Разумная жизнь во Вселенной - Юрий Мизун

Для биологического растворителя F2O подходят молекулы трехфтористого аргон-бора. В нем аргон действует как связывающее звено между группами BF2. Типичное соединение имеет формулу A»–4BF3. Связь осуществляется и с помощью следующего механизма. Атом инертного газа в присутствии сильного диполя сильно поляризуется. Поэтому он сам начинает действовать как диполь. Ясно, что при этом он действует на первоначальный диполь. Происходит следующее: электроны смещены на одну сторону, а на другой стороне образуется местный избыток положительного заряда. Этот избыточный положительный заряд может притянуть электрон из другого атома. Эта связь является слабой, но для осуществления жизненных функций она и должна быть слабой. При сильной связи молекулы не могут быть лабильными. Таким образом, и в этом плане F2O заслуживает особого внимания. Молекула F2O является сильным диполем. Поэтому она может принимать участие в реакциях такого типа с инертными газами. При этом должны образовываться молекулярные соединения. Ничего в этом неожиданного нет. Хорошо известно, что инертные газы образуют такие соединения с водой, аммиаком и фенолами. В такого рода соединения могут входить HF и HCN, которые являются сильными диполями. Некоторые из этих соединений при низких температурах будут стабильными в той мере, в какой это необходимо для жизни.

Итог этого рассмотрения можно подвести так. В океане жидких F2O и HeНF могут образовываться сложные псевдоорганические вещества, близкие к тем, которые зажгли (а точнее, проявили) жизнь на Земле. При очень низких температурах расход энергии небольшой.

Рассмотрим подробнее аммиачную жизнь. Аммиак остается жидким в диапазоне температур от –77,7 °C до –33,4 °C. Этот диапазон эже, чем в случае земной жизни. И, конечно, весь он в минусе. Некоторую корректировку проведет давление. Если оно отличается от земного, то поплывут и температуры. При очень большом давлении (как на Юпитере) сильно поднимется точка кипения аммиака. Она может достигнуть +132,4 °C. Это выше точки кипения воды в условиях Земли. И это критическая температура, выше которой переход в жидкое состояние при помощи одного только давления становится невозможным. Но давление это немалое — 112 атмосфер.

Скрытая теплота перехода у аммиака сравнима с таковой у воды. Для парообразования у аммиака скрытая теплота равна 332 кал/г. У воды она равна 539 кал/г. Для плавления скрытая теплота аммиака равна 84 кал/г. Для воды она равна 79,9 кал/г. В условиях низких температур наиболее важна скрытая теплота плавления. Поэтому можно сказать, что аммиак по сравнению с водой в этом плане имеет преимущество. Кстати, и теплоемкость его паров, равная 0,520, несколько превышает таковую для водяного пара при постоянном давлении (0,488). Теплоемкость важна для погоды и климата. Климат на Земле стабилизирует гидросфера, и прежде всего океаны. Они создают определенную инерционность в изменении климата. Если бы теплоемкость воды была в 10 раз меньше, то изменения погоды были бы в принципе непредсказуемы. Все менялось бы слишком быстро. Поэтому океаны и моря, состоящие из жидкого аммиака, будут смягчать большие колебания температуры, как это происходит на Земле благодаря гидросфере. У аммиака дипольный момент равен 1,47. У воды он равен 1,85. Диэлектрическая постоянная у аммиака равна 22 (при температуре –34 °C). Для воды диэлектрическая постоянная равна 81,1 (при температуре +18 °C). Это значит, что аммиак примерно в четыре раза хуже как изолятор, чем вода. Он и менее вязок, чем вода. И тоже примерно в четыре раза. Проводимость раствора соли в жидком аммиаке обычно больше, чем проводимость водного раствора той же соли. Биологические преимущества аммиака перед водой заключаются в том, что он обладает большей текучестью и поэтому является эффективным электролитическим растворителем.

Само диссоциация у аммиака почти такая же, что и у воды. Аммиак образует положительный ион NН+, который соответствует иону гидроксония Н3О+ у воды. Оба эти иона при реакции отдают протон Н+. Аммиак образует отрица-тельный ион NH2–, а вода ОН—. Таким образом, аммиачные кислоты характеризуются катионами NH4+ и H+.

Азот может заменить кислород в смысле увеличения электроотрицательности молекулы. Именно в этом состоит химический смысл процесса «окисления». Поэтому у жизни, которая основана не на воде, а на аммиаке, роль кислорода может вполне перейти к азоту.

Те растворимые соединения, которые дают любой из трех аммиачных анионов, будут вести себя в жидком аммиаке как основания. К таким основаниям относятся амины, амиды металлов, имиды и нитриды.

