Источник: журнал «Analog» №10/1984

Эти дышащие галогенами создания

Дышащие хлором инопланетяне
во многом утратили былую благосклонность
писателей-фантастов из-за научных разработок,
которые сделали их маловероятными.
Но не исключено, что мы рассмотрели
не все возможности!

Стивен Л. Джиллетт, доктор философии.

По облику инопланетянин был гуманоидом, одетым в металлизированный космический скафандр, который блестел и переливался, когда на него падал свет. Черты инопланетянина внутри прозрачного шлема были плохо различимы в зеленоватом тумане...

Существа, дышащие фтором и хлором – это старая дежурная идея в НФ. Но насколько оправдана биохимия, основанная на дыхании хлором или фтором? И если да, то в каких условиях? Давайте рассмотрим некоторые ограничения, с которыми сталкиваются существа, которые могли бы дышать этими двумя элементами.
Фтор и хлор – два самых лёгких элемента из числа галогенов (греч. «солеобразующий») – элементов, входящих в VII группу Периодической таблицы. Все галогены являются неметаллами и обладают сильной электроотрицательностью: то есть, при образовании химических соединений они принимают электроны от других элементов. В качестве «дыхательных элементов» я буду обсуждать только фтор и хлор, потому что они представляют собой газы при обычных температурах (при атмосферном давлении температура кипения фтора составляет -188,1°C, а температура кипения хлора -34,6°C), потому что они наиболее электроотрицательны (следовательно, выделяют больше всего энергии, когда «сгорают» с пищей) и, наконец, потому, что они самые широко распространённые.
Прежде чем обсуждать обменные процессы, в которых могли бы использоваться галогены, давайте рассмотрим, что есть у нас самих. Мы дышим кислородом – мы все узнали это в детском саду. Но почему? Шаблонный ответ обращается к фотосинтезу: зелёные растения используют энергию солнечного света для соединения углекислого газа из воздуха с водой для образования сахаров. Кислород O₂ выделяется как побочный продукт, а сахара используются в качестве отправной точки для синтеза более сложных соединений. Затем животные вдыхают кислород, чтобы окислить пищу, полученную в конечном счёте из растений. Высвобождается энергия, отходами являются углекислый газ и вода, и процесс начинается заново.
Всё это верно, но возникает вопрос. Почему в фотосинтезе должен принимать участие кислород? Что есть такого в этом цикле, из-за чего эволюция отдала предпочтение именно ему? Давайте копнём глубже. Мы обнаружим, что ответ кроется в случайном сочетании химических свойств и в ядерной физике.

