У величному всесвіті гобелен життя може бути витканий з дивовижних ниток, що значно відрізняються від наших власних. Вивчаючи безмежність космосу, ми витратили десятиліття на пошуки вуглецевих організмів, таких як і ми самі. Але що, як будівельні блоки життя не обмежуються знайомими нам атомами вуглецю, з яких складаються наші ДНК і білки? Що, якщо десь там, серед зірок, існують істоти, не схожі на те, що ми коли-небудь уявляли, форми життя, створені з кремнію чужих світів?
Концепція кремнієвого життя виникла ще до відкриття напівпровідника кремнію в середині 1950-х років і досить довго не була синонімом комп'ютерів чи роботів. Тоді науковці мали на увазі життя на основі заліза, посилалися на вакуумні трубки, скляні та сталеві конструкції, такі як хмарочоси, що починали домінувати на небосхилах великих міст. Хоча кремнієві форми життя як концепцію, ймовірно, популяризували в епізоді "Зоряного шляху" 1967 року "Диявол у темряві", ця ідея набагато давніша. Ще 132 роки тому, у 1891 році, німецький астрофізик Юліус Шайнер припустив, що схожість кремнію з вуглецем може зробити його альтернативою для життя у космосі, тоді ще ми не могли розрізняти галактики і не мали жодного уявлення про вік Всесвіту або про те, як з'явилися такі елементи, як вуглець чи кремній. Але якщо поглянути на періодичну таблицю Менделєєва, то важко не помітити, що кремній знаходиться там одразу під вуглецем і має багато схожих властивостей, і вони обидва є чотиривалентними. Це означає, що в зовнішньому шарі електронів атома, валентної електронної оболонки, є 8 отворів, тому будь-який чотиривалентний атом може мати 4 ковалентні зв'язки з іншими атомами, і у випадку з вуглецем ми маємо метан, що складається з одного атома вуглецю з 4 атомами водню, приєднаними до нього.
Кількість ковалентних зв'язків, яку може прийняти атом, дуже важлива, особливо для нашої великої трійки - кисню, азоту та вуглецю, які є двовалентними, тривалентними та чотиривалентними відповідно, або можуть мати 2, 3 або 4 зв'язки. Ці три елементи також неймовірно поширені: вуглець є побічним продуктом синтезу гелію і є найпоширеною речовиною у Всесвіті. Цикл вуглець-азот-киснь є особливо важливим, оскільки вуглець розкладається на азот і кисень. Всі три речовини мають дуже тісні зв'язки з найпоширенішим атомом - воднем.
Ці 3 речовини складають більшу частину матеріалу, з чого утворюється типова комета, це основні органічні блоки, які складають велику частку матерії у Всесвіті, якщо не брати до уваги темну матерію, водень і гелій. Дійсно, це найбільша частина атомів, що утворилися після Великого вибуху, більшість водню і гелію датується першими кількома хвилинами існування Всесвіту.
Кремній як альтернатива вуглецю починає відіргавати роль там, де вуглецева хімія не може функціонувати через високу температуру.
Коли ми кажемо життям на основі вуглецю ми маємо на увазі життям на основі води - це хімія, побудована на вуглеці, але всередині води як розчинника. Аміак теж є хорошим розчинником, схожим на воду, але замерзає при набагато нижчій температурі, і, таким чином, відкриває двері для життя в дуже холодних місцях.
Кремній йде іншим шляхом, відкриваючи двері до більш високих температур. І, як уже згадувалося, аміак - це теж варіант, оскільки азот досить поширений у Всесвіті, але атоми кремнію приблизно на третину більше, ніж азоту, і приблизно на десяту частину більше, ніж вуглецю.
Що важливіше, тут, на Землі, в нашій земній корі, кремній є другим за поширеністю елементом, відразу після кисню, більшість наших гірських порід, бруду та мінералів складаються з цих двох речовин. Важливе зауваження: можливо, життя на основі кремнію набагато більш поширене на таких планетах, як Земля, а ми просто виявилися тим дивним випадком, коли вуглецеве життя з'явилося першим, стало домінуючим і витіснило будь-яку іншу форму життя на планеті.
Кремній і вуглець також полімеризуються по-різному. Вуглецеві полімери часто являють собою довгі ланцюжки вуглецю, приєднані один до одного. Поліетилен, наприклад, в основному є довгим ланцюжком атомів вуглецю, де кожен атом вуглецю має зв'язок з одним вуглецем по обидва боки і одним воднем по обидва боки, дуже схожий на вуглеводні, які ми використовуємо як паливо. Тоді як силікони складаються зі зв'язку кремнію з киснем, а не кремнію з кремнієм.
Вуглець утворює великі атомні каркаси, на яких можуть закріпитися інші атоми, і таким чином є основою для нашої органічної хімії та життя. Це головна причина, чому ми взагалі говоримо про життя на основі вуглецю, враховуючи, що він не становить навіть п'ятої частини маси вашого тіла, але майже в 4 рази перевищує масу кисню і значно переважає за кількістю атоми водню. Проте це не єдиний неметал, який може слугувати основою, існує ще кремній, бор і сірка є інші прикладами, їх теж пропонують як альтернативну основу для життя.
Кремній також легко зв'язується з киснем, утворюючи простий діоксид кремнію, найчастіше у вигляді кварцу, і знову ж таки кремній і кисень складають більшу частину ґрунту, на якому ви стоїте. Діоксид кремнію дуже стабільний та інертний порівняно з вуглекислим газом. Діоксид кремнію також не дуже добре розчиняється у воді, що є нормальним, оскільки він цікавить нас в основному в гарячих місцях, а не в рідкій воді, це допомагає пояснити, чому життя на Землі утворилося з вуглецю, а не з кремнію.
Насправді коли ми говоримо про життя на основі кремнію, то маємо на увазі планети, не схожі на Землю, а на пекельно гарячі, такі як Венера, де вуглецю насправді дуже багато в атмосфері, але де вуглецева хімія не є життєздатною через надвисоку температуру.
Швидше за все, у вас вдома є пара силіконових рукавиць для витягування гарячих предметів з духовки або силіконовий посуд з антипригарним покриттям, а якщо ні, то я наполегливо рекомендую їх придбати. Силікон термостійкий, а також погано розчиняється, що ускладнює його поєднанні з водою або аміаком як основою для життя. Він реагує з фтористоводневою кислотою, яка, як і аміак, також була запропонована якості альтернативи воді і як розчинник для життєво важливих хімічних речовин.
Але нас більше цікавить кремній, що використовує розплавлені метали в якості розчинника. Наприклад, алюміній плавиться при температурі 660 градусів за цельсієм і є дуже поширеним, тоді як олово плавиться лише 232 градуси а свинець 328 градусів за Цельсієм – обидва є компонентами припою, який ми використовуємо на друкованих платах, і саме тому вони є електропровідними.
До речі, олово, свинець і бор також є чотиривалентними елементами, як вуглець, кремній і германій. Вони також досить поширені, і одна з причин, чому в нашій земній корі багато кремнію, полягає в тому, що він має низьку щільність і плаває в розплавленому металі, тому ми вважаємо, що великі пласти цього елементу зазвичай спливають на поверхню розплавлених світів, коли вони охолоджуються, залишаючи кірку важкою. Кремній може витримувати надзвичайно високі температури, він не плавиться, але спалахує при 250 за Цельсієм.
Існує ймовірність, що кремнієве життя жило тут, на Землі, дуже давно, але загинуло, коли планета охолола, або коли карликова планета Тея вдарила прото-Землю і здула нашу кору, з якої пізніше утворився Місяць, і на яку, як ми припускаємо, пізніше впав довгий дощ комет, що подарував нам океани.
Планети народжуються гарячими і можуть залишатися такими, якщо знаходяться близько до свого сонця, і не так вже й важко уявити кремнієве життя на планеті, схожій на Венеру, або життя в лавових трубах якоїсь вулканічної чи хтонічної планети. Вважається, що хтонічні планети спочатку сформувалися як суперземлі, газові або крижані гіганти, подібні до Юпітера чи Нептуна в нашій Сонячній системі або менші за розміром. Однак з часом вони зазнали значних втрат атмосфери через те, що перебували так близько до свого сонця, що випаровування, теплові викиди або взаємодія з їхніми зорями-господарями позбавили їх атмосфери і легших елементів так само, як Земля втратила більшу частину свого водню і майже весь гелій. Залишається велика розпечена куля з металу та кремнію і багато кисню. Такі планети, ймовірно, досить поширені в галактиці і, ймовірно, мають сильні приливні сили, які можуть бути корисними для життя. Чи може на них існувати не просто життя, а складне життя? Що ж, можливо.
Зазвичай ми говоримо про придатність для життя поверхні океанів та атмосфери, але підземні океани також цілком придатні для життя, адже біологи, як правило, віддають перевагу життю, що зароджується в глибинах океанів. Проблема полягає в джерелі енергії, оскільки Сонце забезпечує фотосинтез, щільну біомасу та екосистеми, що, як ми припускаємо, серйозно допомагає просувати еволюцію вперед, дозволяючи розвиватися розуму.
Підземні океани на таких супутниках, як Європа, ймовірно, можуть мати життя, оскільки приливні сили Юпітера на його супутниках достатньо великі, щоб живити скромну екосистему.
Хоча споглядати гігантського інопланетного кракена на Європі весело, малоймовірно, що ми побачимо там великих тварин або складні екосистеми з таким обмеженим джерелом енергії для екосистеми. Звідси така увага до океанів на поверхні планет і до біосигнатур, які легше побачити з астрономічної точки зору, якщо вони знаходяться на поверхні, а не поховані в печерах, лавових трубах або магматичних морях.
Однак ключовим фактором є великий потік енергії, і розплавлена планета, яку припливи і відливи розгойдують під дією власного Сонця, абсолютно відповідає цьому критерію. Проблема не в тому, чи вистачить енергії для хімічних реакцій, необхідних для життя в цих місцях, а в тому, чи не будуть температури занадто високими для будь-якого життя. І відповідь - ні, ми цілком можемо створити якусь штучну форму життя для цього, просто вона не буде вуглецевою, якщо тільки ми не говоримо про алмазний і графеновий типи вуглецю, а не про класичний пухкий мішечок з водою, який найкраще описує форми життя на Землі.
Спека - не єдиний крайність, який може дозволити кремнієве життя, знову ж таки, кремній не розчиняється в речовинах, що й вуглецеве життя, тому для нього може добре підійти кисле середовище, екстремальні умови, такі як високі температури і радіація, можуть бути придатними для цих форм життя, що розширює список екзопланет.
Отже, ми означили простір для кремнієвого життя що недоступний для вуглецевих істотот, але також ми повинні визнати, що кремній має деякі проблеми. Починаючи з базової ДНК, або з її кремнієвого еквіваленту, який ми називаємо sDNA. Кремній, хоч і чотиривалентний, як і вуглець, не може легко утворювати стабільні, складні та універсальні молекулярні структури, які є важливими для генетичного матеріалу. Зв'язки кремній-кремній, як правило, слабші, ніж зв'язки вуглець-вуглець, а сполуки кремнію, як правило, менш стійкі у воді, яка є вирішальним середовищем для життя, яким ми його знаємо, і саме тому нас цікавлять спекотні райони без води.
Втім, у спекулятивних дискусіях про життя на основі кремнію ми маємо деякі ідеї, які були запропоновані для генетично подібних молекул на основі кремнію, або, знову ж таки, для сДНК. Однією з таких ідей є використання силіконів, які є сполуками кремнію з киснем, для створення ланцюгової або полімерної структури, яка могла б зберігати інформацію. Силікони є більш стабільними в деяких умовах, ніж інші сполуки на основі кремнію, але вони все ще досить сильно відрізняються від нуклеотидів на основі вуглецю. Це все дуже спекулятивно, і я вважаю своїм обов'язком підкреслити, що життєздатність генетичних молекул на основі кремнію залишається дуже спекулятивною, і наразі немає жодних емпіричних доказів, які б підтверджували існування таких молекул у природі.
Отже, у нас є основний будівельний блок життя, такий як силікони, і щось, в чому вони можуть здійснювати хімічні реакції, розчинник, такий як вода, або кислота, або розплавлений метал, але нам потрібна енергія, або, точніше, потік енергії. Тепло дає енергію, і ми можемо спостерігати деякі цікаві кремнієві форми життя, яка працює на геотермальній енергії, можливо, щось на кшталт гігантського кремнієвого дерева, що росте з глибини розплавленого моря в порожнє небо, щоб випромінювати тепло і існуватиі потоці термопари. Мобільною версією цього може бути величезний кремнієвий кит, або кракен, чи дуже довгий піщаний черв'як у стилі Дюни, який наважився пробратися крізь лаву чи величезні лавові труби, що залишилися всередині якоїсь повільно остигаючої, але все ще несамовито гарячої хтонічної планети.
Вони також можуть працювати на електромагнітному випромінюванні, пам'ятайте, що кремній - наш ідеальний напівпровідниковий матеріал і основа сучасних сонячних панелей, можна уявити, біологічну термопару або сонячну панель як еквівалент фотосинтезу.
Це дає можливості для деяких цікавих варіантів форм життя, оскільки ми могли б легко уявити істот з кварцовими шкурами замість шкіри або дерева з кварцовою корою і корінням, яке всмоктувало магму, або довгі гібриди дротів, замість волосся чи коренів з дуже високою тепло- або електропровідністю. Можна уявити дивні варіанти, газового мішку із силікону, прикріпленого до отвору з розплавлених надр на безповітряній поверхні низького тиску, близької до вакууму, вгорі, що живився би багатими на мінерали газами, поглинаючи сонячне світло від своїх природних фотоелектричних клітин. Дійсно, саме за таким сценарієм життя могло б розвиватися на такому супутнику, як Іо, в приливно-відливних умовах Юпітера.
