Можно ли заменить воду: аммиак, метан, жидкий CO₂ (Выпуск №4)

Глава 4. Можно ли заменить воду: аммиак, метан, жидкий CO₂ и другие варианты

Суть главы: обзор гипотетических растворителей для альтернативных биохимических систем.

Основные темы: жидкая среда необходима для химических реакций обмена веществ, однако растворителем не обязательно должна выступать вода. Среди кандидатов рассматриваются аммиак, жидкий метан (как на Титане), серная кислота и углекислый газ. Жидкий диоксид углерода представляет особую перспективу, так как ускоряет работу ферментов и существует в естественных условиях на Земле и экзопланетах.

Если заменить уникальную химию углерода практически нечем, то с заменой воды ситуация выглядит гораздо интереснее: здесь возможен широкий спектр альтернативных растворителей.

Но чтобы понять, чем её можно заменить, сначала нужно понять, почему вода вообще настолько удобна для жизни.

Какими свойствами должна обладать среда для жизни? 

Если мы говорим о жизни, построенной на сложной химии, веществам нужна подвижная среда, в которой молекулы могут встречаться, вступать в реакции и переносить продукты обмена. Жидкость для этого подходит лучше всего. В твёрдом веществе молекулы слишком сильно связаны, а в газе концентрации обычно слишком низкие, чтобы сложная химия шла эффективно.

При поиске альтернатив воде приходится ориентироваться на космическую распространенность элементов: водорода, углерода, азота, кислорода и серы. Есть несколько наиболее обсуждаемых кандидатов: аммиак, метан, жидкий азот, серная кислота и углекислый газ. Но есть и более экзотические варианты, например, жидкий диоксид серы.

Серная кислота есть на Венере в виде облаков, но для большинства сложных органических молекул такая среда крайне агрессивна.

Аммиак встречается на спутниках Сатурна, например на Энцеладе, в составе водно-аммиачной смеси - своего рода природного антифриза. Такая среда уже сильно отличается от земной, поэтому привычная земная биохимия в ней вряд ли сохранила бы нормальную работоспособность. Однако возможна принципиально иная органика. Из трещин ледяной коры Энцелады бьют мощные гейзеры, шлейфы которых питают кольцо E Сатурна.

Метан жидкий есть на Титане, спутнике Сатурна. Там есть реки и озёра из жидких углеводородов - в основном метана и этана. Например, глубина моря Кракена оценивается более чем в триста метров. Там твердый водяной лед заменяет камни, а в  атмосфере висит густой оранжевый смог из сложной органики. 

Для такой жизни учёные даже предложили теоретическую модель клеточной мембраны - азотосомы. Их основу мог бы составлять акрилонитрил. Источником энергии могла бы служить реакция ацетилена с водородом: она теоретически способна выделять энергию, которую организм мог бы использовать. Данные миссии "Кассини - Гюйгенс" обнаружили странность: у поверхности Титана молекулярного водорода становится меньше, чем ожидалось, а ацетилен тоже куда-то исчезает. Одна из гипотез - их потребляет какая-то форма жизни. Но пока это всего лишь гипотеза.

Жидкий азот есть на Тритоне, спутнике Нептуна, где зафиксированы азотные гейзеры. Жидкий азот интересен как очень холодный растворитель для некоторых гипотетических кремнийсодержащих систем. Жидкий аозн не является эффективным растворителем потому что его химические свойства плохо подходят для растворения и проведения сложной биохимии.  Но в природе кремний в основном связан с кислородом, образуя прочные минералы.  Так что естественная жизнь там маловероятна.  

Диоксид серы есть на Ио, вулканическом спутнике Юпитера, где действуют мощные вулканы и происходят выбросы сернистых соединений. Но там экстремальная радиационная обстановка и вообще очень жёсткие условия..  

И наконец, диоксид углерода CO₂. При повышенном давлении он переходит в жидкое состояние. А при ещё более высоких температурах и давлениях может перейти в сверхкритическое состояние.

Некоторые ферменты способны работать в жидком или сверхкритическом CO₂, а низкая вязкость и высокая диффузионная способность такой среды иногда ускоряют отдельные реакции. Но универсального правила здесь нет: активность зависит от конкретного фермента, температуры, давления и содержания воды

И это не только теория.  Например, в гидротермальной системе Йонагуни в Окинавской впадине на глубине около полутора километров обнаружено настоящее подводное озеро жидкого углекислого газа. А в осадках вокруг такого озера живут многочисленные экстремофильные микроорганизмы.

Но здесь возникает важный вопрос: достаточно ли этого, чтобы такая среда могла поддерживать не просто отдельные микроорганизмы по соседству, а полноценную биохимическую систему?

Жидкий CO₂ существует в природе, причём рядом с ним обнаруживается жизнь.

А значит, жидкий CO₂ не просто экзотический растворитель из лаборатории. 

Жидкий CO₂ сам по себе нельзя просто описать как водный кислотный раствор. Кислотность в обычном смысле появляется прежде всего при взаимодействии CO₂ с водой. Кроме того, проблема ДНК в такой среде гораздо глубже: растворимость, стабилизация структуры, гидратация и сама химия нуклеиновых кислот.

Но здесь возникает фундаментальная проблема. То, что отдельные белки способны работать в CO₂, ещё не означает, что в такой среде сможет существовать полноценная клетка. Нужно решить сразу несколько задач: как стабилизировать белки, как хранить наследственную информацию и как обеспечить сложную химию обмена веществ практически без воды. Поэтому жидкий CO₂ - интересный кандидат на роль растворителя, но пока не готовая модель альтернативной жизни.

• Как вы думаете, способна ли жизнь зародиться в условиях, где вместо привычной воды используются жидкие углеводороды вроде метана?
• Какой из экзотических растворителе: аммиак, метан или диоксид серы: кажется вам наиболее перспективным для поиска внеземных организмов?
• Может ли гипотетическая азотосома стать реальным аналогом клеточной мембраны для организмов в криогенных мирах?

Предыдущий выпуск №3
Финальный выпуск №5