Земная жизнь – это жизнь, основанная на углероде; благодаря своей уникальной способности соединяться сам с собой с образованием длинных разветвляющихся цепей углерод является основным структурным элементом в биохимии. К углеродному каркасу присоединены другие атомы, самым распространённым из которых является водород, однако в существенном количестве имеются кислород и азот, есть некоторое количество серы и фосфора, а также несколько других любопытных элементов. Ещё земная биохимия – это химия воды; почти все реакции протекают в жидкой двуокиси водорода – в воде. Водный раствор обеспечивает подвижность, необходимую для протекания реакций.
Обратите внимание, что до сих пор я не упоминал о свободном кислороде. В базовую земную биохимию свободный кислород не входит; на самом деле O₂ отравляет её. Самые примитивные земные микробы – это «облигатные анаэробы», которые получают свою энергию из «хемосинтетических» реакций вроде сбраживания глюкозы до молочной кислоты, или более странными способами наподобие восстановления сульфата до сероводорода. Даже сейчас клеточные ядра высших форм жизни должны быть защищены от O₂.
Итак, как же в нашей картине появился O₂? В какой-то момент примитивный фотосинтезирующий организм, вероятно, цианобактерия (цианобактерии ранее неточно называли «сине-зелёными водорослями»), «научился» использовать солнечную энергию для расщепления молекул воды, производства сахара и выделения кислорода. С какой стати организму было бы эволюционно выгодно подвергать себя воздействию такого смертельного токсина, как кислород?
Что ж, главным стимулом для фотосинтеза было получение водорода. Водород является основным ингредиентом органических соединений, а вода – это основной резервуар водорода на нашей планете. Запасы других его источников, таких, как вулканические газы (которые содержат H₂S) и мёртвые органические вещества, очень ограничены, однако запасы воды, фактически, неисчерпаемы. Поэтому поначалу кислород был просто нежелательным и токсичным побочным продуктом.
Однако был один важный побочный эффект – если вы сможете научиться использовать эту мерзкую, едкую штуковину, это принесёт большие дивиденды в виде энергии. Выход энергии по итогам таких процессов, как брожение или сульфатредукция, невелик. Например, сбраживание простого сахара в молочную кислоту даёт всего 47 килокалорий на моль сахара. Кислород – это высшая лига: сжигание сахара с O₂ даёт 682 килокалории. В сущности, огромное количество энергии, получаемой при кислородном дыхании, вероятно, и сделало возможным существование сложных многоклеточных форм жизни (вроде нас самих!). Анаэробные процессы и близко не могли покрывать энергетические затраты многоклеточного организма.
Ещё молекула O₂ довольно стабильна, и это является ещё одной особенностью, которая делает кислород хорошим газом для дыхания. Два атома кислорода связаны двойной связью, и для разрыва этой связи, чтобы кислород мог вступить в реакцию с чем-то другим, требуется значительное количество энергии. Эта высокая «энергия активации» позволяет легко контролировать вступление кислорода в реакцию, поэтому при обычных температурах органическое вещество не воспламеняется самопроизвольно. O₂ может накапливаться в атмосфере и, если не считать случайного воспламенения вроде пожаров в прериях, будет доступен для дыхания.
Есть ещё один фактор: оксид водорода хорошо подходит для своей роли биохимического растворителя. В дополнение к своим образцовым химическим свойствам вода также обладает большим диапазоном текучести и исключительно высокой температурой кипения, поэтому океаны не замёрзнут и не закипят из-за изменений погоды. Оба эти свойства обусловлены водородными связями: между атомом водорода в одной молекуле воды и атомом кислорода в другой постоянно образуются и разрываются мимолётные, слабые связи. Вода труднее испаряется из-за дополнительной энергии, необходимой для разрыва водородных связей.
И, наконец, решающий момент: кислород чрезвычайно распространён – на сегодняшний день это самый распространённый электроотрицательный элемент. Он составляет более 50% земной коры по весу и более 90% по объёму; в отличном первом приближении земная кора состоит из оксидов. То, что практически все земной углерод и водород превратятся в CO₂ и H₂O, было неизбежно, поскольку и водород, и углерод обладают сильным сродством к кислороду. (К счастью, большая часть земного CO₂ впоследствии была заключена в кристаллических породах в виде карбонатов. Если бы CO₂ оставался в атмосфере, то Земля превратилась бы в копию Венеры с толстым слоем CO₂, поддерживающим температуру на её поверхности достаточно высокой, чтобы мог расплавиться свинец.)
Чтобы понять, почему кислород должен быть таким распространённым, мы должны углубиться в ядерную физику. (А ведь мы начали говорить о возможной биохимии инопланетян – наука на самом деле очень взаимосвязана!) Природный кислород состоит из трёх стабильных изотопов: ¹⁶O, ¹⁷O и ¹⁸O; среди них ¹⁶O, безусловно, самый распространённый. Из каждых 10 000 атомов кислорода в Солнечной системе 9 976 составляют атомы кислорода-16; мы могли бы исключить два редких изотопа и даже не заметить этого.
Следовательно, необычайное изобилие кислорода – это отражение необычайного изобилия кислорода-16. Отчасти это изобилие можно было бы предсказать, исходя из так называемого правила «нечётное-чётное»: ядра с чётным числом протонов и чётным числом нейтронов более стабильны и, следовательно, более многочисленны, потому что нуклоны (общее название протонов и нейтронов) любят быть в парах. (А стабильных ядер с нечётным числом протонов и нечётным числом нейтронов почти не существует – но об этом чуть позже.) Однако правило «нечётное-чётное» – это ещё не вся история. Кислород-16 – это просто исключительно стабильное ядро, потому что восемь – это «волшебное» число, соответствующее полному заполнению «оболочки» в строении ядра. У ¹⁶O две полных оболочки: восемь протонов и восемь нейтронов.
Это заговор. Из-за странности в строении ядра кислород – это самый распространённый электроотрицательный элемент. Ещё кислород обладает сильным сродством к углероду, элементу жизни; если вы хотите выделить углерод, то вы вынуждены иметь дело с кислородом. Наконец, вода является почти идеальным биохимическим растворителем.

