Кремний, фосфор и метан как основа органики: возможна ли небелковая жизнь?

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, когда Галилео Галилей рассмотрел на Луне горы. Мистический серебристый диск на небе обернулся миром, похожим на Землю! С этого момента населёнными стали считаться все планеты нашей системы, 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?

Когда первые космические аппараты достигли Марса и передали на Землю фотографии планеты, мы увидели лишь ржавую пустыню без признаков жизни. Стало окончательно ясно, что условия, подходящие даже для самой неприхотливой бактерии, встречаются в космосе очень редко. Искать обитаемые миры придётся в других звёздных системах, а это — задача отдалённого будущего.

Но что, если в условиях, не похожих на земные, жизнь всё-таки существует — только другая, приспособленная именно к этим условиям? Почему бы и нет — ведь в 2010 году во вполне земном 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 предположить, что космические тела, абсолютно, казалось бы, для жизни не пригодные, всё-таки населены. Небелковой жизнью.

Химия жизни

Прежде чем фантазировать, какой может быть небелковая жизнь, следует разобраться с тем, что вообще считать живым. С точки зрения химии, «жизнь» — всего лишь реакция автокатализа сложных органических молекул. Катализатором называют вещество, которое ускоряет некоторые химические процессы, не участвуя в них. Например, в присутствии железа ускоряется синтез хлорофилла. Сам 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 станет появление ещё одной такой же молекулы, — это автокатализ.

Органические и неорганические вещества, обладающие автокаталитическими свойствами и способные в определённых обстоятельствах «размножаться», хорошо известны науке. Но считать молекулу по-настоящему «живой» можно лишь при ещё одном условии. 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, «научившаяся», например, использовать побочные или промежуточные продукты автокатализа для синтеза необходимых материалов, тем больше у неё будет копий, обладающих теми же полезными свойствами. А уж дальше процесс не остановить. Где конкуренция и отбор, там и прогресс.

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

Тайна происхождения жизни на Земле будет раскрыта ещё не скоро, потому что мы имеем дело с уравнением, в котором нет известных значений. Первая «живая» молекула принялась плодить себе подобных в условиях, ныне не существующих и с трудом поддающихся реконструкции. За четыре миллиарда лет наша планета изменилась до неузнаваемости, как, впрочем, и Солнце. Недаром такое значение придают 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. Например, не только «живые молекулы», но и даже первые бактерии ещё не производили органику сами и полностью зависели от поставок материалов из недр планеты. Благо океаны в ту пору были неглубокие (воды на планете было в 700 раз меньше, чем сейчас) и примерно на 1% состояли из углеводородов, благодаря чему именовались «первичным бульоном».

Лишь 3,7 миллиарда лет назад, доев бульон, бактерии начали осваивать самостоятельный синтез. Сначала аноксигенный, для которого, помимо углекислоты, требовался сероводород или даже простой водород. 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. Но если условия были бы иными, для жизни вполне сгодилось бы и другое вещество.

На основе кремния

Глубже всего учёные проработали концепцию внеземной жизни, основанной не на углероде, а на кремнии. Любили к ней обращаться и фантасты (среди отечественных книг — «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.

На первой взгляд, у жизни на основе кремния есть несколько преимуществ. Кремний более распространён, чем углерод. Кроме того, силаны — полимерные цепочки из водорода и кремния — более устойчивы к высокой температуре, чем углеводороды. Но далее начинаются затруднения. Увы, но жизни на основе кремния попросту не из чего возникнуть.

Как отмечалось выше, на самом раннем этапе автокаталитическая молекула должна синтезировать свои копии из уже готовых материалов. Вот только «комплектующие» для углеродной жизни распространены повсеместно — аминокислоты, например, обнаружены даже в межгалактическом пространстве. Кремневодороды же слишком неустойчивы химически и в природе встречаются крайне редко. Трудно себе представить естественные условия, в которых они могли бы накопиться в достаточном количестве, чтобы образовать питательную среду для первого «существа-вещества».

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 у 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 нетрудно найти и второй необходимый для синтеза компонент — сероводород. Вот только сами озёра расплавленного камня встречаются нечасто и существуют недолго. А магма в мантии планеты будет слишком горяча.

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 создаст великую цивилизацию, ибо сероводород редок, а переход к синтезу на основе воды будет невозможен. Вода не уживётся с магмой.

Остаются лишь труднопредставимые условия на поверхности силикатных ядер «горячих» планет-гигантов. Там расплавленный камень может соседствовать с богатой водородом атмосферой. В дефиците, однако, окажется энергия, необходимая для разложения весьма устойчивого диоксида кремния. Нужный для фотосинтеза свет не достигнет дна газового «океана». Для хемосинтеза же требуются химически активный окислитель. Нетрудно догадаться, что с ним случится в плотной атмосфере из раскалённого водорода.

Есть, впрочем, и ещё одно ограничение, делающее жизнь на основе кремния маловероятной. В любых, даже самых экзотических моделях живых существ 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.

