Есть ли жизнь на других планетах?

Алексей Колпиков

Есть ли жизнь на других планетах?

ЖИЗНЬ — высшая по сравнению с физической и химической
форма существования материи, закономерно возникающая
при определённых условиях в процессе её развития.
Живые объекты отличаются от неживых обменом веществ
непременным условием жизни, способностью к размножению,
росту, активной регуляции своего состава и функций,
к различным формам движения, раздражимостью,
приспособляемостью к среде и т. д.

Большая Советская Энциклопедия

Видимо такая жизнь есть, коли человечество активно верит в существование внеземных цивилизаций, собирает сотни и тысячи свидетельств инопланетного присутствия и активно ищет, ищет, ищет следы присутствия жизни за пределами Земли.
Но все же стоит немного разобраться — а так ли широк диапазон условий для возникновения жизни. Могут ли существовать какие-то газообразные разумные материи, коварные плазменные сгустки, жестокие вулканоиды с огненных планет, говорящие лужи жидкого металла и т.п.? Увы, фантасты совершенно не спешат разобраться в основах биохимии, и плодят одну нелепость за другой, копируют чужие ошибки и нагромождают такой ворох несусветной чуши, что иной раз просто пропадает всякая охота читать или смотреть кино про подобные цивилизации с условиями, далекими от реально возможных.
Но попробуем разобраться с точки зрения накопленных знаний в области химии и объяснить некоторые основные принципы возможности (или невозможности) возникновения и существования жизни за пределами Земли.

Углерод — основа живой материи.

Ни для кого не секрет, что все живые существа на нашей планете — органические. Неорганическая составляющая (недра земли, воды океанов и морей, атмосфера) — лишь среда для существования органической природы. А, как известная из школьного курса химии, органика отличается от неорганики только наличием атома углерода. Но это, на самом деле, очень условное и отнюдь неточное определение, т.к. некоторые соединения с углеродом вовсе не являются органическими. Например, карбонаты: мел и известняк (карбонат кальция), сода (карбонат натрия), поташ (карбонат калия) и т.п. Для того чтобы вещество могло определяться как органическое, необходимо еще несколько условий.
Самое главное из них — наличие хотя бы одной водород-углеродной связи C—-H. Опять же, существуют исключения — CCl4 или CF4, где все четыре связи углерода (а углерод всегда четырехвалентен) отданы не под водород, а другим элементам (в данном случае галогенам), и такие вещества все же являются органическими. Но водородные связи в более сложных соединениях все-таки будут абсолютно всегда, поскольку более сложная органика с несколькими атомами углерода, где все связи замещены, к примеру, хлором, не могут являться стабильными ни при каких условиях в силу особенности строения орбиталей хлора или других подобных элементов. Кстати, об этих особенностях.
У углерода есть уникальная способность, благодаря которой существует второе необходимое условие для образования органической природы: только углерод может образовывать длинные цепочки из собственных атомов.
Но позвольте! — воскликните вы. А как же большинство газов (O2, Cl2, N2 и т.п.), состоящие из двух атомов, некоторые аллотропные модификации, состоящие из трех и более атомов (O3), сложные кристаллические структуры металлов и т.п. Все дело в том, что, образуя длинные цепочки, углерод способен удерживать в этих цепочках любые другие атомы, что создает поистине безграничные комбинации. В неорганической химии также существуют соединения со множеством атомов — комплексные вещества, в составе которых могут находиться целые десятки атомов. Например — тригидрат гексацианоферрата калия, K4[Fe(CN)6] x 3H2O. Но безуглеродные комплексные вещества — жалкие (и, кстати, очень нестабильные) подобия комплексных органических веществ (например, хлорофилл или гемоглобин), состоящих из сотен или даже тысяч атомов!
Собственно, третье условие — возможность атомов образовывать сколь угодно длинные цепочки с включением любых других атомов, при этом такие соединения должны быть стабильными при достаточно широком диапазоне изменения внешних условий. Кроме того, углерод может образовывать не только цепочки, но и кольца, системы колец и вовсе сложные трехмерные структуры. В органической химии известны сотни разновидностей геометрических образований, которые может образовать набор из атомов углерода.
Самый близкий аналог углерода — кремний — способен в некотором роде образовывать несложные цепочки наподобие углеродных, но об образовании действительно большого разнообразия сколь угодно сложных соединений и речи быть не может. Это обусловлено электронным строением кремния. К тому же этот элемент крайне неохотно допускает в свои цепочки гетероатомы, особенно металлы. Таким образом, так любимой в фантастической среде кремниевой жизни быть никак не может.
Почему же? На самом деле, все очень просто. Бактерия отличается от дерева, а мотылек от человека тем, что все эти формы жизни состоят из очень разного набора органических соединений. Этих соединений в мире столь огромное множество и разнообразие, что никто даже не задается целью подсчитать их хотя бы приблизительное число. Именно благодаря химическим реакциям преобразования одних веществ в другие происходит жизнедеятельность. Если этих безостановочных реакций нет — объект исследования является не более, чем неживым минералом.
Следует определить постулат: живым является только тот объект, внутри которого протекает бесконечный цикл безостановочных химических реакций! Если этого не происходит, то объект не движется, не мыслит, не питается, не регенерирует поврежденные части, не плодит себе подобных…
Именно из-за многообразия органических веществ и определяется многообразие форм жизни. Но даже в пределах одного вида мы видим колоссальные различия: одна травинка не похожа на другую, собаки разных пород, а люди с разными лицами и голосами и т.п. Все это происходит благодаря различию в самых сложных веществах — белках, жирах, углеводах и нуклеиновых кислотах. У каждого живого объекта набор этих веществ совершенно свой собственный, уникальный. Нет нужды говорить о значении ДНК в формировании тех или иных видов органической природы.