Ладно, а теперь давайте взглянем на фтор. Атомы фтора содержат девять протонов, а стабилен лишь один изотоп – это ¹⁹F с десятью нейтронами. Этого единственного изотопа примерно на треть больше, чем ¹⁷O – самого редкого среди изотопов кислорода. Мы уже видим, что назревают проблемы: фтор встречается редко.
И что хуже того, фтор обладает высокой реакционной способностью. Это самый электроотрицательный из известных элементов; он замещает кислород в его соединениях, и заставить его это сделать очень легко (или даже заставлять не нужно). В соответствующих условиях фтор будет давать соединения с чем угодно, кроме трёх самых лёгких благородных газов – гелия, неона и аргона. Заставить F₂ накапливаться в атмосфере будет трудновато.
Хммм. Что ж, прежде чем слишком беспокоиться о нехватке фтора, давайте посмотрим, стоит ли изучать его химию. Если следовать строгой аналогии с кислородом, существа, дышащие фтором, будут вдыхать фтор, используя его для окисления (!) пищи до CF₄ (тетрафторметан или четырёхфтористый углерод; аналог CO₂) и HF (фтороводород, аналог воды). В свою очередь, биохимические реакции будут протекать в среде жидкого HF, а не в воде – нас вынуждает к этому нечто большее, чем просто аналогия, потому что свободный фтор заставляет воду гореть! Так что мы хотим, чтобы у нас были океаны, озёра, реки и т.д. из фтороводорода. С чисто химических позиций, будет ли что-то из этого разумным?

Действительно, фтороводород химически и физически сходен с водой. Как и вода, он прочно связан водородными связями, благодаря чему для него характерны аномально высокая температура кипения и большой диапазон текучести. При давлении в одну атмосферу жидкий HF закипает при температуре 19,5°C и замерзает при -83,1°C. Температуры плавления и кипения ниже, чем у воды, потому что, хотя водородные связи в HF прочнее из-за более высокой электроотрицательности фтора, он обладает лишь половинным количеством атомов водорода на одну молекулу. Тем не менее, как и в случае с водой, температурный диапазон жидкого состояния составляет около 100 °C.

(Кстати, водородные соединения трёх самых лёгких электроотрицательных элементов – азота, кислорода и фтора – довольно похожи. Все эти соединения (соответственно, аммиак (NH₃), вода и HF) обладают сильными водородными связями, у них высокие температуры кипения и широкий температурный диапазон жидкого состояния. Жидкий аммиак является «традиционным» альтернативным растворителем для инопланетной биохимии, и по химическим соображениям HF будет столь же подходящим.)

