Элементы жизни: почему не кремний и не фтор

Элементы жизниВ 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».

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. Экзобиологические 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 фтороводород 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 NH3 и HR . Однако я при­держиваюсь водно-углеродного шови­низма и собираюсь обосновать свою позицию при помощи ядерной физики.

Во Вселенной больше всего водо­рода, второе место за гелием. 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 с четными. 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 (D — дейтерий, е+ — позитрон, ve — электронное нейтрино, γ — фотон):

р + р 2D + е+ + ve + 0,4 МэВ,

2D + р 3Не + γ + 5,49 МэВ,

3Не + 3Не 4Не + 2р + 12,85 МэВ.

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:

12C + p 13N + γ + 1,95 МэВ,

13N 13C + e+ + ve + 1,37 МэВ,

13C + p  14N + γ + 7,54 МэВ,

14N + p 15O + γ +7,29 МэВ,

15O 15N + e+ + ve + 2,76 МэВ,

15N + p  12C + 4He + 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.

Распространенность элементов1
Распространенность элементов во Вселенной

Жизнь тяжелых звезд оказывается интереснее. Их гелиевая сердцевина разогревается настолько, что в ней за­жигается следующая термоядерная ре­акция — 3-альфа процесс, превращение гелия в углерод:

4He + 4He 8Be + γ + 0,09 МэВ,

8Be + 4He  12C + γ + 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:

12С + 12С →  20Nе + 4Не,

12С + 1624Мg + 4Не,

16O + 16O   28Si + 4Не,

16С + 20Ne  32S + 4Не.

Выделяющиеся альфа-частицы также могут захватываться ядрами:

20Ne + 4He 24Mg + γ,

24Mg + 4He 28Si + γ,

28Si + 4He 32S + γ.

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 56Ni и 60Zn, 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 к тому, 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):

Боразол2

Боразол B3H6N3 (аналог бензола) и пентаборан B5H9

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).

Декаметилциклопентасилоксан3
Декаметилциклопентасилоксан — одно из устойчивых и широко используемых кремнийорганических соединений

Синтез большинства кремнийоргани­ческих веществ требует отсутствия воды. Более подходящим растворителем был бы фтороводород HF Однако единственный устойчивый изотоп фтора — 19F — 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

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Можно использовать следующие HTML-теги и атрибуты: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <strike> <strong>