П. Можейко - «Non-fiction байка» №67
ИСТОЧНИК: Роберт Хейзен «Симфония №6. Углерод и эволюция почти всего» («Альпина нон-фикшн», 2021)
ISBN: 978-5-00139-283-5
КОРОТКО: Почему именно углерод основной элемент жизни на Земле?ИСТОРИЯ
«Какой элемент обеспечит необходимую искру жизни? Чтобы стать главным для происхождения жизни, этот химический элемент обязан соответствовать некоторым основным ожиданиям. Безусловно, любой важный для жизни элемент должен быть достаточно распространенным и весьма доступным в коре, океане и атмосфере Земли. Этому элементу важно иметь потенциал для участия во многих химических реакциях — нельзя же быть настолько инертным, чтобы просто сидеть здесь и ничего не делать. При этом ключевой элемент жизни не должен быть слишком химически активным — ему «не следует» самовозгораться или взрываться при малейшей химической провокации.
И даже если элемент обладает той самой средней химической активностью — в идеальном диапазоне между взрывной и пассивной, он обязан участвовать более чем в одной химической реакции. Он должен уметь образовывать прочные и стабильные структурные оболочки и волокна — кирпичики и цемент жизни. Он должен уметь хранить, копировать и интерпретировать информацию. А еще этот особенный элемент — в сочетании с другими повсеместно распространенными первичными строительными материалами — должен найти способ использовать энергию от соединений с другими химическими веществами или, возможно, энергию изобильного солнечного света. Такие «умные» сочетания элементов должны хранить данную энергию в удобной химической форме подобно батарейке и высвобождать контролируемые импульсы энергии, когда и где это ни потребовалось бы. Главный элемент жизни должен быть многофункциональным.
А теперь рассмотрим в этих ограничивающих рамках различные возможные элементы. Водород и гелий — самые распространенные в космосе, они занимают места №1 и №2 в Периодической таблице и заполняют весь ее верхний ряд. И при этом не подходят для образования биосферы.
Водород, который умеет крепко соединяться только с одним атомом за раз, не проходит проверку на универсальность. Прошу заметить: водород отнюдь не бесполезен! Он помогает сформировать многие молекулы жизни посредством водородной связи — своего рода молекулярного клея, играя важную роль партнера кислорода в воде, посреднике всех известных форм жизни. Но элемент №1 один не может обеспечить универсальную химическую основу для жизни.
От гелия, второго элемента Периодической таблицы, вообще никакой пользы — это невозможно инертный, высокомерный благородный газ, который отказывается соединяться с чем-либо, даже с самим собой.
Пробежимся по Периодической таблице: элементы с третьего по пятый (литий, бериллий и бор) слишком малочисленны, чтобы построить биосферу. Учитывая концентрацию этих элементов в земной коре — несколько атомов на миллион — и даже еще меньшую в океанах и атмосфере, их можно смело вычеркнуть из списка перспективных ингредиентов, дающих жизнь.
Углерод, элемент №6, — химический герой биологии, мы вернемся к нему.
Элемент №7 — азот — представляет собой интересный случай. Присутствуя в значительных количествах в близповерхностном окружении, азот составляет около 80% атмосферы. Он связывается сам с собой в пары N2 — химически неактивные молекулы, представляющие бóльшую часть газа, которым мы дышим. Кроме того, азот связывается и со многими другими элементами, среди них водород, кислород и углерод, образуя разные интересные химические вещества, имеющие отношение к биохимии. Белки получаются из длинных цепочек аминокислот, каждая из которых содержит как минимум один атом азота. Жизненно важные генетические молекулы ДНК и РНК также содержат азот в своих структурных единицах — основаниях, определяющих генетический алфавит: «буквы» A, T, Г и Ц (аденин, тимин, гуанин и цитозин). Но азот, которому до магического числа 10 недостает трех электронов, слишком уж их жаждет: его химические реакции слишком энергичные, а возникающие связи слишком негибкие, чтобы он мог играть разноплановые роли ведущего актера. Так что мы можем вывести азот из соревнования.
