Жизнь на нашей планете является единственной известной людям в настоящее время. Базируется она на потрясающем многообразии углеродных соединений. Тем временем этот химический элемент – не единственный, который может стать основой для жизни.

Одной из любимых тем всех писателей фантастов является вероятность иных видов жизни, от привычного нам земного принципиально отличающихся количеством или расположением тех или иных частей тела. Полет их фантазии этим не ограничивается. Они изобретают не только экзотические виды углеродной, традиционной, жизни, но и иные, не менее оригинальные варианты: энергетические бестелесные создания, живые кристаллы, кремнийорганические существа.

Обсуждают подобные темы не только фантасты, но и вполне серьезные ученые. Последние, однако, в своих предположениях более осторожны. Ведь в настоящее время наука точно знает лишь об одной форме жизни – углеродной. И все-таки Карл Саган, популяризатор науки и известный астроном, говорил уже, что абсолютно некорректным является обобщение утверждений о жизни земной относительно жизни в остальной Вселенной. Такие обобщения он назвал даже «углеродным шовинизмом». В качестве самой вероятной альтернативы для жизненной основы он рассматривал преимущественно кремний.

Вопрос жизненной важности

Что же такое сама жизнь? Ответ на данный вопрос кажется очевидным, однако в научном сообществе все еще дискутируют относительно формальных критериев. Можно при этом уже сейчас выделить несколько характерных признаков. Жизнь просто обязана эволюционировать и самовоспроизводиться. Для этого придется соблюсти ряд важнейших условий.

В первую очередь, для существования жизни требуется значительное число химических соединений. Они, в свою очередь, состоят преимущественно из ограниченного количества химических элементов. Если говорить об органической химии, то это сера, кислород, углерод, азот, водород, при этом количество подобных соединений невероятно велико.

Во-вторых, соединениям этим следует быть стабильными термодинамически, в крайнем случае – метастабильными. Иными словами, их жизненное время должно  быть продолжительным мере, достаточной для осуществления разнообразных биохимических реакций.

В-третьих, требуется существование реакций для извлечения из окружающей среды энергии, последующего ее накопления, а затем – высвобождения. И четвертое условие  - для самовоспроизводимости жизни необходим механизм наследственности, в котором носителем информации должна стать довольно большая апериодическая молекула.

Как полагал еще Эрвин Шредингер, носителем такой наследственной информации в состоянии оказаться некий апериодический кристалл. Впоследствии открыли структуру молекулы ДНК, линейного сополимера. Последним условием является жидкое состояние, в котором должны находиться все приведенные выше вещества. Оно обеспечит достаточную скорость реакций обмена веществ, или метаболизма, благодаря диффузии.

Привычные альтернативы

Приведенные нами условия точно выполняются в случае с углеродом. Не так радужно обстоит дело с кремнием, являющимся ближайшей его альтернативой.  Кремнийорганические молекулы бывают достаточно длинными для сохранения наследственной информации. Однако если сравнивать с углеродной органикой, многообразие их чересчур бедно.

У кремния атомы больше, поэтому ему сложно образовывать двойные связи. Это является ограничением для возможности присоединения разнообразных функциональных групп. Более того, силаны, предельные кремнийводороды, совсем нестабильны. Конечно, бывают соединения более стабильные, силикаты, например. Но большая часть из них является твердыми в обычных условиях веществами.

Еще хуже история с прочими элементами – скажем,  серой или бором. У серы весьма нестабильны высокомолекулярные соединения, равно как и борорганика. Многообразие же чересчур бедно для обеспечения жизни всеми требуемыми для нее условиями.

Сильное давление

В качестве основы для жизни азот вообще всерьез никогда не рассматривали. Ведь в нормальных условиях одним единственным азотоводородным стабильным соединением оказался аммиак NH3. Правда, не так давно группа ученых проводила моделирование при сильных давлениях, до 800 ГПа, разнообразных азотоводородных систем, пользуясь при этом алгоритмом USPEX, или Universal Structure Predictor: Evolutionary Xtallography (что означает Универсальный предсказатель структур: эволюционная кристаллография).