А как обстоят дела с выходом энергии при окислении пищи фтором? Как вы могли догадаться, дыхание фтором кажется возможным (хотя в пересчёте на один атом вы получаете больше энергии, окисляя углерод до CO₂, а не до CF₄). Кроме того, CF₄ – это газ, как и CO₂; благодаря этому его возможно выдыхать!
Кроме того, биохимия должна быть холоднее земной из-за более низкой температуры кипения HF. При более низких температурах фтор легче держать под контролем; для реакций, которые при 25°C происходят спонтанно, при -50°C может потребоваться стимулирование. Тем не менее, живые ткани и природные органические соединения окажутся почти полностью фторированными, причём фтор присоединится к углероду в тех частях молекул, где в случае земной жизни присутствовал бы водород. У F₂ отсутствует двойная связь, которую вначале нужно разорвать, поэтому необходимо что-то сделать, чтобы органическое вещество стало менее горючим. В отличие от связи C-H, связь C-F устойчива к воздействию F₂. Это вездесущее полное фторирование контрастировало бы с ролью атомов кислорода в земной биохимии, где атомы кислорода присутствуют только в определённых местах.
Развитие технологии во фторном мире будет затруднено. Хотя многие натуральные продукты могут быть «пластиками», свободный металл будет склонен к самопроизвольному воспламенению. На Земле фтор можно держать (с осторожностью) в некоторых металлических контейнерах, потому что там образуется тонкий стойкий слой фторида, который защищает металл, находящийся под ним. Но кузнецам, желающим выплавлять металл из руды в атмосфере фтора, будет трудно накопить сколько-нибудь металла, с которым можно начать работать. Проблема усугубится тем, что кислород, вытесненный из всего остального, несомненно, будет основным компонентом фторной атмосферы. Плавка в атмосфере из фтора и кислорода будет опасной вдвойне.
Холодная планета с океанами жидкого HF и воздухом, жёлтым от свободного фтора – но есть ли какой-нибудь способ собрать достаточное количество фтора, чтобы дать шанс этой биохимии? Возможно, если бы мы слегка настроили энергетические уровни ядер, то смогли бы сделать фтор несколько более распространённым.
Но давайте вернёмся к ядерной физике. Я уже упоминал, что из-за правила «нечётное-чётное» почти все ядра с нечётным числом протонов и нечётным числом нейтронов будут нестабильными. Однако четыре таких ядра стабильны: четыре самых лёгких, с равным числом протонов и нейтронов (комбинации 1-1, 3-3, 5-5 и 7-7). В случае с этими лёгкими ядрами вы можете смешивать и сочетать протоны и нейтроны, чтобы получить стабилизирующую энергию спаривания.
Следующее «нечётно-нечётное» ядро, состоящее из девяти протонов и девяти нейтронов, представляет собой изотоп фтора ¹⁸F. Увы, он нестабилен; на самом деле, он очень далёк от стабильности: фтор-18 распадается до кислорода-18, а его период полураспада – чуть меньше двух часов. По мере того как вы складываете из протонов более тяжёлые ядра, электрическое отталкивание между одинаковыми положительными зарядами протонов усиливается до такой степени, что протоны и нейтроны больше не будут эффективно эквивалентными. ¹⁸F – это щепотка, в которой слишком много протонов, чтобы она была стабильной.
Если бы мы могли слегка подстроить физические константы, определяющие связи внутри ядра, фтор-18 мог бы стать стабильным. Тогда, возможно, было бы легче собрать достаточно данных для создания биохимии (хотя вокруг по-прежнему очень много кислорода-16). Возможно, например, что в какой-нибудь другой вселенной отношение электростатической силы к сильным ядерным взаимодействиям чуть меньше, так что у вас могло бы получиться более высокое содержание протонов по отношению к нейтронам, прежде чем ядро станет радиоактивным. Однако если бы константы позволили фтору-18 быть стабильным, наряду с этим проявилось бы множество последствий для других ядер, и эти последствия могли бы сделать жизнь невозможной, но уже по другой причине. Например, углерод мог бы стать редким элементом. (Эй, вы, ядрёные физики, там, наверху! Что могло бы случиться?)
Вот, как много всего нужно, чтобы дышать фтором. С точки зрения химии это может сработать, хотя его реакционная способность затормозит развитие технологий. Однако непреодолимым препятствием здесь является редкость фтора.