Но почему не кислород? В конце концов, если считать по атомам, кислород — самый распространенный элемент коры и мантии Земли: он составляет более половины всех атомов большинства пород и минералов. В группе минералов полевого шпата, которая слагает 60% объема континентов и океанической коры Земли, кислород превосходит численностью другие атомы в соотношении 8:5. В вездесущей группе пироксенов преобладающие атомы представлены смесью кислородных атомов и атомов распространенных металлов (таких, как магний, железо и кальций) в соотношении 3:2. Ну и кварц, самый распространенный минерал на большинстве песчаных пляжей, — его формула SiO2. Как замечательно, лежа на песке и принимая солнечные ванны, осознавать: две трети того, что держит вас, — это атомы кислорода. Вот и получается, что кислорода в земной коре при пересчете на атомы примерно в 1000 раз больше, чем углерода. Но кислород, несмотря на свое поразительное изобилие, химически скучный. Начать с того, что у его отдельного атома восемь электронов и всего двух ему не хватает, так что он связывается без разбора с любым атомом, который восполнит дефицит. Да, кислород является абсолютной основой всех биологически важных химических веществ — сахаров, оснований, аминокислот и, конечно, воды. Но он не умеет формировать ни требуемых цепочек, ни колец, ни ветвящихся структур, которые так важны для сложной архитектуры жизни. Поэтому мы можем вычеркнуть обильный кислород из короткого списка самых важных атомных кирпичиков жизни.
Фтор, занимающий девятую позицию в Периодической таблице, еще хуже, поскольку ему не хватает лишь одного электрона до желаемого комплекта из десяти. Фтор жадно отбирает электроны почти у всех остальных элементов. Будучи чрезвычайно химически активным, он разъедает металл, протравливает стекло и взрывается при контакте с водой. Вдохните этот газ полной грудью, и вы умрете в страшных мучениях, потому что ваши легкие покроются волдырями от химических ожогов.
И так далее. Элементы №10 и №18, неон и аргон, — это инертные газы, так что мы не будем их дальше рассматривать. Натрий, магний и алюминий (элементы с 11-го по 13-й) слишком жаждут отдавать электроны, а фосфор, сера и хлор (элементы с 15-го по 17-й) слишком жаждут их получать. А если мы еще глубже погрузимся в Периодическую таблицу, элементы будут становиться все менее распространенными и их способности играть ключевую роль в химии жизни окажутся еще скромнее.
Исключение составляет лишь распространенный элемент кремний, который находится в середине третьего периода нашей таблицы. Кремний, элемент №14, занимает важную позицию прямо под углеродом. Поскольку элементы, заполняющие одну группу Периодической таблицы, часто обладают похожими свойствами, не может ли кремний стать жизнеспособным биологическим заменителем углерода? Писатели-фантасты неоднократно хватались за эту возможность. Я живо помню эпизод из первого сезона классического телевизионного сериала «Звездный путь» (того исходного, с Уильямом Шетнером в роли капитана Джеймса Т. Кирка и Леонардом Нимоем в роли мистера Спока), в котором экипаж «Энтерпрайза» обнаруживает расу умных и потенциально опасных форм жизни из кремния в виде камней. Концепция шоу несла развлекательный характер, особенно с учетом счастливого мирного исхода, когда камни и люди научились ладить. Но минералогическая предпосылка была ошибочной: кремний — это биологический тупик. У этого элемента на поверхности Земли есть только одна связывающая обязанность — найти четыре атома кислорода и образовать с ними кристалл. Эти раз и навсегда сформированные связи кремния с кислородом остаются слишком крепкими и негибкими, чтобы участвовать в интересной химии. Вы просто не можете основать биосферу на столь целеустремленном элементе, как №14.
Продолжайте в том же духе — но вы напрасно потратите время в поисках еще какого-нибудь подходящего элемента. Впрочем, ваш взгляд может упасть на железо, элемент №26, четвертый по распространенности в земной коре после кислорода, кремния и магния. Так почему не оно? Железо любит связываться, и оно гибкое в своем выборе. Соединяется ли с кислородом? Конечно: образует ржавчину с ионными связями. Соединяется ли с серой? Разумеется: создает сверкающий золотым металлическим блеском пирит (называемый, кстати, «золотом дураков») с ковалентными связями. Железо связывается с мышьяком и сурьмой, хлором и фтором, азотом и фосфором, даже с углеродом в различных минералах карбида железа. А если других элементов под рукой нет, железо радостно связывается само с собой в виде самородного металла. Такое разнообразное портфолио связей может показаться идеальным для ключевого элемента жизни, но у железа есть недостаток: оно с готовностью образует минералы с большими кристаллами, но избегает создавать маленькие молекулы. Жизнь требует огромного разнообразия молекул — в виде цепочек и колец, веток и решеток, — которые железо редко пытается образовать.
И так, нам остается только углерод — самый универсальный, самый гибкий, самый полезный элемент из всех. Углерод — это элемент жизни».
Страница с рецензиями в «Вконтакте»
https://vk.com/pavelmazheikabooksreview
Телеграмм-канал с рецензиями:
https://t.me/pavelmazheikabooksreview
Полный и пополняющийся список ВСЕХ «баек» тут:
https://telegra.ph/Pavel-Mozhejko---Non-fiction-bajki---SPISOK-10-21
Рецензия на книгу-источник: