Воображаемая жизнь

Представьте себе молекулу воды, приближающуюся к куску вещества. Чисто теоретически предположим, что она приближается отрицательным концом вперёд. Молекула в веществе будет испытывать воздействие электрических сил от обоих концов приближающейся молекулы воды, но те, которые связаны с отрицательно заряженным концом, находящимся ближе, будут оказывать более сильное воздействие. Вступив в контакт с молекулой вещества, молекула воды приобретает чистый отрицательный заряд. Из-за этого электроны в молекулах материала будут отталкиваться от приближающейся воды, оставляя в веществе положительно заряженную область, обращённую в сторону молекулы воды. В итоге у нас получается, что к положительному концу молекул материала приближается отрицательно заряженный конец молекулы воды.

Мы знаем, что противоположные электрические заряды притягиваются, а это означает, что, как только электроны сместятся, как описано выше, между молекулой воды и молекулой вещества возникнет сила притяжения. Это вытянет молекулу вещества из её первоначального положения, и по мере продолжения этого процесса вещество будет растворяться молекула за молекулой.

Любой, у кого есть кулинарный опыт, знает, что один из способов удалить липкий налёт с кастрюль и тарелок — просто дать им немного побыть в воде. Эта маленькая кухонная хитрость работает, потому что полярные процессы, запущенные конфигурацией электронов в молекуле воды, медленно растворяют липкий материал.

Учёные рассуждали о многих веществах, которые могли бы заменить воду в химии жизни. В целом мы можем выделить здесь две функции воды. Одна из них, упомянутая выше — просто быть средой, поддерживающей сложные молекулы. Для описания жидкостей, способных образовывать жидкие океаны, писатель-фантаст и биохимик Айзек Азимов придумал слово «талассоген» (образователь морей). Вторая функция — участие в химических процессах жизни. Образование молекул воды играет определённую роль в создании так называемой пептидной связи, которая, например, удерживает белки вместе. Далее мы рассмотрим два возможных заменителя воды. Один из них — аммиак, распространённая молекула, больше всех похожая на воду, а другой — метан. Последний упомянут здесь, потому что мы знаем об одном метановом океане во Вселенной — он находится на спутнике Сатурна Титане.

Давайте начнем с аммиака, NH₃. Аммиак, состоящий из азота и водорода, двух распространённых элементов, является обычным веществом — это была одна из первых сложных молекул, обнаруженных в межзвёздных облаках. Вы, вероятно, сталкивались с ним в виде водного раствора, обычного бытового чистящего средства (его часто используют для стекла и керамики, потому что он высыхает, не оставляя разводов). И, конечно же, он играет важную роль в производстве удобрений, которые позволяют относительно небольшому числу фермеров прокормить миллиарды людей на нашей планете. При давлении в 1 атмосферу аммиак представляет собой жидкость в диапазоне от -108° до -28°F (от -78° до -33°C). В этом состоянии он способен растворять самые разнообразные материалы, в том числе некоторые металлы. Кроме того, многие важные молекулы, обнаруженные в системах на основе углерода, имеют аналоги в системах на основе аммиака. Относительное изобилие аммиака и такого рода химические свойства побудили некоторых учёных предложить его в качестве заменителя воды в процессе развития жизни.

Однако здесь есть некоторые проблемы. Вероятно, важнейшей из них является то, что аммиак является жидкостью только при температурах, которые значительно ниже, чем встречающиеся в большинстве мест на Земле. Как правило, при понижении температуры химические реакции замедляются. Вот почему мы используем холодильники и морозильники — если уж об этом заговорили, порча продуктов представляет собой химический процесс. У химиков есть общее эмпирическое правило, согласно которому скорость реакции падает вдвое при каждом снижении температуры на 18°F (10°C). Таким образом, химические реакции в аммиачном океане происходили бы примерно в 30-50 раз медленнее, чем в относительно спокойных океанах Земли. Таким образом, развитие жизни, которое на Земле заняло сотни миллионов лет, в аммиачном океане может занять несколько миллиардов лет. (Мы столкнёмся с проблемой температуры в ещё более выраженной форме далее, когда будем обсуждать жидкий метан.)

Отметив этот момент, мы должны добавить, что не рассматриваем сравнительно низкую температуру жидкого аммиака как абсолютный барьер для развития жизни — как основанной на углероде, так и какой-либо иной. Это просто означает, что для развития жизни в мире, океаны которого состоят из аммиака, потребуется больше времени. Можно было бы рассчитать размеры ЗООЗ для планетных систем с аммиачными океанами, хотя мы не знаем, делалось ли это вообще. Вероятно, они будут находиться дальше от звезды, чем ЗООЗ для воды.