Давайте теперь взглянем на хлор; он ставит перед нами другой ворох проблем. Как и фтор (и остальные галогены, если уж на то пошло), это элемент с нечётным номером, у которого есть 17 протонов и два стабильных изотопа; ³⁵Cl (75%) и ³⁷Cl (25%). Однако хлор встречается чаще, чем фтор; на каждый атом фтора приходится два атома хлора. Кроме того, хотя хлор и обладает сильной электроотрицательностью, она у него меньше, чем у кислорода. По крайней мере, он не пытается вытеснять кислород из оксидов, так что нам не нужно беспокоиться из-за удаления огромного избытка кислорода.
Вообще, по химическим свойствам хлор сильно отличается от фтора; в отличие от фтора, для которого можно предположить разумную биохимию (по крайней мере, до тех пор, пока мы не начнём рассматривать распространённость химических элементов), рассматривать хлор как прямой аналог кислорода просто не представляется возможным. Во-первых, хотя хлороводород HCl – это очень стабильная экзотермическая молекула, подобная H₂O и HF, водородные связи в HCl очень слабые. Таким образом, температура его кипения чрезвычайно низка (-84,9°C), и у него узкий температурный диапазон сохранения текучести (замерзает при -114,8°C). Океаны из жидкого HCl были бы не только очень холодными, но и очень подверженными климатическим колебаниям. HCl просто не будет хорошим аналогом воды.
Это ещё не всё. Помимо этого, HCl бурно реагирует с жидкой водой; в водном растворе молекула полностью распадается на ионы – электрически заряженные атомы: положительный ион водорода, H⁺, и отрицательный хлорид-ион, Cl^–. Ионы водорода – это то, что придаёт кислотам кислую реакцию; этот водный раствор хлороводорода представляет собой соляную кислоту. При растворении газообразного HCl в воде выделяется около 18 килокалорий – примерно столько же, сколько вы получаете изначально при синтезе HCl из водорода и хлора! Хлорид-ион и вода прекрасно уживаются друг с другом. (В целом, неорганические хлориды в большинстве своём также растворяются с образованием Cl^–.) Стабильность хлоридов имеет серьёзные последствия для тех, кто дышит хлором, потому что (как вы уже догадались) распространённость воды просто удручает. Если бы мы настаивали на использовании жидкого HCl в качестве аналога воды, нам пришлось бы утилизировать всю воду в пределах досягаемости. Эта иная проблема, если сравнивать с избавлением от всего кислорода, но она не более разумна.
Наконец, самый разительный удар по «аналогичной» биохимии хлора заключается в том, что вы просто не получите от него много энергии. Как я уже упоминал, при реакции образования HCl выделяется приличное количество энергии; но в пересчёте на один атом при ней выделяется лишь на треть больше энергии, чем в ходе реакции водорода с кислородом с образованием воды. А реакция с образованием четыреххлористого углерода (CCl₄: аналог CO₂ для дышащих кислородом) в этом плане значительно хуже: при взаимодействии углерода с кислородом в пересчёте на один атом вы получаете примерно в двенадцать раз больше энергии! Ещё CCl₄ – гораздо менее стабильная молекула, чем CO₂ или CF₄: ультрафиолетовое излучение Солнца легко разрушит его. Наш фотосинтетический цикл убит на корню.
Неужели из-за этого хлор безнадёжен в роли газа для дыхания? Ну, может быть, и нет: фотосинтез и дыхание – это просто удобные способы накопления и высвобождения химической энергии. Давайте попробуем применить иной подход.
Практически весь земной хлор, около 3,1 х 10¹⁹ кг, представляет собой хлорид в океанах. Кроме того, большая часть хлора, которого сейчас нет в океанах, когда-то там была; он связывался в ходе геологических процессов (или же удерживался в осадочных породах, либо в виде соляных отложений). Если помнить о стабильности хлорида в водном растворе, такая любовь хлора к океанам Земли неудивительна.
Конечно, в настоящее время океаны считаются местом зарождения земной жизни из-за уникальной роли воды как растворителя для биохимических реакций. А в морской воде много хлорида. В случае земной биохимии хлорид, как правило, не принимает непосредственного участия в биохимических реакциях. Однако при образовании хлорида из свободного хлора выделяется около 80 килокалорий на моль – это довольно приличное количество. Так как насчёт дыхания, основанного на превращении свободного хлора в хлорид? Возможно: давайте посмотрим.
Первым шагом в эволюции в сторону такой биохимии была бы разработка механизма, который превращает хлорид в хлорорганические соединения: то есть для удаления электрона из иона Cl^– и присоединения атома хлора прямо к атому углерода. Причиной эволюции такого механизма могла бы стать токсичность: такие твари сделали бы себя неаппетитными, включив в свои молекулы хлорорганические соединения. (Вы только представьте! Природный ДДТ, линдан, хлордан, ПХД и так далее!) Как и на Земле, такие соединения были бы токсичными, потому что они были бы новыми. Появление таких соединений в окружающей среде должно освободить множество экологических ниш.
Как только будет создан механизм восстановления хлоридов, фотосинтезирующему организму будет относительно просто начать производить свободный хлор. Как и в случае фотосинтеза с выделением кислорода на Земле, если вы сможете научиться использовать выделяющийся высококоррозионный газ, вы получите большие дивиденды в виде энергии.
Что же происходит с хлором в атмосфере? Хлор вступает в реакцию с жидкой водой:

Cl₂ + H₂O = H⁺ + Cl^– + HClO.