При этом удалось выявить удивительную вещь. Как выяснилось, при давлениях, превышающих 360 тысяч атмосфер, или 36 ГПа, появляется ряд довольно стабильных азотоводородов. Это длинные полимерные одномерные цепи, состоящие из звеньев N4H, N3H, N2H и NH, а также редкостные N9H4, которые образуют 2-мерные листы атомов азота, к которым присоединены катионы NH4+, также и молекулярные соединения N8H, NH2, N3H7, NH4, NH5.

Иными словами, фактически обнаружили, что в случае давлений около 40 – 60 ГПА по разнообразию азотоводородная химия может серьезно превзойти химию  углеводородных соединений в условиях нормальных. А значит. можно рассчитывать, что химия, в которой участвуют сера, кислород, водород и азот, также богаче по своему разнообразию, нежели в нормальных условиях органическая, нормальная.

Шаги в сторону жизни

Данная гипотеза предоставляет нам неожиданные ранее возможности, касающиеся неуглеродной жизненной основы. Азотоводороды в состоянии образовать не только полимерные цепи, но и двухмерные листы. Исследователи изучают свойства такого рода систем, в которых участвует кислород. Затем они перейдут к сере с углеродом. Это может открыть путь азотным аналогам известных уже углеродных белков, для старта, возможно, простейших: без сложной структуры и активных центров.

Проблема источников энергии для базирующейся на азоте жизни все еще не  решена. Однако ими могут оказаться некие окислительно-восстановительные реакции, которые идут в ситуации высоких давлений и нам пока неизвестны. Фактически подобные условия могут существовать в недрах таких гигантских планет, как Нептун или Уран (хотя там и чересчур большие температуры). Ученые еще не знают, какие там могут идти реакции, а также какие из них могут стать важными для жизни. А значит, относительно точно прикинуть требуемый температурный диапазон пока нереально.

Условия существования живых существ на базе азотных соединений кажутся многим из нас слишком уж экзотичными. Но не стоит забывать и того, что звездных системах планет гигантов существует ничуть не меньше, чем подобных Земле каменистых планет. А значит, с точки зрения Вселенной, как раз углеродная, то есть наша, жизнь может казаться значительно большей экзотикой.

Ситуацию комментирует Артем Оганов, который руководит в МФТИ лабораторией компьютерного дизайна материалов, а также является профессором Сколковского института науки и технологий и Нью-Йоркского университета Стоуни-Брук. По его словам азот во Вселенной является седьмым элементом по распространенности. В составе гигантских планет, вроде Нептуна с Ураном, его относительно много. Полагают, что там он находится преимущественно в виде  аммиака. Однако как показывает моделирование, при давлениях, превышающих 460 ГПа, стабильным соединением аммиак уже не является, в отличие от нормальных условий. Поэтому вероятно, что в недрах гигантских планет существуют радикально иные молекулы. Именно над исследованием такой химии и работают ныне ученые.

Экзотика азота

В условиях значительных давлений водород с азотом образуют немало необычных, сложных и стабильных соединений. Химия подобных азотоводородов невероятно разнообразнее углеводородной в условиях нормы. А значит, появился шанс, что азото- кислородо- водородо-сернистые соединения по богатству возможностей в состоянии превосходить органическую химию.

Вероятно для того, чтобы найти экзотическую жизнь, нам не потребуется отправляться в дальний конец Вселенной. В нашей же собственной Солнечной системе уже есть пара планет со вполне подходящими условиями. Нептун с Ураном окутаны состоящей из метана, гелия и водорода атмосферой. Скорее всего, у них есть железо- силикатно- никелевое ядро.

Между атмосферой и ядром расположена мантия, которая состоит из горячей жидкости, а именно, смеси метана, аммиака и воды. Как раз в такой жидкости в случае подходящих давлений на соответствующих глубинах в состоянии происходить распад аммиака, предсказанный группой Артема Оганова, с возникновением не только экзотических азотоводородов, но и соединений более сложных, с включением серы, углерода и кислорода.

Более того, у Нептуна есть и внутренний тепловой источник. Природу его, правда, все еще не выяснили точно. Предполагают, что речь идет о гравитационном, химическом или радиогенном нагреве. Таким образом, зона обитаемости вокруг различных звезд (не только нашей) может быть значительно расширена. Она далеко выходит за границы нашей углеродной, невероятно хрупкой жизни.