. Первые два элемента являются основными. Водород заменять нечем, да и незачем. Если же заместить углерод кремнием, или же вовсе исключить этот химический элемент из состава молекулы, как в случае со «снегурочками», неизвестно даже, сохранит ли двойная спираль автокаталитические свойства. По теории должна бы, но проверке эта гипотеза пока не поддаётся.
Зато с азотом, кислородом и фосфором можно обходиться, как вздумается. Основные свойства молекулы не меняются. Но тут уже не приходится говорить о настоящей небелковой жизни. Ведь углеводородная основа сохранена. Тем не менее, результат при таком – умеренном – подходе иногда получается ошеломляющий.
Лучше всего реальным условиям соответствует «альтернативная» жизнь, биохимия которой основана на замене серой атомов кислорода в обычной, углеродной, органике. Мелочь, вроде бы, но в таком случае синтез становится возможным только при замене воды, превращающейся в смертельный яд, на серную кислоту! А это означает, что подходящие условия гипотетических «сероуглеродных» бактерий наблюдаются на ближайшей к нам планете.
Именно из серной кислоты состоят облака на безводной Венере. Дополнительной же почвой для размышлений является тот факт, что в процессе аноксигенного фотосинтеза «сероуглеродные» бактерии должны вместо водяного пара выделять сероводород. Это нестойкое соединение, быстро разрушающееся космическими излучениями. Но в атмосфере Венеры сероводород почему-то присутствует. Его запасы не могут пополняться за счёт извержений, так как недра лишённой массивного спутника планеты изрядно остыли, и вулканизм давно прекратился. Не живые ли существа производят этот газ?.. Хотя, конечно же, сероводород в венерианских облаках может иметь и менее экзотическое происхождение.

Атмосфера Венеры в сотню раз плотнее земной, и небольшой пузырь с водородом
или метаном позволит растению парить на нужной высоте.

Насколько же далеко может продвинуться эволюция «альтернативной» жизни? Разумеется, облака Венеры куда худшее пристанище для растений, чем суша и океаны Земли. Но в капельках серной кислоты бактериям будет раздолье. Света достаточно. Ведь Солнце в полтора раза ближе. А сырьём для фотосинтеза служат сама кислота и углекислый газ, из которого атмосфера Венеры состоит почти полностью.
Другой вопрос, что основанный на сере метаболизм делает невозможным и ненужным фотосинтез с выделением кислорода. Анаэробное же дыхание (особенно если концентрация сероводорода ничтожна) не обеспечит достаточной энергии для движения. Так что крупные и подвижные хищники не атакуют земные зонды в атмосфере Венеры.

Атмосфера Юпитера – не лучшее место для фотосинтеза. Солнечной энергии на единицу площади
поступает в 30 раз меньше. Кроме того, свет почти не проникает сквозь верхний,
состоящий из аммиачного льда, слой облаков.

* * *

То же касается и атмосферы Юпитера, и этановых морей Титана. Не стоит торопиться населять бурые тучи планет-гигантов летающими китами. Хотя бы потому, что и активный, и аэростатический полёт на Юпитере невозможны. Первый потребует слишком большого расхода энергии, ведь гравитация очень велика. А второму воспрепятствует закон Архимеда, запрещающий чему-либо плавать в газообразном водороде. Само по себе возникновение жизни это одно. Развитие же её до высших, крупных, самоходных и даже мыслящих форм – совсем другое.
Реальность, впрочем, нередко оказывается причудливее плодов человеческого воображения.

По теме

Что почитать?

Пол Андерсен «Завоевать три мира»
Кир Булычёв «Снегурочка»
Алексей Днепров «Глиняный бог»
Артур Конан Дойл «Когда Земля вскрикнула»
Артур Кларк «Из солнечного чрева»
Алексей Константинов «Контакт на Ленжевене»
Станислав Лем «Непобедимый»
Майкл Крайтон «Штамм Андромеда»
Алексей Толстой «Аэлита»
Герберт Уэллс «Война миров»
Фред Хойл «Чёрное облако»