Элементы жизни - почему не кремний и не фтор
Подробнее
Художник А.Бродский Элементы жизни: почему не кремний БИОГЕНЕЗ В научных представлениях о происхождении жизни в последнее десятилетие происходит настоящая революция, и она далеко не завершена. Прочтение геномов полутора тысяч видов микроорганизмов, с одной стороны, и новые геохимические методы, примененные как к Земле, так и к другим телам Солнечной системы, с другой стороны, принесли огромное количество новых данных о древней Земле и первых шагах жизни. К сожалению, эта информация доступна только на английском языке, а на русском рассказывается лишь о немногих отдельных достижениях в книге Александра Маркова «Рождение сложности» (М., «Corpus», 2010). Цикл статей, предлагаемый вниманию читателей, отчасти восполнит этот пробел. Автор — научный сотрудник НИИ физико-химической биологии имени А. Н. Белозерского (подразделение МГУ), основная область его научных интересов — эволюционная геномика. Статьи представляют собой переработанный курс лекций, которые Михаил Александрович Никитин читает на Летней экологической школе с 2010 года. (Эта школа для старшеклассников, интересующихся биологией, проходит в условиях палаточного лагеря в лесу, большинство преподавателей — действующие ученые либо аспиранты.) Задачей их было напомнить слушателям базовые факты о биогенезе и дать по возможности целостную картину новейших достижений науки, которые еще не скоро попадут в учебники. Почему все живое состоит из углерода, кислорода, азота и водорода? Стандартный ответ, который можно найти в литературе: потому, что атомы углерода способны образовывать цепочки и кольца, создавая гигантское разнообразие органических молекул. И потому, что вода — вещество с уникальными свойствами, способное растворять огромное разнообразие веществ, а также стабилизировать температуру за счет высокой теплоемкости, теплоты замерзания и теплоты испарения. Экзобиоло-гические исследования (поиски жизни вне Земли) концентрируются на планетах с такой температурой поверхности, при которой возможно существование жидкой воды. Великий астроном Карл Саган жестко критиковал эту позицию, называя ее «водно-углеродным шовинизмом». По его мнению, другим ученым просто не хватает фантазии, чтобы представить себе альтернативную биохимию на иных химических элементах. В фантастике часто можно встретить описания кремнийорганической жизни или жизни, использующей фтороводо-род либо аммиак в качестве растворителя. Кремний действительно способен образовывать сложные молекулы с длинными цепочками и кольцами атомов. Такой же способностью обладает и бор, на который, насколько мне известно, фантасты не обращали внимания. Воду в качестве растворителя действительно могут заменить ЫН,, и НР Однако я придерживаюсь водно-углеродного шовинизма и собираюсь обосновать свою позицию при помощи ядерной физики. Во Вселенной больше всего водорода, второе место за гелием (рис.1). Следом идут углерод, кислород и азот. Три легких элемента — литий, бериллий, бор — весьма редки. От кислорода и до титана распространенность элементов плавно убывает, причем элементы с нечетными атомными номерами встречаются реже, чем счетными. Затем идут несколько широко распространенных металлов — хром, марганец, железо, никель. Элементы, следующие за никелем и особенно за цинком, совсем редки. Почему так получается? Ядра тяжелее дейтерия (тяжелого водорода) образуются в основном в термоядерных реакциях, протекающих в звездах. Простейшая из таких реакций, имеющая самую низкую температуру зажигания, — протон-протонный цикл. Благодаря ему светят Солнце и другие звезды небольшой массы. В этой реакции четыре протона в несколько стадий превращаются в ядро гелия с выделением энергии (О — дейтерий, е+— позитрон, у,— электронное нейтрино, у — фотон): р + р -*20 + е‘ + ме + 0,4 МэВ, + р -> 3Не + у + 5,49 МэВ, 3Не + 3Не - ■‘Не + 2р + 12,85 МэВ. 34
5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 Распространенность хкментов во Всаенной ('(http://upload.wikimedia.Org/wikipedia/commons/e/e6/ 5о1агЗу51етАЬип0апсе5.рпд)) В более массивных звездах (от полутора масс Солнца) зажигается следующая реакция — углерод-азотный цикл. В нем также протоны превращаются в ядра гелия, а ядро углерода выступает в качестве катализатора. Второй итог этой реакции — частичное превращение углерода в азот и кислород: ’2С + р - ’3Ы + у + 1,95 МэВ, 1зм ^ 1зС + е+ + ^ + 1 зу МэВ, 13С + р -* |4Ы + у + 7,54 МэВ, ,4Ы + р - ,50 + у +7,29 МэВ, 150 - т>м + е+ + уе + 2,76 МэВ, ,5Ы + р - ,2С + "Не + 4,96 МэВ. Так или иначе, со временем в центре звезды кончается водород и образуется скопление гелия. Горение водорода продолжается в тонком слое вокруг гелиевого ядра. Внешние оболочки звезды при этом раздуваются, звезда становится красным гигантом. Если масса звезды невелика, то по мере исчерпания водорода в центре оболочка будет сброшена, а горячая гелиевая сердцевина станет видна на