Ледяная жизнь

В «Миллионе приключений» Булычёва Плутон населяют «снеговики». Они твёрдые, пока в тени, а выйдя на солнце, переходят в газообразную форму — и не поймаешь (рис. Е. Мигунова)

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 Андерсона «Завоевать три мира» и рассказе Кира Булычёва «Снегурочка». Ведь аммиак замерзает лишь при температуре −78 градусов.

С точки зрения метаболизма «нитроиды» окажутся «существами навыворот». Земные растения синтезируют горючее — углеводороды, вырабатывая 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. Для нитроидов подойдут лёгкие и холодные планеты-гиганты с твёрдым ядром и морями жидкого аммиака. А такие встречаются даже чаще планет земного типа.

Вот только 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. После этого развитие «нитроидов» не встретит никаких серьёзных препятствий, помимо дефицита энергии. А энергии потребуется много, ведь холод затрудняет разборку фосфина и аммиака на необходимые для синтеза органики «детали». Вот только энергии в ледяном мире много не бывает, иначе он не был бы ледяным.

Свет для фотосинтеза азотные растения смогут найти лишь в верхних слоях атмосферы. Газообразная среда только кажется не слишком подходящей для жизни — даже 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. Планету окружает 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 также в тучах Сатурна, Урана и Нептуна.

Метаногенная жизнь

Из всех космических тел Солнечной системы больше всего на Землю похож спутник Сатурна Титан. По крайней мере, внешне. Не считая нашей планеты, только на Титане атмосфера состоит преимущественно из азота и только там 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 вполне может заменить воду в качестве растворителя. Но слишком уж там холодно — замёрзнут даже азот-фосфорные существа, по жилам которых течёт жидкий аммиак. При такой температуре химические реакции крайне затруднены. И автокаталитическая молекула здесь будет не иметь с ДНК ничего общего.

Тем не менее именно на Титане обнаружены признаки жизни. Во всяком случае, на спутнике Сатурна протекают атмосферные процессы, объяснить 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 обогащать свободным водородом уже наличествующие углеводородные молекулы.

Кислота

В рассуждениях об альтернативных формах жизни учёным приходится отталкиваться от хорошо зарекомендовавшей себя на нашей планете ДНК. Может ли что-нибудь сложное и автокаталитическое существовать на принципиально иной основе? Исключить такой вариант нельзя.

ДНК состоит из нуклеотидов, в состав которых, в свою очередь, входят углерод, водород, азот, кислород и фосфор. Первые два элемента основные. Водород заменять нечем, да и незачем. Если же заместить углерод кремнием или же вовсе исключить этот химический элемент из состава молекулы, как в случае ледяными существами, неизвестно, сохранит ли двойная спираль автокаталитические свойства. В теории должна, 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 небольшом изменении может оказаться крайне неожиданным.

Лучше всего реальным условиям соответствует «альтернативная» жизнь, в органике которой кислород заменили на серу. Вроде бы мелочь, но в таком случае синтез становится возможным только при замене воды, превращающейся в смертельный яд, на серную кислоту! А это означает, что подходящие условия для гипотетических «сероуглеродных» бактерий можно найти на соседней к нам планете.

Именно из серной кислоты состоят облака на безводной Венере. На дополнительные мысли наводит и 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 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.

Некросфера

Не все обитатели фантастических миров согласятся с тем, что жизнь — явление химическое. У классиков фантастики — например, Станислава Лема (рассказ «Правда») или Артура Кларка (роман «Из солнечного чрева») — упоминаются существа, состоящие даже из магнитных полей и раскалённой плазмы. В романе у того же 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.

Общая черта всех «нехимических» чудовищ — их загадочное и, скорее всего, искусственное происхождение. Наделённое разумом существо не появится случайно. Сложное должно образоваться из простого. А единственный известный науке путь развития от простого к сложному — эволюция. Но непонятно, что будет носителем наследственности в сгустке плазмы и каким образом облако газа или океан могут быть подвержены мутациям и естественному отбору.

* * *

Как 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, чем на земле. А сырьём для фотосинтеза служат сама кислота и углекислый газ, из которого атмосфера Венеры состоит почти целиком.

Другой вопрос, что основанный на сере метаболизм делает невозможным и ненужным фотосинтез с выделением кислорода. Анаэробное же дыхание не обеспечит достаточной энергии для движения. А значит, крупные и подвижные хищники вряд ли когда-либо атакуют земные зонды в атмосфере Венеры.

То же касается и атмосферы Юпитера, и этановых морей Титана. Фантасту, конечно, ничто не помешает населить бурые тучи планет-гигантов летающими китами. Но в реальности полёт в атмосфере Юпитера невозможен: гравитация слишком велика. Жизнь может зародиться в самых неожиданных местах, но ей предстоит пройти немало трудностей, чтобы породить что-то сложнее бактерий.