І неважко уявити, як кремнієві форми життя проявляються у вигляді чогось на кшталт коралових рифів з кварцу, а не карбонату кальцію.
Хоча ми не повинні вважати, що життя на основі кремнію є повністю кремнієвим так само, як ми всі є вуглецевими, і вони цілком можуть плавати в океанах розплавленого свинцю зі шкірою, зробленою із заліза, титану або вольфраму. З іншого боку, те, що кремній витримує високу температуру, не означає, що він не здатен витримати сильний холод, і я можу уявити собі світи, де плити кварцу серед льоду працюють на низькоенергетичному потоці, але надзвичайно ефективних низькотемпературних провідниках. Або планету, небо якої було темним від густої атмосфери, крізь яку не могло пробитися сонце, але де бурі спустошували би і знищували будь-яке вуглецеве життя. Кварцовий моноліт, пронизаний металевими прожилками, поглинав би блискавки і запускав на ньому розум, який танцював на туманній межі між мозком і комп'ютером.
Іншим типом життя на основі кремнію можуть бути роботи та комп'ютерний розум, і якщо інопланетні цивілізації мають звичку посилати зонди фон Неймана на пошуки, і якщо вони дійдуть висновку, що колонізація є складнішою, ніж вони хотіли б, ми можемо побачити, як мутовані рештки цих самовідтворюваних зондів повільно перетворяться з машини з деякими характеристиками, схожими на життя, на життєву форму, яка базується на кремнії і має деякі характеристики машини. Можливості здаються величезними, але при цьому ми маємо правдоподібну хімію і різні екологічні ніші, доступні для різних джерел живлення, що дозволяє створювати великі і різноманітні екосистеми, і ми можемо перейти до SETI-аспекту кремнієвого життя. Іншими словами, ми знаємо, де воно може існувати, тож як його виявити і розпізнати? Які існують біосигнатури кремнію?
Важко сказати про біосигнатури, оскільки без детального знання хімії, яку вони використовують, важко здогадатися про такі речі, як продукти життєдіяльності. Якби це був діоксид кремнію, як вуглекислий газ є відходами тварин і сучасної промисловості, ми б навряд чи побачили його в атмосфері, але ми могли б побачити його як відходи, що вкривають поверхню планети, як бруд вкриває нашу, і які дуже відрізняються від природного реголіту за відсутності життя. Ми могли б помітити біопідпис в альбедо планети, що не відбиває певній очікуваній довжині хвиль, оскільки вони використовуються для природної фотовольтаїки, подібно до того, як рослини використовують певні частоти для фотосинтезу. Якби вони поширилися на металеву скелю або в космос, то, безсумнівно, змінили б спектр планети за межами природної поверхні та її очікувані характеристики. Життю притаманно змінювати світ навколо себе та еволюціонувати так, щоб використовувати більше енергії та ресурсів своєї екосистеми, з якої воно також повинно прагнути розширюватися, займаючи нові ніші, а отже, йому притаманно залишати певний слід.
Але якщо ви - величезний кит, вкритий шкурою з кварцу і титану, що плаває навколо підземних магматичних кишень планети, яка виглядає гостинною порівняно з Венерою, то нам буде важко вас знайти. Такі істоти можуть мешкати глибоко під Землею, але це вже тема для іншої розмови. Зрештою, що стосується теми життя на основі кремнію, то, хоча вона і подає певні надії як правдоподібний варіант життя, у нас залишається набагато більше запитань без відповідей, ніж нам хотілося б, і поки що ми можемо робити не більше, ніж припускати. Але коли ми заглиблюємося в таємниці Всесвіту, знаходячи щодня нові екзопланети, ми згадуємо, що наш власний світ - це величезне полотно, на якому природа малює безліч фарб, і на якому процвітає дивне життя в найнесприятливіших обставинах.
І все ж цей світ - лише блідо-блакитна крапка у порівнянні з космосом, який є майже безмежним полотном, на якому можуть бути написані ще більш дивні історії. Можливість існування форм життя на основі кремнію спонукає нас відкинути наші упереджені уявлення і досліджувати незвідані території існування. Незалежно від того, знайдемо ми ці екзотичні організми чи ні, їх пошук розширює наші горизонти, адже горизонт цього Всесвіту насправді дуже широкий і, без сумніву, містить дива, про які ми ще навіть не мріяли.