Если предположить, что может существовать некая гипотетическая жизнь с ограниченным набором веществ (как в случае пресловутого кремния), то таковая жизнь будет отличаться крайне низким уровнем развития (на уровне простейших одноклеточных) и абсолютной идентичностью всех организмов. О каком разуме может идти речь?
Гипотетически возможную механическую «жизнь» (когда роботы без участия органики собирают себе подобных) мы рассматривать и вовсе не станем, ввиду того, что она искусственна. Да и к тому же только на одних металлах и минералах, без применения пластиков и других органических структур вряд ли можно построить хотя бы примитивно развитых роботов. Что уж говорить о киборгах, которые в основе своей, как и следует из их наименования, содержат органическую часть.
Также не будем пока касаться жизни сугубо духовной, мистической, жизни вне телесной оболочки. Оставим эту нишу писателям прочих других жанров. Нас же интересует, в первую очередь, научная фантастика и правдоподобная, с точки зрения столетиями накопленных знаний.

Следует добавить, что кроме углерода и водорода немалую роль в формировании органики играют также кислород (все органические кислоты, углеводы, ферменты и т.п.), азот (амиды, аминокислоты, алкалоиды и т.п.), фосфор, сера, галогены (хлор, фтор, бром, йод), металлы (магний, железо, хром, медь, молибден и т.п.).

Таким образом, можно сделать следующий вывод: жизнь, где бы то ни было, может существовать только при наличии углерода, водорода и ряда других атомов.

Никаких других неуглеродных форм жизни быть не может. Тем более — разумных. Кстати, наличие в атмосфере той или иной планеты метана или других углеводородов — отнюдь не показатель того, что там возможна жизнь. Метан (CH4) — простейшее из органических веществ. Он достаточно инертен и крайне неохотно вступает в органические реакции. Чтобы найти жизнь на планете необходимо отыскать нечто более сложное, хотя бы с одним атомом кислорода или азота — спирты, кислоты, амины, фенолы и т.п.
Неуглеродной жизни быть в принципе не может, т.к. ни при каких условиях любые другие атомы периодической системы не способны образовывать сложные соединения подобные углеродным. Этот факт обусловлен только уникальными особенностями электронного строения атома углерода, а потому следует принимать его как аксиому.

Вода — всему голова.

«А без воды — и не туды, и не сюды!» А ведь прав персонаж из любимой всеми комедии «Веселые ребята». Из воды появилась вся нынче существующая органическая природа. Без воды любая живая органика погибает с течением времени. И вода обязательно находится в составе всех живых объектов. Как известно, человек аж на 70% состоит из воды. В чем столь важное значение простейшего соединения H2O?

Все дело в том, что вода является хорошим растворителем для большинства соединений, а также вода — отличный электролит. Именно в воде легче всего протекают все электрохимические процессы: вещества распадаются на катионы и анионы. А именно наличие заряженных ионов предполагает возможность протекания химических реакций. Конечно, известно немало процессов, протекающих без воды и без распада на ионы, но раз уж мы выяснили, что вся жизнь должна состоять из углеродных органических соединений, значит должны существовать максимально оптимальные условия для протекания реакций с этими веществами. Одним из таких условий является как раз вода!
Действительно, подавляющее большинство реакций в клетках организмов протекает с участием воды: она либо поглощается в результате реакции, либо выделяется, либо просто является растворителем. Ни одно другое вещество, каким бы легко поляризующимся оно ни было и как бы хорошо не растворяло, не может похвастаться столь широким диапазоном своего воздействия на органические вещества.
Итак, вода — второй по важности компонент возникновения жизни. Недаром все ученые мира в первую очередь ищут на планетах хоть какие-нибудь следы воды и нередко испытывают разочарование, не найдя ни капельки этого драгоценного вещества.
Стало быть, разумные пришельцы с пустынных безводных планет, умирающих от капли воды, — не более чем банальная чепуха.