В жидком аммиаке легко протекают реакции восстановления. Можно полагать, что горные породы в мире с аммиачной гидросферой будут содержать кристаллизационный аммиак, примерно так же как наши горные породы содержат воду. Конечно, различие между двумя растворителями — водой и аммиаком — существует. Раствор-аммиак растворяет щелочные металлы без реакции. При этом образуются так называемые «голубые растворы». Они обладают хорошей электропроводностью. Чистый металл из них можно выделить простым выпариванием. Растворяются, но в меньшей степени, и щелочноземельные металлы. Весьма заметной растворимостью обладают некоторые редкоземельные металлы, а также магний, алюминий, бериллий. Из неметаллов частично растворяются йод, сера, селен и фосфор. При этом в некоторых случаях протекает реакция с растворителем. Многие из указанных элементов играют важную роль в процессах жизни. Значительная часть из них являются катализаторами, то есть ускорителями химических реакций. Катализаторы ускоряют реакции, но при этом не расходуются.

Важнейшей функцией жизненного растворителя является доставка в растворе или суспензии различных составляющих органического вещества. В этом отношении аммиак лучше воды. Это свойство растворителя особенно важно в период зарождения жизни. Растворимость неорганических водных солей в аммиаке существенно зависит от аниона (отрицательного иона) растворителя. Значительно меньше она зависит от катиона — положительного иона. Исключение в этом плане составляют соли аммония, которые обычно растворимы независимо от аниона. Эти соли в жидком аммиаке ведут себя как кислоты. Растворимы также иодиды, перхлораты, нитраты, тиоцианаты, цианиды и нитриты. Нерастворимы фториды, большинство хлоридов (включая поваренную соль NaCl), карбонаты, оксалаты, сульфаты, сульфиды, гидроокиси и окислы.

Имеется растворитель, который является чем-то средним между водой и аммиаком (в смысле свойств). Это гид-роксиламин NH2OH. Он диссоциирует (распадается) на ионы H+ и NHOH—. Плавится он при температуре +33 °C, а кипит при +58 °C. Но это при давлении 22 мм рт. ст. В этих условиях вода кипит при температуре около +24 °C. Значит, температурные пределы жидкой фазы гидроксиламина шире, чем у воды. Он может действовать как водоподобный биологический растворитель в тех условиях, где и вода, и аммиак примерно одинаково распространены. Это при температурах на 30 °C выше верхнего предела существования жидкой воды. На ранних этапах эволюции атмосферы Земли такие условия могли быть.

Но вернемся к аммиаку. Он обладает меньшим диполь-ным моментом, чем вода. Поэтому для соединений, которые сильно поляризованы, он является менее эффективным растворителем, чем вода. Зато для неполярных веществ, а к ним принадлежит большинство органических соединений, он является лучшим растворителем, чем вода. У аммиака наиболее резко выражены свойства основания. Поэтому он особенно эффективен при растворении кислых веществ. Итак, аммиак является растворителем, который в высшей степени пригоден для роли жидкой основы жизни.

Молекулярные цепочки могут образовываться с помощью углерода. Частично он может быть заменен азотом. В земных условиях озонные цепочки обычно коротки и неустойчивы. Однако в некоторых азотоводородных производных может присутствовать подряд до восьми связанных атомов азота. При низких температурах, когда аммиак находится в состоянии жидкости, устойчивость таких структур сильно возрастает. Происходит частичное замещение углерода азотом. Это имеет место в таких органических циклических соединениях, как пурины. А пурины являются жизненно важными соответствующими наших нуклеиновых кислот.

На известных нам планетах аммиак обнаружен вместе с метаном и другими углеводородами. Это в условиях низких температур, когда вода замерзает. Конечно, часть воды сохраняется растворенной в жидком аммиаке. Эта смесь, в которой органические соединения образуются самопроизвольно под действием коротковолнового излучения, радиоактивности и электрических разрядов.

Надо подчеркнуть, что в условиях низких температур не обязательно должна происходить частичная или полная замена углерода другими цепочкообразными элементами. Другое дело, при температурах выше точки кипения воды. Здесь замена углерода может оказаться неизбежной, поскольку многие органические соединения (белки, углероды и их производные) не могут противостоять высоким температурам. Подыскивая замену углероду, необходимо обращать внимание на такие неметаллы, которые образуют летучие водородные соединения. Мы имеем в этом плане весьма ограниченные возможности. Это бор В в III группе, кремний Si и, возможно, германий Ge в IV группе, азот N и фосфор P в V группе. Сюда с некоторой натяжкой можно добавить серу S в VI группе таблицы Менделеева.