Вы можете не знать, но углерод является основным элементом жизни на Земле. ДНК и РНК состоят из углерода. Не только углерод, конечно, но он может связываться с другими молекулами, образуя длинные цепи, необходимые для существования жизни. Не только человеческая жизнь, но и каждый отдельный вид жизни от растений до грибов, млекопитающих, насекомых. Все живое на нашей планете основано на углероде.
С технической точки зрения, любая жизнь должна быть основана на углероде. Вполне возможно, что другой элемент мог бы заменить углерод в формировании этих молекулярных цепей, которые составляют строительные блоки жизни, но это все теория. Мы никогда раньше не видели неуглеродную форму жизни, разве что в научной фантастике, и то, это выглядит довольно странно.
Если вся жизнь действительно основана на углероде, то это приводит к вопросу «почему?». Что делает углерод идеальным элементом для формулы жизни? И насколько вероятны теории о других элементах? Какие элементы могли бы образовать жизнь и откуда мы вообще это знаем? Давайте посмотрим!
Что позволяет углероду формировать жизнь?
Несмотря на то, что водород является самым распространенным элементом во вселенной, а кислород необходим для жизни, углерод — это то, что формирует жизнь, и он является самым важным элементом в этом уравнении. Это потому, что углерод обладает некоторыми уникальными свойствами, которых нет у многих других элементов. В частности, углерод действительно хорош, когда дело касается командной работы. Углерод легко связывается с другими элементами, иэти связи прочны .
Поскольку углеродные связи настолько сильны, что это позволяет формировать очень сложные молекулы. ДНК, например, чрезвычайно сложная молекула. Но она работает, потому что углеродные связи удерживают ее вместе. Она может легко образовыватьдлинные полимерные цепи , которые позволяют существовать ДНК и белкам, потому что они могут становиться чрезвычайно длинными.
Молекулярная формула ДНК — C15H31N3O13P2. Как вы видите, углерод занимает в молекуле прочное положение. Он связан здесь с водородом, азотом, кислородом и фосфором. Это основные элементы жизни. Все остальное структурировано вокруг этого, поэтому углерод — это своего рода леса или скелет, на котором основана жизнь.
Наш мир абсолютно полон углерода, особенно по сравнению со многими другими элементами. Углерод на самом деле являетсячетвертым по распространенности элементом во всей Вселенной. Первые три — это водород, гелий и кислород, все из которых являются газами. Таким образом, углерод — самое распространенное твердое вещество, которое вы найдете. Тогда становится понятным, что он может быть неотъемлемой частью жизни, учитывая его распространенность.
Поскольку атомы настолько малы, это значительно облегчает формирование чрезвычайно сложных молекулярных цепочек. Как мы уже упоминали, углерод может образовывать белки, а также сахара. То, что нужно жизни для получения энергии, основано на углероде, как и сама жизнь. Это означает, что живые существа могут расщеплять другиемолекулы на основе углерода, чтобы получать из них энергию для поддержания жизни. Это своего рода микромасштабный сценарий «ты то, что ты ешь».
Углеродный цикл
Земля наслаждается так называемым углеродным циклом. Это макромасштабный процесс, который охватывает все в мире. Он позволяет всей планете перерабатывать углерод, распространять его и, в некотором смысле,обеспечивать возможность продолжения жизни.
В мире есть конечное количество углерода. Мы не уничтожаем его, но и не создаем. Это не то, что мы можем сделать, особенно в таких масштабах. Поэтому у нас есть только столько углерода, сколько у нас когда-либо было. Это означает, что все, кто его использует, в какой-то момент должно будет им поделиться. Вполне возможно, что часть углерода внутри вас сейчас была когда-то внутри Авраама Линкольна, тираннозавра и, возможно, первой горстки одноклеточных организмов, которые плавали в этих бассейнах, когда на нашей планете зародилась жизнь.
Растенияизвлекают углекислый газ из воздуха . Он хранится в земле и корневых системах и может быть снова выпущен, когда эти растения умирают. Океаны поглощают углерод, а живые организмы, такие как животные, выдыхают его в атмосферу для обмена с кислородом.
