Вид с высоты

Известно, что полярные жидкости способны растворять только полярные вещества, а неполярные жидкости растворяют только неполярные вещества.

Поэтому вода (которая полярна) растворяет соль и сахар (также полярные соединения), но не растворяет жиры и масла (неполярные соединения, называемые липидами). Отсюда возникла поговорка: «Масло и вода не смешиваются никогда».

С другой стороны, метан, неполярное соединение, растворяет липиды, но не растворяет ни сахара, ни соли.

Белки и нуклеиновые кислоты полярны и в метане не растворяются. Оказывается, очень трудно представить себе структуру, соответствующую нашим понятиям о том, какими должны быть белок и нуклеиновая кислота, чтобы они могли растворяться в метане.

Метан в качестве фона для жизни требует смены исполнителей главных ролей.

Для этого нам придется решить вопрос, какие именно свойства делают белки и нуклеиновые кислоты необходимыми для жизни.

Ну, во-первых, они построены из гигантских молекул, почти бесконечно разнообразных по своей структуре и потому обладающих способностью легко изменяться, — это необходимая основа для почти бесконечного разнообразия жизни.

А нет ли каких-либо других веществ со столь же большими и сложными, но неполярными молекулами, тоже способными растворяться в метане? Самыми распространенными неполярными соединениями, ассоциирующимися с жизнью, являются липиды; здесь возникает вопрос: а может быть, существуют липиды с гигантскими молекулами?

Это не просто предположение. Такие гигантские молекулы липидов существуют на самом деле. В частности, в ткани мозга есть гигантские липидные молекулы сложной структуры (их функции неизвестны). Очень распространены в природе так называемые липопротеиды; эти соединения состоят как из липидов, так и из белков, объединенных в единые гигантские молекулы. Пока что человек всего лишь чуть-чуть затронул поверхность химии липидов; по-видимому, возможности неполярной молекулы гораздо больше, чем мы представляли себе до последнего времени.

Вспомните также, что биохимическая эволюция жизни на Земле шла в основном в полярной водной среде. Если бы жизнь развивалась в такой неполярной среде, как метан, то под действием тех же эволюционных сил молекулы липидов изменялись бы, создавались бы сложные и хрупкие нестабильные формы молекул, способные в конце концов выполнять функции, которые в нашем представлении обычно связываются с белками и нуклеиновыми кислотами.

В поисках веществ, имеющих в жидком состоянии еще более низкую температуру, чем метан, мы столкнемся лишь с водородом, гелием и неоном. Если исключить гелий и неон, останется водород — самое распространенное вещество Вселенной. (Некоторые астрономы считают, что, возможно, 4/5 Юпитера — это водород, а остальное — в основном гелий… в таком случае мы можем распрощаться с океанами аммиака.)

Водород становится жидким при –253 градусах и замерзает при –259 градусах; никакое давление не может поднять его температуру кипения выше –240 градусов. Это всего на 20–30 градусов выше абсолютного нуля, и поэтому более холодного фона для жизни, чем водород, представить невозможно. Водород неполярен, так что снова исполнителем главной роли был бы какой-нибудь липид.

До сих пор мы говорили о планетах более «холодных», чем Земля. А как же обстоит дело с планетами более «горячими»?

Начнем с того, что с химической точки зрения одни планеты резко отличаются от других. В солнечной системе, как, очевидно, и во всей Вселенной, существует три типа планет.

На холодных планетах молекулярные движения замедленны, и поэтому в процессе образования планета может удержать даже водород и гелий (самые легкие, а следовательно, и самые подвижные из всех веществ). Так как все здесь состоит из водорода и гелия, планеты имеют большие размеры. Вот известные нам примеры: Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун.

На «горячих» планетах, где молекулярное движение ускорено, водород и гелий улетают в пространство. Более сложных атомов — этих жалких примесей в могучем океане водорода и гелия — хватает лишь на образование маленьких планет. Из основных соединений водорода остается только вода. Температура ее кипения выше, чем у остальных участников трио метан — аммиак — вода. Кроме того, вода лучше всего подходит для образования прочных соединений с силикатами, из которых состоит твердая кора планеты.

Возникают такие миры, как Марс, Земля и Венера. Здесь аммиачная и метановая формы жизни невозможны. Во-первых, при температуре этих планет аммиак и метан существуют в газообразном состоянии. Во-вторых, даже если спустя много миллионов лет и наступит период полного обледенения (температура при этом упадет достаточно сильно, чтобы аммиак или метан стали жидкими), — все равно количество аммиака и метана будет недостаточным для поддержания аммиачной или метановой формы жизни на любой из этих планет.

А теперь представьте себе мир еще более теплый, чем наше умеренное трио планет, мир настолько горячий, что в нем нет даже воды. Пример — Меркурий. Это твердое каменное тело; если в нем и есть водород или соединения водорода, то их очень мало.

Неужели здесь вовсе немыслимы формы жизни, которые можно было бы связать с существующими химическими механизмами?

Не обязательно.

Есть неводородные жидкости с температурой кипения выше, чем у воды. В космическом масштабе наиболее распространенной жидкостью такого рода была бы сера — при давлении в одну атмосферу она плавится при 113 градусах и кипит при 445 градусах (именно такова температура на солнечной стороне Меркурия).

Но кто же станет исполнителем главных ролей на этом фоне?

Рассмотренные нами до сих пор сложные молекулярные структуры — это обыкновенные органические молекулы, то есть гигантские молекулы, состоящие главным образом из углерода и водорода, с кислородом и азотом в качестве главных (по количеству) «примесей» и серой и фосфором в качестве второстепенных (опять-таки по количеству). Если бы молекула состояла только из углерода и водорода, она была бы неполярной, — кислород и азот придают ей полярные свойства.

На фоне воды (а она, как известно, состоит из кислорода и водорода) следует ожидать, что в живой ткани атомов кислорода больше, чем атомов азота. На Земле именно так и обстоит дело. На фоне аммиака, как мне кажется, атомы азота будут превалировать над атомами кислорода. Два подвида соответствующих белков и нуклеиновых кислот можно было бы отличать друг от друга, ставя в скобки О или N (чтобы указать, каких атомов больше).

Липиды, играющие главные роли на фоне метана и водорода, бедны как кислородом, так и азотом; они почти целиком состоят из углерода и водорода и поэтому неполярны.

Но на такой горячей планете, как Меркурий, ни белки, ни нуклеиновые кислоты, ни липиды не могли бы существовать. При температуре жидкой серы все известные нам органические соединения — кроме простейших — разрушаются. Земные белки при температуре от 60 градусов и выше разрушаются уже через несколько минут.

Как же тогда стабилизировать органические соединения? Первое, что приходит в голову, — это заменить водород каким-нибудь другим элементом, так как в горячих мирах ощущается острая нехватка водорода.

Давайте поговорим о водороде. Атом водорода — самый маленький из всех атомов; его можно протиснуть в молекулярную структуру там, где другие атомы не пройдут. В любую, даже самую сложную углеродную цепочку можно со всех сторон втиснуть маленькие атомы водорода — получатся углеводороды. Любой другой атом оказался бы для этого слишком большим… кроме одного.

«Кроме одного»! Какого же? Оказывается, только атом фтора по размерам почти так же мал, как атом водорода, и обладает сходными химическими свойствами (по крайней мере в отношении способности участвовать в определенных комбинациях молекул). К сожалению, фтор так активен, что химикам очень трудно с ним работать, и поэтому они, естественно, больше занимались исследованиями не столь агрессивных элементов.