Чтение онлайн

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.

Некоторые учёные, однако, выразили серьёзную обеспокоенность по поводу пригодности аммиака в качестве среды для жизни. Возражения основаны на том факте, что силы, удерживающие молекулы жидкости вместе, в аммиаке слабее, чем в воде. Попутно отметим, что отсутствие разводов на стекле от аммиака связано именно с этим свойством. Притяжение между молекулами воды создаёт поверхностное натяжение, которое заставляет воду на стекле собираться в капли. Аммиак, обладающий более низким поверхностным натяжением, не образует столько капелек и, следовательно, не оставляет разводов. К сожалению, это свойство молекул аммиака может затруднить им образование длинных цепочек, встречающихся в живых системах.

Как и кремний, аммиак является излюбленным альтернативным веществом среди любителей научной фантастики. Например, его часто используют, чтобы представить жизни в холодных внешних слоях атмосферы газовых гигантов. Его способность растворять металлы также порождает увлекательные дискуссии о том, какие цвета вы могли бы увидеть в аммиачном океане. Однако на данный момент, хотя мы и должны рассматривать аммиачные океаны как возможное место зарождения жизни на экзопланетах, у нас нет доказательств того, что они существуют.

Как следует из термина «природный газ», метан — это газ при тех температурах, которые мы считаем нормальными. Если точнее, то он является жидкостью только при температурах между -260° и -297°F (от -162° до -183°C). Тем не менее, нам известен один мир с такой низкой температурой поверхности, и мы знаем, что в этом мире есть океаны, состоящие из метана и других углеводородов. Таким образом, метан является единственным талассогенным веществом, в отношении которого мы можем быть уверены, что оно действительно участвовало в формировании океана (помимо воды, разумеется).

Мир, о котором мы говорим, — это Титан, самый большой спутник Сатурна. С нашей точки зрения, об этом теле известно два важных факта: во-первых, это единственная луна в Солнечной системе с плотной атмосферой (состоящей в основном из газообразного азота, как у Земли), а во-вторых, она действительно холодная — температура поверхности колеблется около -290°F (-179°C).

Чтобы охарактеризовать этот мир лучше всего, можно сказать, что в нём есть знакомые геологические структуры (например, озёра и горы), состоящие из незнакомых материалов. При температуре поверхности Титана водяной лёд твёрд, как камень, а озёра и океаны состоят из жидкого метана и других углеводородов, как уже упоминалось выше. Самым распространённым из этих других углеводородов является этан, двоюродный брат метана, содержащий два атома углерода. Песчаные дюны вблизи экватора Титана состоят из органических соединений тёмной окраски — один учёный сравнил их с дюнами из кофейной гущи.

Атмосфера Титана представляет собой оранжевую дымку, которая препятствует хорошему обзору поверхности. На протяжении многих лет наблюдения в телескоп и данные с космических аппаратов показали, что атмосфера насыщена сложными органическими соединениями — молекулами, которые значительно сложнее, чем простой метан. Затем, вскоре после прибытия к Сатурну в 2004 году, космический аппарат «Кассини» сбросил зонд в атмосферу Титана, и мы впервые взглянули на его поверхность. Зонд был назван в честь Христиана Гюйгенса (1629-95), голландского астронома, открывшего Титан. Он совершил посадку на поверхность спутника и передавал оттуда данные в течение примерно 90 минут, прежде чем его поглотила поверхность Титана. После этого «Кассини» ещё несколько раз пролетел рядом с Титаном, картировав его поверхность при помощи радара. Теперь в нашем представлении этот спутник — такое место, где углеводороды дождём льются с неба и заполняют моря и озёра. (Интересно, что озера Титана названы в честь аналогов на Земле: например, Онтарио и Каюга.) Именно в этих озёрах и морях учёные надеются отыскать информацию о развитии жизни в метановой среде.

Существует ещё одно важное следствие чрезвычайно низких температур на Титане, которое может повлиять на происхождение жизни. Если, как мы указывали выше, скорость химической реакции снижается вдвое при каждом понижении температуры на 18°F (10°C), то на Титане они займут примерно в миллион раз больше времени, чем на Земле. Таким образом, если для развития жизни в океанах Земли потребовались сотни миллионов лет, как это и было, судя по всему, то для того, чтобы то же самое случилось на Титане, потребовались бы сотни триллионов лет. Это значительно больше, чем возраст Вселенной, поэтому первый вывод, который мы можем сделать, состоит в том, что, даже если жизнь и может развиться в метановом океане, у неё, вероятно, не было времени это сделать. Следовательно, учёные, изучающие химию Титана, говорят о поиске предшественников жизни, а не самой жизни. Если нет таких низкотемпературных процессов, о которых мы не знаем в настоящее время, нам придётся исключить метановые океаны из нашего списка сред, в которых к настоящему времени могла бы развиться жизнь.