Погодите-погодите… Разве я не утверждал пару страниц назад, что хлор менее электроотрицателен, чем кислород, и потому не вытеснит кислород из оксидов? Да, я это утверждал – но здесь мы имеем дело не с хлором, замещающим кислород напрямую: мы имеем дело с хлором, превращающимся в хлорид. И эта реакция достаточно благоприятна для того, чтобы хлор попытался заменить кислород в воде с образованием хлорида. (Как любопытно! Хлорид-ион вообще существует лишь в водном растворе; чтобы эта реакция имела смысл, у вас должно быть много дополнительной воды.) Вообще, мы могли бы догадаться, что O₂ не может окислять хлорид с получением энергии; если бы это было возможно, какое-нибудь предприимчивое существо в океанах Земли научилось бы это делать, и у нас в атмосфере был бы свободный хлор. Этого не происходит.
Теперь давайте рассмотрим эту реакцию подробнее. Во-первых, на каждую молекулу хлора, вступающую в реакцию, образуется ион водорода. Океаны под хлорным небосводом будут очень кислыми, и через минуту я вернусь к последствиям этого. Во-вторых, один из этих атомов хлора немедленно превращается в хлорид. Это неудобно: это просто закоротит процесс биологического дыхания наподобие того, как кислород расходуется на горение, а не на дыхание.
Кроме того, хлорноватистая кислота HClO является хорошим окислителем. (HClO слегка диссоциирует на H⁺ и ClO^–, гипохлорит-ион; это высвобождение небольшого количества H⁺ делает её «кислотой».) Хлор и кислород плохо уживаются вместе, поэтому они расстаются как можно скорее. Хлор превращается в стабильный хлорид, а кислород присоединяется к более подходящей молекуле. Вроде органической молекулы: при промышленном хлорировании воды хлорноватистая кислота, образующаяся в результате реакции хлора и воды, окисляет органические вещества и убивает микробы. Ещё гипохлорит является активным ингредиентом «хлорного» отбеливателя; «Хлорокс» и его клоны представляют собой разбавленные растворы гипохлорита натрия. Отбеливание происходит, когда гипохлорит окисляет красители до более простых (и бесцветных) молекул. (Мне всегда казалось забавным, что отбеливающее действие «сильного хлорного отбеливателя» обусловлено содержащимся в нем кислородом, а не хлором; спасибо вам, Мэдисон-авеню!) Вне всякого сомнения, в мире, который дышит хлором, какое-нибудь существо научилось бы использовать гипохлорит для окисления пищи.
Наконец, если предоставить гипохлорит-ионы самим себе, они могут даже выделять свободный кислород:

2 ClO^– = 2 Cl^– + O₂.

Таким образом, со временем газообразный хлор над водой вступает в реакцию с образованием раствора соляной кислоты и свободного кислорода. При комнатной температуре реакция протекает очень медленно. Но весь процесс протекает в обход дыхания хлором и проявляет тенденцию к образованию кислородной атмосферы вместо хлорной. Как и в случае с фтором, мы, возможно, сможем несколько замедлить реакцию, если предположим, что планета холодная. Тем не менее, довести концентрацию хлора до такой степени, чтобы она была достаточной для дыхания, может быть очень сложно.
Теперь давайте оглянемся назад и посмотрим на кислотность. Как вы могли догадаться, кислота (свободные ионы водорода) хорошо подходит для выветривания горных пород. Кислота эффектнее всего реагирует с карбонатами. Ранее я упоминал, что большая часть углерода Земли связана в карбонатах, которые в основном представляют собой известняк (CaCO₃) и доломит (CaMg(CO₃)₂). Эти породы слегка растворимы в воде: вот, откуда появляются известняковые пещеры и провалы во влажных регионах. И при растворении они выделяют карбонат-ион:

CaCO₃ = Ca⁺⁺ + CO₃^–.