Ни горячо, ни холодно.

Кстати, именно обязательное наличие углеродной органики и непременное присутствие воды определяют третье обязательное условия существования жизни — температурный диапазон. Общепринятая шкала измерения температуры по Цельсию ориентирована как раз на физические свойства воды. За ноль принята температура замерзания воды, а сама шкала калибрована таким образом, что за сто градусов принимается температура кипения воды.
Так уж случилось, что наш «водяной» ноль недалеко отстоит от абсолютного нуля по Кельвину: -273о по Цельсию. Вблизи абсолютного нуля все химические процессы замедляются и приостанавливаются. Предполагается, что при достижении абсолютного нуля существует полный покой, нет броуновского движения, и молекулярных структур не может быть в принципе. Значит величина в -273о безусловно и безоговорочно является крайней низшей температурной величиной. На самом же деле большинство организмов начинает погибать при температурах, близких к нулю по Цельсию, хотя существует доказательства возможной жизни при -100-60о. Да и человек приспособился выживать при достаточно сильных отрицательных температурах. Для пущей условности ограничим низкий предел до -100 градусов по Цельсию.
Что касается высоких значений температур, то тут можно предположить чуть ли не миллионы градусов. Но будет ли жизнь в таком случае? Конечно же, нет. Еще раз вспомним про воду — нам нужна именно жидкая вода, ибо ни в твердой форме (лед), ни в газообразной (пар) вода не способна быть растворителем и электролитом. Значит автоматически мы получаем верхний предел +100о по Цельсию, ибо выше, как известно, вода превращается в пар. Впрочем, якобы существуют некие доказательства существования простейшей жизни близи вулканов и гейзеров, когда температура поднимается немного выше 100оС. Но если вести речь о высообразованных материях, состоящих из сотен веществ (как мы помним — непременное условие многообразия форм), то стоит придерживаться цифры 100. Кроме того, многие органические вещества начинают плавиться или даже гореть при температурах выше 130-150 градусов.
В общем, даже очень условно мы получаем достаточно узкий температурный диапазон для существования жизни от -100 до +100 градусов по Цельсию. Реально же следует еще сузить этот диапазон от -70 до +70, ибо высокообразованные и тем более разумные организмы, состоящие из наиболее сложнейших органических веществ не смогут вести адекватную жизнедеятельность при более экстремальных термических условиях.
Вновь вычеркиваем ряд гипотетических веществ, живущих внутри вулканов при тысячах градусов или строящих свои города во льдах метана при сотнях отрицательных градусов. Такой жизни нет и быть не может.

Дышите… Не дышите…

Нужно ли живым существам дыхание? По всей вероятности, без дыхания никакие сложные формы не способны существовать. Поскольку газообразные активные вещества необходимы для протекания окислительно-восстановительных реакций, для поддержания постоянного температурного и энергетического баланса внутри организма. Иными словами, если живой объект не поглощает какое-то вещество порционно, то организм недополучает энергии для возникновения других процессов жизнедеятельности. Не зарождается новых реакций, а протекающие не могут твориться вечно и циклично — не будет развития, эволюции. Да и вечные двигатели существуют только в архаичной фантастике. Современная беллетристика стремится оперировать более реальными объектами.
Все это одна очень длинная цепочка: позаимствовав из атмосферы (или из воды, почвы и т.п.) какое-то вещество (чаще всего газ, но может быть дисперсированная жидкость или даже твердое вещество в виде аэрозолей или аэрогелей), которое тут же вступает в окислительно-восстановительную реакцию с какими-то другими веществами организма. Живое существо получает определенную порцию выработанной в результате этих реакций энергию для дальнейших реакций, которые уже являются частями мозговой и мышечной деятельности. И так далее, по циклу.
Важный аспект — как раз возможность участия в окислительно-восстановительных реакциях, которые есть начало всех этих сложных цепочек последующих химических процессов. Наиболее оптимальными условиями для возникновения таких реакций являются кислород, углекислый газ, аммиак, все та же вода и в какой-то степени ряд других газов. А вот азот, гелий, неон, криптон, ксенон, аргон, метан и многие другие газы являются достаточно инертными и способны вступать в реакции только в достаточно агрессивных условиях (при крайне высоких температурах, при сильных электрических разрядах, при очень низком или высоком давлении и т.п.), то есть как раз тогда, когда нужные организму органические вещества разрушаются, а вода закипает. Есть и другие газы (например, хлор или фтор), которые, наоборот, чересчур агрессивны и могут попросту разрушить всю органику при обычных условиях.

