XVI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2024

Биогенные элементы - это набор химических элементов, входящих в состав живых организмов и необходимых для их нормальной жизнедеятельности и протекания химических процессов. К ним относятся: углерод, водород, кислород и азот.

Основная задача альтернативной биохимии - оценить возможность замены биогенных элементов на другие, предположительно способные стать основой иных форм жизни.

Рассмотрим в данной работе биогенный элемент углерод и вещества, предлагаемые для его замены, попытаемся обозначить условия для жизнеподобных процессов.

Учёные немало высказывались на тему возможности построения органических молекул с помощью других атомов, но никто не предложил теорию, описывающую возможность воссоздания всего многообразия соединений, необходимых для существования жизни. В настоящее время ученые называют следующих наиболее вероятных претендентов на роль структурообразующего атома.

Среди наиболее вероятных претендентов на эту роль в альтернативной биохимии называют кремний. Он находится в той же группе периодической системы, что и углерод, их свойства во многом схожи. Однако атом кремния имеют большие массу и радиус. Образование кремнием двойных или тройных ковалентных связей сравнительно затруднено, что может помешать образованию биополимеров. Соединения кремния не могут быть настолько разнообразны, как соединения углерода.

Как и углерод, кремний может образовывать четыре устойчивые связи с самим собой и другими элементами, а также длинные химические цепи, известные как силановые (кремниевые) полимеры, которые очень похожи на углеводороды, необходимые для жизни на Земле. Кремний более активен, чем углерод, что делает его оптимальным для экстремально холодных условий. Соединения кремния могут быть биологически полезными при температурах или давлениях, отличных от таковых на поверхности Земли, в роли (либо в сочетании), которая менее прямо аналогична углероду.

Силиконы — полимеры, включающие цепочки чередующихся атомов кремния и кислорода, более жаропрочны. На этом основании предполагается, что кремниевая жизнь может существовать на планетах со средней температурой, значительно превышающей земную. В этом случае, роль универсального растворителя должна играть не вода, а соединения со значительно более высокой температурой кипения.

Так, например, предполагается, что соединения кремния будут стабильнее углеродных молекул в среде серной кислоты, то есть в условиях, которые могут существовать на других планетах. В целом же, сложные молекулы с кремниево-кислородной цепью менее устойчивы по сравнению с углерод-кислородными аналогами.

Диоксид кремния (основной компонент песка), являющийся аналогом углекислого газа, представляет собой твёрдое, малорастворимое вещество. Это создаёт трудности для поступления кремния в биологические системы, основанные на водных растворах, даже если окажется возможным существование биологических молекул на его основе. Организмы на основе кремния, если они дышат кислородом, вероятно, выделяют диоксид кремния в качестве побочного продукта, подобно тому как углеродные организмы выделяют диоксид углерода — Однако в отличие от диоксида углерода диоксид кремния был бы в твердом состоянии, и поэтомy, мог бы забить дыхательные пути песком. Можно однако представить выделительные органы, сравнимые с почками, которые в случае этой гипотетической биохимии удаляют из организма своего рода силикатный гель. Ведь в качестве отходов азотные соединения у животных удаляются в основном в виде мочевины. Или же силикатные соединения могут выделятся в твердой форме, как например некоторые ящерицы обитающие в пустыне, выделяют мочевую кислоту через ноздри.

При всём разнообразии молекул, которые были обнаружены в межзвёздной среде, 84 основаны на углероде и лишь 8 — на кремнии. Более того, из этих 8 соединений 4 включают углерод. (Это косвенно указывает на небольшую возможность промежуточного, кремний-углеродного, варианта биохимии.) Примерное соотношение космического углерода к космическому кремнию — 10 к 1. Это даёт основание предполагать, что сложные углеродные соединения более распространены во Вселенной, уменьшая шанс формирования жизни на основе кремния, по крайней мере в тех условиях, которые можно ожидать на поверхностях планет с условиями подобными земным.

На Земле, как и на других планетах земной группы, много кремния и очень мало углерода. Однако, земная жизнь развилась на основе углерода. Это свидетельствует в пользу того, что углерод более подходит для формирования биохимических процессов на планетах, подобных нашей. Остаётся возможность того, что при других комбинациях температуры и давления кремний может участвовать в формировании биологических молекул в качестве замены углероду.