Теперь карбонат-ион, CO₃^– активно реагирует с ионами водорода:

2 H⁺ + CO₃^– = H₂O + CO₂

и пузырьки CO₂ улетучиваются в воздух. Любой студент, изучающий геологию, знает такую реакцию: это тест на известняк – посмотреть, зашипит ли образец от нескольких капель разбавленной кислоты.
У воды в атмосфере, содержащей одну сотую часть атмосферы хлора – всего одну двадцатую от количества O₂ в нашей атмосфере, – был бы показатель рН около 3,5 – примерно как у уксуса. (Подумайте о кислотном дожде!) Чтобы в таких кислых условиях карбонат кальция был стабильным, давление CO₂ над раствором должно составлять от нескольких десятков до, возможно, нескольких сотен атмосфер (если верить моим расчётам на скорую руку). Для сравнения, и на Земле, и на Венере содержится всего примерно по 100 атмосфер CO₂. Так что большая часть карбоната растворится, а CO₂ выделится обратно в воздух.
Фу-ты, ну-ты. И это после того, как я сказал, что нам понадобится холодная планета; как же мы сможем предотвратить неконтролируемый парниковый эффект вроде того, что наблюдается на Венере? Что ж, для накопления в атмосфере такого реакционноспособного газа, как хлор, потребуется много времени, и в ходе этого медленного накопления карбонат может постепенно замещаться другими соединениями углерода. Для накопления O₂ в атмосфере Земли тоже потребовалось много времени; сначала нужно было израсходовать весь легко окисляющийся материал. Фактически, в ходе течения геологического времени в результате фотосинтеза высвободилось значительно больше кислорода, чем в настоящее время содержится в атмосфере.
CO₂ создаёт ещё одну проблему для хлорированной биохимии: углекислый газ и карбонат являются основными резервуарами углерода, основного биологического строительного материала. Нам потребуется механизм для отделения углерода от кислорода и последующей утилизации кислорода. Проблема будет стоять не столь остро, как только биохимия хлорного дыхания успеет эволюционировать в течение нескольких миллиардов лет, потому что к тому времени большая часть углерода должна быть переработана в форму, отличную от CO₂. Однако углерод, унесённый вниз в результате субдукции плит планетарной коры, вновь появится в виде CO₂ в вулканических газах. Нам по-прежнему будет нужна постоянная служба по удалению CO₂. Такие основные переработчики углерода могут быть эквивалентны непритязательным, но жизненно важным представителям земной экологии вроде азотфиксирующих бактерий на Земле. Они также берутся за труднодоступную форму элемента и преобразуют её в такую форму, которую могут использовать все остальные.
А как быть с избытком кислорода, оставшимся при расщеплении CO₂? Мы можем захоронить его путем окисления пород земной коры – именно так и был израсходован избыток кислорода на Земле. (На самом деле, некоторые микробы могут получать жизненные ресурсы посредством окисления неорганических веществ кислородом – это хемосинтетический образ жизни, который дышащие хлором биохимики, несомненно, сочли бы странным.)
Как я уже упоминал, первоначальным стимулом для наземного фотосинтеза было обеспечение запаса водорода. Хлор/хлоридная биохимия также будет нуждаться в постоянном источнике водорода, и реакция Cl₂ с водой с образованием ионов водорода могла бы обеспечить такой альтернативный источник. Возможно, «кислотофиксирующие» микроорганизмы также будут важны для эконологии.
Ледяная планета с морями, сдобренными кислотой в качестве антифриза, и с атмосферой, содержащей Cl₂, CO₂ и, возможно, немного азота – не исключено, что она где-то существует.