небе как белый карлик и за несколько миллионов лет остынет и погаснет. Жизнь тяжелых звезд оказывается интереснее. Их гелиевая сердцевина разогревается настолько, что в ней зажигается следующая термоядерная реакция — 3-альфа процесс, превращение гелия в углерод: 4Не + 4Не - 8Ве + у + 0,09 МэВ, 8Ве + 4Не - ,2С + у + 7,37 МэВ. Стареющая звезда получает новый мощный источник энергии и становится сверхгигантом. У более массивных сверхгигантов по мере сгорания гелия начинаются термоядерные реакции с участием углерода и кислорода, в них образуются ядра неона, магния, кремния, серы и так далее — изотопы с четным числом протонов и нейтронов: '2С+ '2С-20Ме + 4Не, 12С + ,60 - 24Мд + 4Не, 1б0 + |60-* 2851 + 4Не, ,6С + “Ые - 325 + 4Не. Выделяющиеся альфа-частицы также могут захватываться ядрами: 20Ые + 4Не - 24Мд + у, 24Мд + 4Не - 2851 + у, 28Б1 + 4Не - 32Б + у. Чем более тяжелые ядра сливаются, тем быстрее идут реакции. Если горение водорода в массивной звезде растягивается на десятки миллионов лет, то горение гелия продолжается только сотни тысяч лет. Горение углерода и кислорода с образованием неона, магния и кремния занимает сотни лет. Наконец, превращение кремния и серы в металлы занимает сутки. Выделение энергии в этих реакциях заканчивается с образованием ядер 561Ч1 и 602п, синтез более тяжелых ядер происходит уже с поглощением энергии. В центре звезды-сверхгиганта накапливаются металлы, и выделение энергии прекращается. Остывание центра звезды приводит к потере устойчивости — оболочки начинают падать к центру, звезда сжимается и взрывается. Светимость звезды в этот момент возрастает в миллиарды раз, и астрономы говорят о вспышке сверхновой. В нижних слоях ядра образуется огромное количество нейтронов, которые быстро захватываются атомными ядрами. Так синтезируются все возможные тяжелые элементы от натрия и магния до нестабильных трансурановых, как четные, так и нечетные. Ударная волна разносит все оболочки звезды по космосу, первые тысячи лет после этого они видны как светящаяся планетарная туманность. На месте звезды остается маленький сверхплотный остаток — нейтронная звезда или черная дыра, а большая часть вещества возвращается в газопылевые облака, обогащая их тяжелыми элементами. Есть несколько типов ядер, которые синтезируются в других процессах. Во-первых, это дейтерий — тяжелый водород. В звездах он быстро превращается в гелий, и считается, что современные запасы дейтерия образовались из водорода вскоре после Большого взрыва, причем от превращения в гелий их предохранило быстрое остывание Вселенной. Во-вторых, три легких элемента — литий, бериллий и бор — в условиях звезд легко превращаются в гелий и углерод, и их синтез происходит в межзвездной среде в реакциях с участием космических лучей. Пики на графике, соответствующие свинцу, урану и торию, означают, что заметная часть этих элементов образовалась путем распада их более тяжелых соседей. Свинец и висмут — два последних стабильных элемента, а уран и торий — два последних относительно стабильных (период полураспада измеряется миллиардами лет). Таким образом, существование жизни на основе бора запрещено ядерной физикой: малая устойчивость ядра этого элемента приводит ктому, что его содержание во Вселенной в миллион раз меньше, чем кислорода и углерода. Об этом можно сожалеть, потому что химия бора интересна и разнообразна, а в паре с азотом он может образовать близкие аналоги органических соединений углерода (рис. 2): 2 Пира ни В ,Н6 /V, (аналог бензола) и пентаборан 1121, С кремниевой жизнью сложнее. Хотя сам кремний доступен в изобилии, в присутствии кислорода и воды он склонен образовывать весьма устойчивые нерастворимые силикаты. В отличие от углерода, кремний не образует сложные пи-связи, охватывающие более двух атомов, — а только благодаря пи-связям органические молекулы способны к сложным взаимодействиям со светом, вплоть до фотосинтеза (рис. 3). Н,С \ / Н3С СН3 \/ \ / Б1 СН, СИ, О О \ / ^Зл Н3С / 0 \ СН3 3 Н3С СН3 Декаметилцик.юпентаси.юксан — одно из устойчивых и широко используемых кремнийорганических соединений Синтез большинства кремнийорганических веществ требует отсутствия воды. Более подходящим растворителем был бы фтороводород НЕ Однако единственный устойчивый изотоп фтора — '9Е — образуется в звездных ядерных реакциях с весьма малым выходом, и содержание фтора во Вселенной примерно в десять тысяч раз ниже, чем кислорода. Кислород же и углерод являются самыми распространенными элементами Вселенной после водорода и гелия, и неудивительно, что живые организмы состоят в основном из них. Пока остановимся на этом, а в следующем номере расскажем, как возникли первые научные представления о происхождении жизни. М.А.Никитин 35 ■Химия и жизнь», 2013, № 1, www.hij.ru
Спекулятивная биология,Реактор познавательный,Химия и жизнь (журнал),биология,Спекулятивная биология (статьи)
Еще на тему
9.4
9.6
-0.7
1.9
1.3
0.2
14.3
0.5
0.0
