Элементы жизни: почему не кремний и не фтор

Никитин М.А.
«ХиЖ», 2013, №1

Почему все живое состоит из углерода, кислорода, азота и водорода?

Стандартный ответ, который можно найти в литературе: потому, что атомы углерода способны образовывать цепочки и кольца, создавая гигантское разнообразие органических молекул. И потому, что вода — вещество с уникальными свойствами, способное растворять огромное разнообразие веществ, а также стабилизировать температуру за счет высокой теплоемкости, теплоты замерзания и теплоты испарения Экзобиологические исследования (поиски жизни вне Земли) концентрируются на планетах с такой температурой поверхности, при которой возможно существование жидкой воды. Великий астроном Карл Саган жестко критиковал эту позицию, называя ее «водно-углеродным шовинизмом». По его мнению, другим ученым просто не хватает фантазии, чтобы представить себе альтернативную биохимию на иных химических элементах

В фантастике часто можно встретить описания кремнийорганической жизни или жизни, использующей фтороводород либо аммиак в качестве растворителя. Кремний действительно способен образовывать сложные молекулы с длинными цепочками и кольцами атомов. Такой же способностью обладает и бор, на который, насколько мне известно, фантасты не обращали внимания. Воду в качестве растворителя действительно могут заменить NH₃ и HF. Однако я придерживаюсь водно-углеродного шовинизма и собираюсь обосновать свою позицию при помощи ядерной физики.

Во Вселенной больше всего водорода, второе место за гелием (рис. 1). Следом идут углерод, кислород и азот. Три легких элемента — литий, бериллий, бор — весьма редки. От кислорода и до титана распространенность элементов плавно убывает, причем элементы с нечетными атомными номерами встречаются реже, чем с четными. Затем идут несколько широко распространенных металлов — хром, марганец, железо, никель. Элементы, следующие за никелем и особенно за цинком, совсем редки.

1. Распространенность элементов во Вселенной (wikipedia.org )

Почему так получается?

Ядра тяжелее дейтерия (тяжелого водорода) образуются в основном в термоядерных реакциях, протекающих в звездах. Простейшая из таких реакций, имеющая самую низкую температуру зажигания, — протон-протонный цикл. Благодаря ему светят Солнце и другие звезды небольшой массы. В этой реакции четыре протона в несколько стадий превращаются в ядро гелия с выделением энергии (D — дейтерий, e⁺ — позитрон, ν_e — электронное нейтрино, γ — фотон):

p + p → ²D + e⁺ + ν_e + 0,4 МэВ,

²D + p → ³He + γ + 5,49 МэВ,

³He + ³He → ⁴He + 2p + 12,85 МэВ.

В более массивных звездах (от полутора масс Солнца) зажигается следующая реакция — углерод-азотный цикл. В нем также протоны превращаются в ядра гелия, а ядро углерода выступает в качестве катализатора Второй итог этой реакции — частичное превращение углерода в азот и кислород:

¹²C + p → ¹³N + γ + 1,95 МэВ,

¹³N → ¹³C + e⁺ + ν_e + 1,37 МэВ,

¹³C + p → ¹⁴N + γ + 7,54 МэВ,

¹⁴N + p → ¹⁵O + γ +7,29 МэВ,

¹⁵O → ¹⁵N + e⁺ + ν_e + 2,76 МэВ,

¹⁵N + p → ¹²C + ⁴He + 4,96 МэВ.

Так или иначе, со временем в центре звезды кончается водород и образуется скопление гелия. Горение водорода продолжается в тонком слое вокруг гелиевого ядра. Внешние оболочки звезды при этом раздуваются, звезда становится красным гигантом Если масса звезды невелика, то по мере исчерпания водорода в центре оболочка будет сброшена, а горячая гелиевая сердцевина станет видна на небе как белый карлик и за несколько миллионов лет остынет и погаснет.

Жизнь тяжелых звезд оказывается интереснее. Их гелиевая сердцевина разогревается настолько, что в ней зажигается следующая термоядерная реакция — 3-альфа-процесс, превращение гелия в углерод:

⁴He + ⁴He → ⁸Be + γ + 0,09 МэВ,

⁸Be + ⁴He → ¹²C + γ + 7,37 МэВ.

Стареющая звезда получает новый мощный источник энергии и становится сверхгигантом. У более массивных сверхгигантов по мере сгорания гелия начинаются термоядерные реакции с участием углерода и кислорода, в них образуются ядра неона, магния, кремния, серы и так далее — изотопы с четным числом протонов и нейтронов:

¹²C + ¹²C → ²⁰Ne + ⁴He,

¹²C + ¹⁶O → ²⁴Mg + ⁴He,

¹⁶O + ¹⁶O → ²⁸Si + ⁴He,

¹⁶C + ²⁰Ne → ³²S + ⁴He.

Выделяющиеся альфа-частицы также могут захватываться ядрами:

²⁰Ne + ⁴He → ²⁴Mg + γ,

²⁴Mg + ⁴He → ²⁸Si + γ,

²⁸Si + ⁴He → ³²S + γ.

Чем более тяжелые ядра сливаются, тем быстрее идут реакции. Если горение водорода в массивной звезде растягивается на десятки миллионов лет, то горение гелия продолжается только сотни тысяч лет. Горение углерода и кислорода с образованием неона, магния и кремния занимает сотни лет. Наконец, превращение кремния и серы в металлы занимает сутки. Выделение энергии в этих реакциях заканчивается с образованием ядер ⁵⁶Ni и ⁶⁰Zn, синтез более тяжелых ядер происходит уже с поглощением энергии. В центре звезды-сверхгиганта накапливаются металлы, и выделение энергии прекращается. Остывание центра звезды приводит к потере устойчивости — оболочки начинают падать к центру, звезда сжимается и взрывается. Светимость звезды в этот момент возрастает в миллиарды раз, и астрономы говорят о вспышке сверхновой. В нижних слоях ядра образуется огромное количество нейтронов, которые быстро захватываются атомными ядрами. Так синтезируются все возможные тяжелые элементы от натрия и магния до нестабильных трансурановых, как четные, так и нечетные.

Ударная волна разносит все оболочки звезды по космосу, первые тысячи лет после этого они видны как светящаяся планетарная туманность. На месте звезды остается маленький сверхплотный остаток — нейтронная звезда или черная дыра, а большая часть вещества возвращается в газопылевые облака, обогащая их тяжелыми элементами.

Есть несколько типов ядер, которые синтезируются в других процессах. Во-первых, это дейтерий — тяжелый водород. В звездах он быстро превращается в гелий, и считается, что современные запасы дейтерия образовались из водорода вскоре после Большого взрыва, причем от превращения в гелий их предохранило быстрое остывание Вселенной. Во-вторых, три легких элемента — литий, бериллий и бор — в условиях звезд легко превращаются в гелий и углерод, и их синтез происходит в межзвездной среде в реакциях с участием космических лучей. Пики на графике, соответствующие свинцу, урану и торию, означают, что заметная часть этих элементов образовалась путем распада их более тяжелых соседей. Свинец и висмут — два последних стабильных элемента, а уран и торий — два последних относительно стабильных (период полураспада измеряется миллиардами лет).

Таким образом, существование жизни на основе бора запрещено ядерной физикой: малая устойчивость ядра этого элемента приводит к тому, что его содержание во Вселенной в миллион раз меньше, чем кислорода и углерода. Об этом можно сожалеть, потому что химия бора интересна и разнообразна, а в паре с азотом он может образовать близкие аналоги органических соединений углерода (рис. 2):

2. Боразол B3H6 N3 (аналог бензола) и пентаборан B5H9

С кремниевой жизнью сложнее. Хотя сам кремний доступен в изобилии, в присутствии кислорода и воды он склонен образовывать весьма устойчивые нерастворимые силикаты. В отличие от углерода, кремний не образует сложные пи-связи, охватывающие более двух атомов, — а только благодаря пи-связям органические молекулы способны к сложным взаимодействиям со светом, вплоть до фотосинтеза (рис. 3).

3. Декаметилциклопентасилоксан — одно из устойчивых и широко используемых кремнийорганических соединений

Синтез большинства кремнийорганических веществ требует отсутствия воды. Более подходящим растворителем был бы фтороводород HF. Однако единственный устойчивый изотоп фтора — ¹⁹F — образуется в звездных ядерных реакциях с весьма малым выходом, и содержание фтора во Вселенной примерно в десять тысяч раз ниже, чем кислорода. Кислород же и углерод являются самыми распространенными элементами Вселенной после водорода и гелия, и неудивительно, что живые организмы состоят в основном из них. Пока остановимся на этом, а в следующем номере расскажем, как возникли первые научные представления о происхождении жизни.