Что бы мы ни делали, кислород в той или иной форме проникал в хлор/хлоридную биохимию на водной основе. Похоже, что такого рода биохимия должна включать масштабное окисление при помощи кислорода, но хлор здесь будет выступать в качестве молекулярного «носителя», как в гипохлорите. Мы просто не можем отделаться от преобладания кислорода в коре планеты земного типа.
Но эти соображения наводят на мысль о другой возможной биохимии – гибридной кислородно-хлорной. Предположим, что где-то эволюция достигла уровня микробного фотосинтеза с выделением кислорода, как на Земле. Затем какое-нибудь умное существо учится использовать хлорид таким способом, который более или менее сходен с тем, что я уже описал. Токсичные хлорсодержащие метаболиты и выделения расчистили бы множество экологических ниш для специалистов по хлорному метаболизму. Некоторым козявкам может быть даже выгодно выделять свободный хлор. (Газовая атака!)
Если эволюция породит такого рода биохимию, то какой мир получится в итоге? Прежде всего, я не думаю, что Cl₂ будет накапливаться в атмосфере в сколько-нибудь значительном количестве. Реальный стимул производить его в больших количествах попросту отсутствует; кислород – лучший источник энергии. На такой планете человек смог бы дышать с помощью респиратора, отфильтровывающего хлор – или очень медленно умирал бы без него. Кислотные океаны и выброс CO₂ также будут представлять меньшую проблему, особенно с учётом того, что обычный фотосинтез с выделением кислорода будет потреблять CO₂. В целом, такая планета могла бы быть относительно похожей на Землю (только не пейте воду и не дышите воздухом!).
Есть одна возможная загвоздка, которая, к сожалению, оказывается серьёзной: озонового слоя не будет. Озон – это нестабильная форма кислорода с тремя атомами в молекуле: озон O₃ очень токсичен, но, тем не менее, очень важен для земной жизни. Тонкий слой озона высоко в стратосфере поглощает высокоэнергетическое ультрафиолетовое излучение Солнца, которое в противном случае облучило бы Землю, заодно простерилизовав её. Хлор (и другие галогены) катализируют превращение молекул озона обратно в обычный кислород. Хлор в атмосфере планеты, в остальном похожей на Землю, воспрепятствует образованию озонового слоя. На Земле этот слой образовался, когда кислород начал накапливаться в атмосфере, и как только он сформировался, экранирование высокоэнергетического ультрафиолетового излучения позволило заселить жизнью поверхность Земли. Если в «хлорно-кислородном» мире не появится замещающий его поглотитель, дальнейшая эволюция зайдёт в тупик.

Чтобы искупить свою вину за то, что в этой статье я разрушил или, как минимум, обложил ограничениями множество сюжетных линий, я в общих чертах обрисую некоторые последствия для «хлорно-кислородного» мира. (Я предположу, что проблема УФ-экранирования была каким-то образом решена.)
Рассмотрим, например, его влияние на эволюцию технологического общества. Коррозионный потенциал среды, состоящей из хлора, кислорода и воды, огромен – она почти такая же агрессивная, как фторная. Больше десяти лет назад я начал свои размышления, итогом которых стало написание этой статьи, когда работал в штате обслуживающего персонала муниципального плавательного бассейна. Такой большой коммерческий бассейн хлорируется газообразным Cl₂, который вводится при прокачке воды через систему фильтрации. А смесь воды, кислорода, хлора и солнечного света – это сущий ад для машин. Сантехническое оборудование или фитинги из стали там просто нельзя использовать! Кроме того, для снижения кислотности, вы должны постоянно сбрасывать в бассейн килограммами кальцинированную соду (Na₂CO₃). Если вода в бассейне становится слишком кислой, штукатурка, которой он покрыт, начинает разъедаться. И всё это происходит из-за одного маленького баллончика газообразного Cl₂, который заменяется примерно раз в неделю! Какие-то разумные обитатели хлорно-кислородного мира столкнутся с большими трудностями при создании технологии на основе металла. Возможно, они перейдут напрямую к использованию пластиков; возможно, древесина там уже является аналогом ПВХ.

А вот ещё одна мысль. Предположим, что нам пришлось завезти вид простых хлоридфиксирующих микроорганизмов из хлорно-кислородного мира на землеподобную планету. Вспомните, что хлорно-кислородный мир начинал так же, как Земля, но пошёл по несколько иному биохимическому пути с использованием хлорорганических соединений и Cl₂.
Хлорированные органические молекулы, крайне ядовитые для земной жизни и очень медленно разлагаемые ею, будут естественными и повсеместными компонентами хлорно-кислородной биохимии. Таким образом, наше хлоридфиксирующее существо, если оно достаточно простое, может счесть земную среду пустой, но не враждебной. На самом деле, для него она может даже оказаться раем: в ней есть вода, кислород, органические вещества – и огромное количество хлоридов, которые никому не нужны и просто так валяются без дела.
Кролики в Австралии подвергались более естественному контролю популяции. И по мере размножения наших зверьков они начинают тоннами выбрасывать в биосферу хлорированные метаболиты… Фу-ты, ну-ты. Заражение экологии в планетарном масштабе?
Такого рода биохимическое загрязнение из мира, дышащего хлором, кажется менее вероятным, потому что в нём микробы не будут приспособлены для взаимодействия со свободным кислородом. Но на Земле много бескислородных сред. Может быть, и в этом случае нам тоже стоит быть осторожными.
У кого есть, о чём рассказать?

Перевод: Павел Волков, 2023 г.