Азотна екзотика, списание Popular Mechanics
Съществуването на други форми на живот, коренно различни от нашите земни по наличието, местоположението и броя на лапите, очите, зъбите, ноктите, пипалата и други части на тялото, е една от любимите теми в научнофантастичната литература. Писателите на научна фантастика обаче не се ограничават само до това - те измислят както екзотични форми на традиционен (въглероден) живот, така и неговите не по-малко екзотични основи - например живи кристали, безплътни същества от енергийно поле или силициеви органични създания.
Освен фантастите, учените също обсъждат подобни въпроси, но те са доста по-предпазливи в оценките си. В края на краищата досега единствената основа на живота, която е точно известна на науката, е въглеродът. По едно време обаче известният астроном и популяризатор на науката Карл Сейгън каза, че е напълно погрешно да се обобщават твърденията за земния живот във връзка с живота в цялата вселена. Сейгън нарече подобни обобщения „въглероден шовинизъм“, докато самият той смяташе силиция за най-вероятната алтернативна основа за живот.
Основният въпрос на живота
Какво е живот? Изглежда, че отговорът на този въпрос е очевиден, но колкото и да е странно, все още има дискусии относно формалните критерии в научната общност. Въпреки това могат да се разграничат редица характерни черти: животът трябва да се самовъзпроизвежда и да се развива, като за това трябва да бъдат изпълнени няколко важни условия. Първо, за съществуването на живот са необходими голям брой химични съединения, състоящи се главно от ограничен брой химични елементи. В органичната химия това са въглерод, водород, азот, кислород, сяра и броят на тези съединения е огромен. На второ място, тези съединения трябва да са термодинамично стабилни или поне метастабилни, тоест животът им трябва да е достатъчно дълъг, за да протичат различни биохимични реакции. Третото условие е да има реакции за извличане на енергия от околната среда, както и нейното натрупване и отделяне. Четвърто, самовъзпроизводимостта на живота изисква механизъм на наследственост, при който голяма апериодична молекула действа като носител на информация. Ервин Шрьодингер предполага, че апериодичен кристал може да бъде носител на наследствена информация, а по-късно е открита структурата на ДНК молекулата, линеен съполимер. И накрая, всички тези вещества трябва да бъдат в течно състояние, за да се осигури достатъчна скорост на метаболитни реакции (метаболизъм) поради дифузия.
Традиционни алтернативи
При въглерода всички тези условия са изпълнени, но дори и при най-близката алтернатива – силиция – положението далеч не е толкова розово. Органосилициевите молекули могат да бъдат достатъчно дълги, за да носят наследствена информация, но тяхното разнообразие е твърде бедно в сравнение с въглеродните органични - поради по-големия размер на силициевите атоми е трудно да се образуват двойни връзки, което значително ограничава възможностите за свързване на различни функционални групи. В допълнение, ограничаващите силициеви водороди - силани - са напълно нестабилни. Разбира се, има и стабилни съединения като силикати, но повечето от тях са твърди вещества при нормални условия. С други елементи, като бор или сяра, ситуацията е още по-тъжна: органоборът и високомолекулните серни съединения са изключително нестабилни и тяхното разнообразие е твърде бедно, за да осигури живот с всички необходими условия.
Под напрежение
„Азотът никога не е бил разглеждан сериозно като основа за живота, тъй като при нормални условия единственото стабилно азотно съединение е амонякът NH3“, казва Артем Оганов, ръководител на лабораторията за компютърен дизайн на материали в MIPT, професор в университета Stony Brook в Ню Йорк и Института за наука и технологии Сколково (Skoltech). „Въпреки това, наскоро, докато моделирахме различни азотни системи при високи налягания (до 800 GPa), използвайки нашия алгоритъм USPEX (Universal Structure Predictor: Evolutionary Xtallography), нашата група откри изненадващонещо. Оказа се, че при налягане от над 36 GPA (360 000 atm) се появяват редица стабилни азотни -кардуми, като дълги едномерни полимерни вериги от връзките N4H, N3H, N2H, N2H, екзотични N9H4, образуващи двумерни листове от азотен атом с NH4+, както и молекулни съединения на N8H, NH2, NH2, NH2, NH2, NH2, NH2, NH2, NH2, NH2, NH2, NH2, NH2, NH2 N3H7, NH4, NH5. Всъщност ние открихме, че при налягания от порядъка на 40–60 GPa азотно-водородната химия в нейното разнообразие значително надвишава химията на въглеводородните съединения при нормални условия. Това ни позволява да се надяваме, че химията на системите, включващи азот, водород, кислород и сяра, също е по-богата в разнообразието си от традиционните органични при нормални условия.
стъпка към живота
Тази хипотеза на групата на Артем Огановразкрива напълно неочаквани възможности по отношение на невъглеродната основа на живота. „Азотите могат да образуват дълги полимерни вериги и дори двуизмерни листове“, обяснява Артем. „Сега ние изучаваме свойствата на такива системи с участието на кислород, след което ще добавим въглерод и сяра към нашите модели и това може би ще отвори пътя към азотните аналози на въглеродните протеини, дори ако за начало те са най-простите, без активни центрове и сложна структура. Въпросът за източниците на енергия за основан на азот живот все още е отворен, въпреки че това може да са някои окислително-редукционни реакции, които все още не са ни известни, протичащи при условия на високо налягане. В действителност такива условия могат да съществуват в дълбините на гигантски планети като Уран или Нептун, въпреки че температурите там са твърде високи. Но въпреки че не знаем точно какви реакции могат да протичат там и кои от тях са важни за живота, следователно не можем да оценим точно необходимия температурен диапазон.
Условията за "обитание" на живи същества, базирани на азотни съединения, може да изглеждат изключително екзотични за читателите. Но е достатъчно да си припомним факта, че разпространението на гигантски планети в звездните системи е най-малкото не по-малко от подобните на скалиста земя планети. А това означава, че във Вселената нашият въглероден живот може да се окаже много по-екзотичен.