Почему жизнь основана на углероде (а не, скажем, на кремнии)?

Все на Земле состоит из углерода и будет состоять из него в обозримом будущем, но может ли жизнь в других уголках Вселенной быть основана на другом веществе?

Удивительно видеть формы жизни, изображенные в фильмах и передовых сериалах, таких как "Очень странные дела", "Аннигиляция", "Прибытие" и "Любовь, смерть и роботы". Эти творческие новые миры порождают наше любопытство и желание узнать, действительно ли такие вещи могут существовать.

Что делает углерод таким особенным?

Углерод — тот невысокий ребенок в классе, который очень общителен и очень легко сближается со всеми.

4 электрона в его внешней оболочке открыты для обмена с кем угодно. Углерод легко образует ковалентные связи с другими элементами из-за своего небольшого размера, а молекулы и соединения, которые он образует, чрезвычайно стабильны. Четырехвалентность углерода и небольшой размер делают его особенным, поэтому он использует любую возможность, чтобы завершить свой октет и стать стабильным.

Катенация (образование связей между атомами углерода) заставляет углерод образовывать необычайно стабильные цепи, разветвления и кольцеобразные структуры. Он не только связывается с другим углеродом, но также образует прочные связи с водородом, кислородом, азотом и многими другими элементами, все из которых являются необходимыми комбинациями в качестве основы для жизни. Прочность связи углерода варьируется в зависимости от ориентации его связи и элемента, с которым он образует связь. Электроположительность, хиральность, температуры плавления и кипения, расстояние между ядрами, силы притяжения и множество других химических и физических свойств играют роль в стабильности и реакционной способности.

Почему не кремний или любой другой элемент?

Наиболее близким элементом к "социальным" способностям углерода является кремний, но кремний большой и несколько интровертный. Несмотря на то, что кремний принадлежит к той же группе, что и углерод, он не способен образовывать прочные и стабильные связи с самим собой или другими элементами, особенно с водородом. Если он и образует устойчивые связи, то они не такие разнообразные, гибкие и сложные, как углеродные. Реакции кремния по сравнению с реакциями углерода также протекают медленнее.

Биохимия также играет важную роль в этом споре. CO2 растворяется в нашей крови и помогает поддерживать рН крови, а растения используют его для фотосинтеза, чтобы вырабатывать кислород, который поддерживает другие виды жизни. А теперь представьте, что вы дышите SiO2, который является кристаллом... кажется, это не очень просто.

Однако некоторые диатомовые водоросли, обитающие в океане, действительно содержат кремний в своей системе, но это не то же самое, что самовоспроизводящиеся углеродные ДНК и РНК, одни из основных биомолекул живых существ.

Возможна ли жизнь на основе какого-либо другого элемента?

По крайней мере, на Земле жизнь останется основанной на углероде.

Гибкость, стабильность и способность углерода создавать полимеры делают его практически идеальным строительным блоком жизни на нашей планете. С химической точки зрения кажется практически невозможным, чтобы кремний заменил углерод, особенно если учесть, что кремний токсичен для некоторых живых организмов.

Суть жизни заключается в строительных блоках белков или подобных соединений, а также в метаболизме и генетическом материале. Мы знаем это благодаря тому, что видели на Земле и в ее формах жизни. Для существования жизни в других местах необходимы определенные соединения, но не обязательно в том же виде. Форма жизни - это просто химический комплекс. На Земле преобладает углерод, но сера, азот, фосфор или кремний также могут быть потенциальными элементами в формировании жизни. Сера образует длинные цепи, как углерод, и некоторые бактерии, такие как тиобациллы, по некоторым данным, выживают на сере. Азот, соединяясь с фосфором, также может образовывать различные молекулы и сложные макромолекулы. Они также образуют элементы ДНК, которая является основой жизни на Земле. Аммиак, метан и этан являются возможными растворителями, которые могли бы заменить воду, поскольку они не разрушают (в отличие от воды) гидролитически нестабильные органические виды, контролируя сложную органическую химическую реактивность, и, скорее всего, являются носителями формы жизни, отличной от той, которую мы себе представляем. Возможные доказательства наличия жидкого аммиака на Титане и в океане Энцелада открывают возможности для обнаружения новых форм жизни. В конце концов, жизнь на Земле также зародилась в океане, богатом сложными молекулами. Ученые также ищут техносигнатуры, которые представляют собой сигналы или индикаторы, свидетельствующие о существовании технологической жизни за пределами Земли, например, наличие радиосигналов. Обнаружение техносигнатуры может дать хороший ключ к любым другим существующим цивилизациям. На нашей планете Земля экстремофилы, термофилы и даже милые маленькие тихоходки эволюционировали до такой степени, что способны пережить все, вплоть до того, что они практически неразрушимы. Не будет ничего удивительного, если они разойдутся в разные стороны, чтобы развиться в отдельный вид, основанный на сере, а не на углероде, и стать источником различных форм жизни.

Многое уходит на создание жизни, и эта статья только коснулась верхушки айсберга. Разочаровывает тот факт, что нам придется довольствоваться научно-фантастическими фильмами о наших неуглеродных формах жизни, но мы не должны отказываться от наших ученых и исследователей, которые постоянно пытаются выйти за рамки нашего углеродного существования.