Идеальным условием для дыхания живых существ как раз является не какой-то один определенный газ, а некая сбалансированная смесь, которую мы и называем воздухом. Разумеется, глупо было бы представить, что существам с других планет необходим тот же самый состав воздуха, что и на Земле. Как раз, вполне возможно, что процентное содержание тех или иных компонентов будет совсем другое, но, скорее всего, в атмосферах тех планет, где возможна жизнь, все-таки будет присутствовать кислород, вода (или водород), углекислота и аммиак — эти самые наиболее ценные поставщики атомов для органических соединений. Собственно, прибывшие на нашу Землю инопланетяне оденут скафандры вовсе не по причине того, что дома они дышат совершенно бесполезным для химических реакций метаном или неким трифторметоксихлорциклопентаном, а просто потому, что для них недостаточно много в нашей атмосфере углекислоты или аммиака, или чересчур много губительного кислорода.
Большое количество свидетельств (или чаще всего — лжесвидетельств) контакта с внеземными цивилизациями показывает, что в подавляющем большинстве инопланетяне — гуманоиды, прекрасно себя чувствующие в земных условиях, зачастую — вовсе без скафандра. Они двигаются и действуют в земной атмосфере и при условиях земного притяжения без видимых трудностей. Это один из факторов в пользу того, что формы внеземной жизни прибывают на нашу планету из схожих миров.
Но все же придется признать, что, опять-таки, из-за названных выше условий (углеродсодержащая органика и вода) обязательно нужна атмосфера, в которой нет гибельных для органики компонентов, но есть достаточное количество крайне важных для протекания окислительно-восстановительных реакций компонентов.
Кроме того, атмосфера нужна также для поддержания более-менее постоянного температурного режима на планете и защиты от космического холода — за счет парникового эффекта не будет сильного перепада температур на ночной и дневной сторонах планеты. А еще атмосфера необходима для защиты от крайне вредоносных космических излучений. Известно немало веществ, поглощающих подобные излучения, но наилучшим защитником является озон — аллотропная модификация все того же кислорода.
Итак, помимо водных ресурсов и углеродсодержащей органики на планете обязательно должна существовать мощная атмосфера, в которой исключено наличие как чересчур агрессивных, так и слишком большой доли инертных компонентов. Кстати, отсюда вытекает вполне логический аспект: лишь планеты с твердым ядром приличной массы, наделенные достаточной силы магнитным полем, способны удержать над своей поверхностью плотный слой атмосферы.
Выбрасываем со счетов все безъядерные газовые гиганты, разнообразные планеты вовсе без атмосферы и те планеты, где гипотетические разумные существа пытаются дышать 100%-ным метаном или хлором.

Кушать подано!!!

Вот мы и подошли к самому, может быть, главному принципу существования мироздания.
Клетки живых организмов, состоящие из углеродсодержащей органики, в принципе не могут быть вечными в силу того, что жизнь — это реакции, а реакции, так или иначе, поглощают часть составляющих этих клеток. За секунду отмирают и появляются на свет сотни миллионов живых клеток. Этот бесконечный процесс — и есть жизнь!
Но если старые клетки уничтожаются, то куда девается вся та органика, из которой клетка существовала? И откуда берутся вещества для строительства новых клеток?
Этот вопрос будоражил ученых во все времена. Если говорить простым языком, то возможность насыщения веществами путем питания — это самая важная первооснова жизненных процессов. Вода и воздух лишь подталкивают организм к этим процессам. А далее, получив все необходимые компоненты из пищи, организм запускает тысячи процессов по строительству новых клеток и переработке старых. К сожалению (а может быть и к счастью), живые организмы не способны питаться собственными клетками — вероятнее всего, таким образом не происходило бы постоянной эволюции, и жизнедеятельность бы просто зациклилась или и вовсе остановилась.
Все, абсолютно все живые существа нуждаются во внешнем питании. Животные и насекомые поедают других живых организмов или питаются растениями. Растения получают питания из почвы, воздуха и воды. Простейшие микроорганизмы поглощают себе подобных. Клетки питаются клетками, и этот процесс практически бесконечен!
Можно предположить, что существует небелковая жизнь. Или жизнь без участия углеводов или жиров. Но все равно в процессах жизнедеятельности будут участвовать какие-то другие сложнейшие органические вещества, и потому для поддержания этих процессов нужно органическое сырье — пища.
Потому делаем вывод: для существования жизни необходима сама возможность существ питаться компонентами органического происхождения. Без пищи, как и без воды или нужного состава атмосферы живое существо попросту умрет.
Снова сузим диапазон возможностей для существования жизни за пределами Земли: крайне необходим достаточный запас органической пищи, а, значит, важен факт существования как можно большего числа форм жизни. Зачеркиваем те безжизненные планеты, на которых нет ничего кроме камней и минералов, либо где живут лишь два-три вида живых существ и напрочь отсутствуют какие бы то ни было одноклеточные, бактерии, микробы и прочие простейшие создания, являющиеся начальной и главнейшей ступенью для пропитания всех последующих более сложных форм жизни.

