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

— Кремнийорганический инопланетянин, худ. Lei Chen and Yan Liang (BeautyOfScience.com) / Caltech

— 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 напряжённость 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, 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.

Озеро Моно выглядит так, словно принадлежит другому миру. Как и его обитатели (фото: King of Hearts)

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.

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

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».

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

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.

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

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.

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 живых существ

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.