Кремниевая и углеродная форма жизни на Земле

Углеродная форма жизни на Земле – от слизистых бактерий до разумных людей имеют одну и ту же базовую биохимию. Углерод, по-видимому, является атомом, наилучшим образом подходящим для образования длинноцепочечных молекул, необходимых для жизни. Откуда мы знаем, что другие биохимии невозможны?

Возможно, другие виды биологии настолько отличаются от жизни на Земле, что мы не знаем, как их изучать и даже обнаруживать другие формы жизни.углеродная форма жизни

Кремниевая форма жизни

Например, элемент кремний (Si) имеет химические свойства, аналогичные свойствам углерода, и поэтому может быть пригоден вместо углерода в качестве основы для некоторых живых организмов.

Такая альтернативная биохимия может иметь реальные преимущества, подразумевая, что жизнь на основе кремния может быть выбрана для выживания в странных уголках и трещинах на нашей планете, или, возможно, особенно в чужеродной среде на внеземных телах.

Почему нет «кремниевой» жизни

Почему же тогда на Земле нет форм жизни, основанных на кремнии, особенно учитывая, что кремний примерно в 135 раз более распространен, чем углерод на нашей планете?

Углерод имеет более прочные связи

Ответ заключается в том, что, хотя кремний имеет преимущество в интенсивном нагревании, углерод преобладает в типичных средах на поверхности Земли или вблизи нее. То есть при так называемой комнатной температуре 20 градусов углерод связывается с другими атомами более прочно, и особенно с другими атомами. В частности, углерод с его 4 непарными внешними электронами может образовывать плотные химические связи, разделяя эти электроны с другими элементами.

Аналогично, хотя кремний является возможной альтернативой углероду, чтобы понять, почему он не так прочен как углерод, рассмотрим следующее.

Кремний, расположенный чуть ниже углерода в той же колонке периодической таблицы элементов, также имеет 4 неспаренных электрона на своей внешней орбите. Увы, как отмечалось выше, кремний не может связываться с другими атомами так же, как углерод. Это происходит потому, что 4 неспаренных электрона атома углерода обычно находятся на его второй орбитали и поскольку 8 – это максимальное число электронов, допустимое на второй орбитали любого атома, эта орбиталь становится полной и завершенной, когда углерод связывается с другими атомами со всех 4 сторон.

Соответственно, химическая связь углерода является одной из самых сильных.

Напротив, 4 неспаренных электрона кремния обычно находятся на его третьей орбитали и здесь максимальное число электронов, разрешенных на третьей орбитали любого атома, составляет 18.  Хотя кремний обычно может иметь атомы, связанные с каждой из его 4 сторон, так же, как углерод, Кремниевая связь не так сильна, как углеродная связь, потому что внешняя орбиталь кремния часто не имеет полного набора электронов, даже когда она связана с другими атомами. Как правило, углеродные связи вдвое прочнее кремниевых.

Еще более важно то, что углерод наиболее сильно связан с другими атомами углерода. Это особенно верно для алмаза, который состоит из атомов углерода, связанных друг с другом. На самом деле алмаз – самое твердое из известных веществ; твердость обусловлена большой прочностью связи. Кроме того, углеродные связи также не подвержены влиянию воды, что дает углероду еще одно преимущество в наиболее вероятной жидкой среде для жизни. Кремний, с другой стороны, не так хорошо связывается с другими атомами кремния, и совсем не хорошо в присутствии многих жидкостей. Цепи кремния особенно неустойчивы в воде; они распадаются на части.

Алмаз является самым твердым из известных веществ. Каждый атом, состоящий из чистых атомов углерода, прочно связан с 4 другими атомами.

Тот факт, что связь углерод-углерод сильнее, чем связь кремний-кремний, особенно при погружении в жидкость, является важным фактором, благоприятствующим жизни на основе этого элемента.

Образование сложных химических связей

Другая причина-нежелание кремния образовывать двойные и тройные связи, которые обычно придают еще большую прочность группе из двух или более атомов. Углерод создает сложный порядок соединения атомов элементов –  химическое строение.

Кроме того углерод легко образует длинные цепи, и он распространен во всей Вселенной.

Реагирование кислорода и углерода

Третий аргумент в пользу углеродной жизни – высокое космическое изобилие кислорода. Когда C химически реагирует с O, в результате образуется углекислый газ CO2. Это газ и поэтому может легко сочетаться с другими соединениями; в нашем случае люди выдыхают углекислый газ после того, как вдыхаемый O реагирует с C в наших телах во время дыхания. Однако, когда кремний (Si) вступает в реакцию с O, в результате получается кварц (SiO2), который является твердым веществом, которое вряд ли легко взаимодействует с другими соединениями. Можете ли вы представить себе живых существ, выдыхающих кварцевые частички каждый раз, когда они делают вдох? Фотосинтез и дыхание основополагающая часть нашей жизни.

Поэтому нас не должно удивлять, что кремний не играет никакой биохимической роли на Земле, несмотря на его широкое распространение.

Возможные другие типы жизни

При соответствующих условиях на любой планете, как на углеродной, так и на кремниевой основе, может первоначально сформироваться жизнь. Могут возникнуть и другие типы жизни – возможно, на основе редкого элемента Германия, который также имеет 4 электрона на своей внешней (четвертой) орбите, поскольку он также находится в том же столбце периодической таблицы, что и углерод.

Однако углеродная форма жизни, несомненно, в конечном счете уничтожит все другие типы жизни. Углерод, очевидно, обладает большей гибкостью и прочностью сцепления и может лучше адаптироваться к изменяющимся сухо-влажным условиям. Таким образом, с химической точки зрения углеродная форма жизни  лучше всего подходит для того, чтобы служить основой длинноцепочечных молекул, необходимых для жизни.

Несмотря на эти сильные утверждения, мы не должны полностью закрывать свой разум от странных биохимических явлений. Некоторые планеты могут иметь странные физические условия, которые на самом деле благоприятствуют другим типам жизни.

Например, тепло приходит на ум как одно из таких свойств, которое, возможно, предпочтет химию кремниевой и углеродной формой жизни.

Кремний-кислородные связи могут выдерживать температуру до 300 градусов по Цельсию, а кремний-алюминиевые почти до 600 градусов по Цельсию. Напротив, углеродные связи любого типа разрушаются при таких высоких температурах, что делает жизнь на основе углерода невозможной. Это термостойкое свойство кремния является основной причиной того, что силиконовые компаунды часто используются в качестве промышленных смазок; даже горячее оборудование работает плавно с кремниевой смазкой.

Если бы жизнь на основе кремния возникла на горячей планете где-нибудь в Галактике, ее гибкость и приспособляемость все еще были бы сильно ограничены. Это не исключает простых, примитивных типов жизни на основе кремния, живущих в таких чуждых мирах.

Но, основываясь на всем, что известно о химии, трудно представить себе что-либо столь сложное, как разумная жизнь, основанная на других элементах.