Юрий Мизун - Разумная жизнь во Вселенной

Напомним еще раз, что в основе жизни на Земле лежит углерод, он образует молекулярные цепочки. Вторым важным (необходимым) элементом жизни является вода. Она служит биологическим растворителем. Собственно, растворитель — это все. Он определяет весь химический характер жизни. Из растворителя — воды образуются и водород, и гидроксил, и кислород. Все они входят в состав живого вещества. Определяющей в данном случае является водородная связь. Она важна для структуры белков, нуклеиновых кислот и других органических соединений. Что же касается аммиака NH 3и ортофосфорной кислоты H 3PO 4, то они дают положительные ионы для образования связей при поликонденсации белков и нуклеиновых кислот. Эти связи создаются в реакции нейтрализации. При этом кислота и основание соединяются с образованием соли и воды. Напомним, что кислота и основание относятся к воде как к нейтральному веществу. Вода для них является родительским растворителем. Но только ли вода? Нет ли других веществ, которые выполняли бы такие же функции? Мы покажем, что такие вещества есть.

При усвоении органических соединений протекают процессы, которые по своей сути являются обратными процессу поликонденсации. Молекулы органических соединений распадаются в процессе гидролиза. При этом потерянная молекула воды вновь распределяется между остатками кислот и основания. Как мы уже видели, живые системы черпают энергию, которая высвобождается в реакциях окисления и брожения. Эти реакции относятся к воде подобным же образом. Поэтому вода с углекислым газом является конечным продуктом происходящего при реакции распада веществ. Нелишне напомнить, что при эволюции земной атмосферы она меняла свой состав от восстановительного до окислительного именно посредством воды. Ведь и углекислый газ, и свободный кислород являются продуктами различных преобразований воды, различных реакций. Можно даже сказать, что мы дышим кислородом, потому что мы пьем воду.

Не менее важны и металлы. Они являются катализаторами. Неметаллы также входят в живые организмы. Но они в основном заменимы (одни другими), кроме азота и фосфора.

Жизнь в активной форме возможна до тех пор, пока раствор (вода) остается в жидком состоянии. Это возможно в диапазоне температур от –20 до +100 °C. Правда, высшая температура (температура кипения) зависит от давления. Чем ниже давление, тем меньше эта предельная температура. При высоких температурах большинство органических соединений разлагается. Но при низких температурах границы для существования скрытой жизни практически нет. Из всего сказанного следует очень важный вывод: диапазон температур, в котором возможна жизнь, зависит от химического состава. В нашем земном варианте жизни при высоких температурах разрушается химическая основа цепочек и колец, которая состоит из связанных друг с другом углеродных атомов. Но жизнь в других местах Вселенной не обязательно основана на углеродных соединениях. Поэтому и роль температуры там может быть иной. Известно, что образовывать цепочки может не только углерод. Это могут делать и другие элементы, особенно элементы IV группы. Они характеризуются тем, что у них на внешней оболочке имеется четыре электрона. Это значит, что там остаются еще четыре вакансии. Поэтому и создается валентность или, чаще, ковалент-ность, которая равна четырем. Напомним, что ковалентность — это такая связь, когда электроны внешней оболочки распределяются между обоими атомами. При такой симметрии сцепление атомов между собой очень прочное.

У углерода ковалентная связь легче всего устанавливается с атомами водорода или же с другим углеродным атомом. Связь углерода с углеродом (С — С) очень стабильна. Ее прочность не уступает прочности связи углерода с другими элементами. Поэтому углерод и может образовывать крупные молекулы полимеров большого молекулярного веса, которые стабильны в своей основе настолько, что их устойчивость соответствует требованиям живых систем. Одновременно они достаточно нестабильны в боковых ответвлениях для того, чтобы они могли быстро реагировать на изменения условий (физических и химических) в окружающей среде. Можно сказать, что с одной стороны они прочные, а с другой стороны высокочувствительные. Такие молекулы непрерывно обновляются. Поэтому их называют лабильными. По сути именно лабильность составляет химическую сущность жизни.

Энергия высвобождается следующим образом. Когда разрушаются метастабильные молекулы, у которых велика теплота образования, значительное количество энергии высвобождается легко. Наиболее типичной молекулой этого класса является глюкоза (С 6Н 12О 6). В органических реакциях, проходящих на земле, растворителем является вода. Если растворителем является не вода, то вся химия будет другой. У органических систем, которые основаны на другом растворителе, основной элемент молекулярных цепей также другой (не углерод). Для рассматриваемой нами проблемы это крайне важно.

Для земной жизни растворителем является вода. Это нейтральное вещество, которое в равной мере является кислотой и основанием. Это возможно потому, что она сама по себе может производить диссоциацию (разрыв молекулы). Можно сказать, что вода образует ионный раствор в самой себе. Ионами являются Н+ (протон) и НО— (гидроксил). Первый ион характеризует воду как кислоту, а второй — как основание. Ион Н+ обычно присоединяется к молекуле воды. При этом образуется гидроксоний Н3О+. Затем он вступает в реакцию и высвобождает ион Н—. Все указанные атомы и группы находятся в воде в состоянии динамического равновесия.

Попробуем воду заменить жидким аммиаком. В принципе он ведет себя подобным же образом. Так, он диссоциирует (разрывается) на ионы Н+ и NH 2–. Затем ион Н+ соединяется с молекулой аммиака NH 3и образует аммоний NH 4+.

Подобным образом ведут себя и другие растворители, которые сами способны создавать в себе ионы. Кислота — это вещество, которое путем прямой диссоциации или при взаимодействии с растворителем образует положительный ион, который характерен для данного растворителя. Для воды и аммиака это Н+. Основание — это вещество, которое дает аналогичным образом отрицательный ион. Для воды это НО, а для аммиака — NН2.

Когда кислота нейтрализуется основанием, положительный ион основания присоединяется к отрицательному иону кислоты (его называют остатком или радикалом), образуется соль. Одновременно отрицательный ион основания соединяется с положительным ионом кислоты. В результате образуется молекула растворителя. В том случае, когда электрический заряд иона является кратным, для его нейтрализации (уравновешивания) необходимо иметь столько же зарядов противоположного знака. Например, при реакции двуокиси углерода с аммиаком в воде образуется углекислый аммоний (NН4)СО3. Но для этой реакции присутствие воды обязательно. Без воды СО 2и NН 3не взаимодействуют (по терминологии химиков «не реагируют»).