Большая часть углеродного цикла связана с атмосферой и тем, как углекислый газ влияет на воздух и глобальные температуры. Но вы можете видеть, как углерод также распространяется другими способами, когда он поглощается растениями, растение потребляется животным; животное потребляется нами, и эти атомы углерода постоянно используются в обмене в различных формах. Это не просто углекислый газ, это те белки, сахара и другие молекулы, которые распределяются между организмами в циклическом танце жизни.
Возможны ли другие биохимические процессы?
Итак, если углерод может образовывать основы жизни, поскольку он легко соединяется с другими элементами, могут ли другие элементы выполнять ту же задачу? Как оказалось, хотя углерод хорошо подходит для этой задачи, он не одинок. Помните, что все это чисто теоретически, но что такое наука, если не задавать вопросы, чтобы увидеть, возможно ли что-то?
Кремний
Кремний находится в периодической таблице элементов сразу под углеродом. Обычно это наиболее часто упоминаемый элемент, когда люди обсуждают другие потенциальные формы жизни. Причина этого в том, что кремний во многом имитирует углерод, когда дело доходит до формирования молекул. Он не так хорош в формировании сложных связей с другими элементами, но все равно довольно хорош.
Структурно многие кремниевые связи и молекулы напоминают те, что сделаны с углеродом. Кремний может также создавать прочные связи с кислородом, что было бы необходимо для создания элементов жизни, по крайней мере, как мы их понимаем. Но есть и некоторые потенциальные недостатки.
Не все силиконовые связи будут такими же прочными, как углеродные связи. Кремний идеален для высоких температур, но при нормальных температурах поверхности Землиуглеродные связи намного прочнее . Кроме того, атомы кремния намного больше атомов углерода. Это делает их немного неуклюжими в определенных молекулах и снижает потенциал создания некоторых из самых сложных полимеров, которые производит углерод.
Исследователи сумели манипулировать микробами в лабораториях, чтобысоздать органические соединения из кремния, чего обычно не происходит в природе. Это придает большую силу идее, что, возможно, однажды мы сможем обнаружить кремниевую жизнь во Вселенной.
Метан
Немного более теоретической, чем кремний, является идея потенциальныхформ жизни на основе метана . Здесь все становится гораздо более научным и сложным для понимания. По крайней мере, углерод и кремний являются отдельными элементами. Метан — это молекула, состоящая из углерода и кислорода, так что, может быть, технически это снова жизнь на основе углерода? Тем не менее, метан — это не то, в чем может процветать большая часть жизни на Земле. Вы определенно не хотели бы пытаться дышать им все время.
Исследователи из NASA, изучающие один из спутников Сатурна, Титан, обнаружили в атмосфере винилцианид. Они полагают, что это органическое соединение может обеспечить клеточные мембраны для форм жизни на основе метана. Скорее всего, это будет просто микробная жизнь в метановых океанах, покрывающих луну, но теоретически это может сработать.
Мембраны на Титане должны были бы состоять изазота, углерода и водорода, а не из фосфора и кислорода, которые можно найти здесь, на Земле.
Сера
Древнейшие окаменелости, которые мы когда-либо находили на Земле, датируются 3,4 миллиарда лет. Это было, когда жизнь только зарождалась, и у нас не было планеты, которая выглядела бы так, как сейчас. В атмосфере не было кислорода, не происходило фотосинтеза, который бы превращал углекислый газ во что-то пригодное для дыхания. Мир был жарким, газообразным и крайне негостеприимным для всего, что сейчас живо. Так как же изначально образовалась жизнь и что она делала?
Ископаемые останки, обнаруженные учеными, свидетельствуют о существованиимикробов, основанных на сере . Они использовали серу в качестве источника энергии, который помогал им расти и размножаться. Эти ископаемые также давали некоторую надежду на идею о том, что однажды на Марсе можно будет найти жизнь или, по крайней мере, свидетельства прошлой жизни.
Кроме того, считается, что некоторые соединения серы, которые помогли зародить жизнь на Земле, изначальнопришли из космоса . Если они приземлились здесь и дали начало динозаврам, голубям и футболистам, кто знает, что могло произойти на другой планете?
Аммиак
Как и метан, аммиак — еще одно вещество, в котором большинство живых существ на Земле не будут процветать, мягко говоря. Была выдвинута теория о жизни на основе аммиака , но в данном случае речь идет не о замене аммиаком углерода, чего он не может сделать, поскольку это молекула, а не атом, а о замене воды.
Аммиак не полностью противоречит жизни. Мы производим аммиак в нашей моче, поэтому он является частью нашей биологии, хотя и не считается органическим. Это только потому, что это соединение на основе азота, и в нем нет углерода. Жизнь на основе углерода — это то, что является органическим. Тем не менее, если бы мы могли обнаружить жизнь, не основанную на углероде, вам пришлось бы подкорректировать свое определение органического.
Поскольку так мало планет в Солнечной системе, а возможно, и во всей Вселенной, имеют жидкую воду, не лишено смысла задаваться вопросом, какие еще жидкости могли бы использоваться для формирования жизни. Для жизни, какой мы ее знаем, нужна вода, но кто сказал, что жизнь должна быть такой же, как мы? Вот тут-то и появляется аммиак.
Существуетлишь ограниченное количество жидкостей, которые вы, вероятно, найдете в изобилии даже в нашей собственной солнечной системе. На Меркурии и Венере есть серная кислота. В то время как у нас есть вода, и вода была обнаружена на некоторых лунах там, на более холодных планетах, вероятно, будет аммиак, который имеет более низкую точку замерзания. Если становится холоднее, метан сжижается, и тогда даже азот может присутствовать в жидкой форме на внешних границах системы.
То, что есть жидкий пресс, не означает, что он может работать в форме жизни. Он должен соответствовать ряду критериев, включая то, работает ли он как растворитель, имеет ли низкую вязкость, хорошо ли смягчает температуру и другие факторы. Учитывая все, что необходимо учесть, если мы исключим жидкую воду, которая, как мы знаем, идеальна, то аммиак — наш следующий лучший вариант.
Аммиак — 4-я по распространенности молекула во вселенной, и по химическому составу он очень похож на воду. Он не встречается с водой лицом к лицу во всех отношениях, которые нам нужны для жизни, но мы также основываем свои знания на том, что знаем и видели, поэтому трудно понять, упускаем ли мы детали или нет.
Космическое ожерелье Жизнь
Есть еще одна теория о том, как жизнь могла образоваться где-то во Вселенной, которая оставляет идею углеродной жизни далеко в зеркале заднего вида. Это даже за пределами идеи кремниевой жизни, аммиачной жизни или чего-то подобного. Этокосмическая ожерельная жизнь, и это самая крайняя из крайностей.
Если вы подумаете о том, что знаете об экстремальной жизни на Земле, вы можете придумать что-то вродетихоходки . Эти крошечные организмы могут существовать в условиях экстремального холода, экстремальной жары и даже в вакууме космоса. Существуют также формы жизни, которые существуют вокруг невероятно горячих, токсичных гидротермальных источников , которые извергаются на дне океана. Хотя эти вещи являются исключениями, они показывают, что бывают случаи, когда жизнь может процветать способами, которые бросают вызов нашим ожиданиям. Там, где 99,9% всего остального погибло бы, эти существа живут так же счастливо, как моллюски. Теперь давайте представим это в космическом масштабе.
Если мы исключим то, что, как мы думаем, мы знаем о том, что необходимо для жизни, а именно углерод, кислород, вода, правильная гравитация, правильное расстояние от звезды, мы можем начать искать в некоторых действительно экзотических местах. Например, внутри самих звезд.
Они крайне теоретические, но идея заключается в том, что может существовать частица, мало чем отличающаяся от бозона Хиггса, называемаямагнитным монополем . Мы даже не знаем, реальна ли эта частица. Как и бозон Хиггса, она долгое время была теоретической. Хотя в конечном итоге было доказано, что бозон Хиггса реален, этот все еще ускользает от нас.
Если это реально, то, возможно, оно сможетсплетаться в космические струны , образуя ДНК-подобные структуры внутри звезд. Если способность к самовоспроизведению закодирована в РНК и ДНК, то эти частицы могут выполнять похожую функцию внутри звезд, кодируя и воспроизводя, создавая вид жизни, непохожий ни на что существующее в нашем мире. Это будет жизнь на основе частиц , по крайней мере, ее строительные блоки.
Что касается того, смогут ли эти ожерелья когда-либо превратиться во что-то, обладающее сознанием, то сейчас мы действительно находимся в сфере догадок, и кто может сказать наверняка?
