Внеземная жизнь
Даже если вы не изучаете биологию, то все равно, вероятно, знаете, что основной элемент жизни на Земле — углерод. Его валентность и атомный вес очень удобны для формирования миллионов биомолекул и веществ. Также земная жизнь активно использует кислород, водород, азот, а «варится» все это в водяном «бульоне». Но вдруг на планете, подобной нашей, будет недостаточно углерода? Или воды? Как бы тогда на ней развивалась жизнь? Начинаем фантазировать и одновременно строить научные прогнозы.
Биологический доппельгангер*
* Темный двойник в литературе романтизма.
У человека две руки, они похожи друг на друга, но при этом такие разные, будто одна — отражение другой в зеркале. Таким же свойством обладают и органические молекулы: аминокислоты, сахара и другие. Когда ученые открыли эту особенность, то не стали долго думать и назвали ее «хиральность», от греческого слова хер — «рука» (аналогично нашему примеру).
С тех пор прошло много времени, и биохимики придумали несколько способов классификации «левых» и «правых» молекул. Выяснилось, что во всех живых организмах по большей части преобладают «левые» белки и «правые» нуклеиновые кислоты.
Почему так произошло, до сих пор неясно. Однако один важный факт был множество раз подтвержден экспериментально: если молекула представлена в природе в «левой» форме, то «правую» ее форму организм просто не сможет усвоить, и наоборот, а в некоторых случаях она вообще станет ядом! Это как если бы вы пытались надеть перчатку на другую руку и сломали себе палец.
Одна из теорий гласит, что на другой планете жизнь будет развиваться «в зеркальном отражении». Это простое относительно других теорий предположение: оно не требует размышлять о фантастических биохимических процессах и удивительных молекулах. Мы просто позволяем эволюционному случаю решить судьбу внеземной жизни.
Да, и самое интересное — внешность организмов с «отзеркаленной» химией. Вероятно, она никак не изменится, разве что органы зрения могут слегка видоизмениться.
Нашатырный спирт вместо воды
Но теперь мы перейдем к чему-то более экзотическому. Скажем, на планете нет воды или ее слишком мало для развития жизни. Какие есть альтернативы для всемирного растворителя? Первый кандидат на замену — аммиак. Его молекула похожа на воду — один относительно тяжелый атом неметалла, окруженный водородами, — и обладает аналогичными свойствами. Прежде всего — полярностью, это уже большой шаг к тому, чтобы растворять соли и белки. Аммиак весит почти как вода, размерами почти как вода — кажется, будто замена Н20 найдена...
Но нет. Есть у основного ингредиента нашатырного спирта и существенные недостатки.
Прежде всего аммиак в нормальных, в понимании людей, условиях существует в состоянии газа, что, мягко говоря, мешает быть растворителем. Однако при температурах -70-30 °С он становится жидкостью. При таком холоде водяная форма жизни не сможет существовать, а вот аммиачная или аммиачно-водяная — вполне. Конечно, скорость химических реакций будет значительна снижена, но не равна О. Кроме того, аммиак обладает меньшей теплоемкостью, чем вода, а значит, аммиачные моря вряд ли сделают климат вокруг себя мягким. Да и силы поверхностного натяжения у аммиака слабые — прощайте любые наземные растения. Ведь именно благодаря высокому поверхностному натяжению вода и минеральные вещества достигают листьев.
Список проблем не короче списка достоинств. Ситуация неоднозначная, но можно утверждать, что существование жизни на чистом аммиаке или нашатырном спиоте вероятно, иначе мы бы не упоминали об этом.
In silico
До этого мы пытались заменить биологические молекулы и воду, а теперь пришла пора главного элемента. Самая популярная теория альтернативной биохимии — это кремниевый мир. Кремний — достойная замена углерода: та же группа в периодической таблице, те же четыре электрона на внешней орбите. Но все опять упирается в физические свойства и температурные диапазоны.
Диоксид кремния, SiO2, в этой теории выступает аналогом углекислого газа. Вот только на Земле он встречается исключительно в твердой форме — температура плавления диоксида кремния 1600 °С, что уж говорить про испарение. В таких условиях даже в научной фантастике жизнь не сможет суще-ствовать. Теперь судьба организмов, которые в процессе дыхания потенциально выделяют SiO2, незавидна: через какое-то время они просто «выдышат» весь кремний и превратят в недоступную для самих же себя форму. Жизнь на планете с такими условиями будет неяркой и короткой.
Единственная надежда — силикаты и силиконы. Первые — разнообразные соединения кремния с другими элементами, а вторые — полимерные цепочки Si-0-Si. Только с их помощью можно с горем пополам собрать устойчивые молекулы в адекватном диапазоне температур, да и то при дополнительных условиях. Так что цените углерод — его не так-то просто заменить.
Шифр, что невозможно разгадать
Наконец, мы подошли к самому ценному, к тому, чем дорожат все организмы и в чем слились мудрость предков и родовые традиции, эволюционные ошибки и результаты инцеста. Речь о нуклеиновых кислотах, а именно ДНК и РНК. Ирония в том, что вопреки своему ключевому значению для эволюции, они имеют простое строение: сахар, фосфорная кислота, нуклеотид. Это и есть три параметра, которые мы можем менять. Скажем сразу: замена кислоты не окажет значительного эффекта, так что ее мы рассматривать не будем.
Из оставшихся вариантов проще заменить сахар. Тогда это будет уже не ДНК или РНК, а ХНК, где Х означает неизвестный углевод. Такие нуклеиновые кислоты потенциально более стабильные, так как природные ферменты просто не могут за них правильно зацепиться. При этом стоит немного поэкспериментировать с ферментами (создать искусственные) — и мы сможем перенести информацию с ДНК на ХНК так же легко, как с компьютера на внешний диск. Проблема возникает с прочтением файлов, но это уже дело будущего.
Намного интереснее заменять нуклеотиды, ведь в них вся суть нуклеиновых кислот. Изменение этого параметра в перспективе способно перевернуть основу молекулярной биологии. Уже создана хатимодзи-ДНК, в которой вместе с четырьмя природными нуклеотидами содержатся четыре искусственных. По результатам экспериментов только вирусы кое-как могут с ней работать. Но если предположить, что в будущем мы создадим полностью искусственные нуклеотиды, это будет настоящий переворот в генетических исследованиях. Селекция — детская игрушка, а генная инженерия — простая перестановка по сравнению с технологий ксенонуклеиновых кислот. Рождение организма, работающего по инструкции таких кислот, станет беспрецедентным событием в истории жизни на Земле и начнет новую главу эволюции. Такое существо получит абсолютный иммунитет к вирусам, ведь их попытки заразить этого «чужого» будут похожи на старания заговорить с человеком на языке, который во всем мире знает только он.