Делаем выводы.

Можно размышлять и дальше, проанализировав и другие условия возникновения жизни — например, атмосферное давление, силу притяжения, уровень радиации и т.п. Но, предположим, что все эти факты не играют особого значения, и вполне может существовать жизнь на планетах с очень сильным магнитным полем, или в условиях достаточно мощной радиоактивности.
Важно как раз, чтобы выполнялись все вышеперечисленные условия, которые, по сути, являются лишь следствием всего лишь одного самого главного фактора: многообразие и сложная структура всех форм жизни обусловлена лишь теми уникальными способностями, которыми обладает лишь атом углерода.
Любые другие формы жизни, даже если предположить, что такие могут быть вопреки перечисленным условиям, никогда не смогут подняться выше наипростейших одноклеточных организмов, способных существовать без огромного числа сложнейших органических реакций.
В 1959 г лауреаты Нобелевской премии Г. Юри и С. Миллер отвергли возможность развития жизни на основе веществ, отличных от углерода и воды.
Все дело во внешних и внутренних орбиталях центральных элементов, на которых построены сложные молекулы.
Кремний и германий, как наиболее близкие к углероду элементы, имеют незаполненные внутренние орбитали, и чрезвычайно легко заполняют внешние орбитали, реагируя с любыми агрессивными средами. Это означает, что нельзя ни при каких условиях создать достаточно устойчивую сложную структуру на основе кремния или германия, чтобы при воздействии любого активного вещества не произошло полного разрушения такого вещества. У углерода заполняются все орбитали, плюс есть уникальная способность перетягивания части заряда, размытия внешних орбиталей и получения устойчивых как одинарных, так и двойных и даже тройных связей, не говоря уже о возможности образования колец и даже гетероциклов. Все это позволяет из углеродных цепочек лепить как из пластилина любые, практически абсолютно любые и бесконечные формы.
За исключением углерода, кремния и германия ни один другой элемент периодической системы не способен удержать рядом с собой достаточно устойчиво более пары-тройки десятков других атомов. Это принципиально важно.
Практически все элементы таблицы Менделеева уже открыты. Выше открытых элементов таблицы Менделеева возможны лишь краткоживущие радиоактивные металлы, которые абсолютно неспособны к образованию сложных соединений. Других альтернативных химических элементов быть в принципе не может. Так что кроме углерода нет и не существует никаких подобных аналогов. И это есть аксиома. Хоть в эвклидовом пространстве, хоть в геометрии Лобачевского, хоть на ленте Мёбиуса или даже в параллельных вселенных.
Хотя, спорным остается вопрос о существовании неких эфирных видов чистого разума, без физической органической формы. Но это уже, скорее, тема для теософических диспутов.
И потому все немыслимые кремневые камнемонстры, дышащие чистым гелием где-то в жерлах вулканов с температурой в 5000 градусов по Цельсию — не более чем нелепая и абсолютно ирреальная профанация. Современным фантастам стоит более досконально изучить принципы и основы возникновения органических форм жизни, дабы не городить жутких необоснованных нелепиц.

Вместо послесловия…

Вполне резонно возникает сакраментальный вопрос: «А есть ли жизнь на Марсе?»
Можно ответить так:

а) она могла быть много миллионов лет назад, покуда на Марсе была вулканическая активность, большее магнитное поле и более плотная атмосфера, когда вода была не только на полярных шапках, а общая температура была выше нуля (сейчас на Марсе температура от -150 до 0 по Цельсию;
б) на Марсе жизнь возникнет много позже за счет увеличения солнечной активности (и как следствие — повышения температуры на всех планетах) или за счет заселения землянами (или другой инопланетной расой) Марса и насыщения марсианской атмосферы кислородом и другими газами благодаря импортированным на поверхность красной планеты водорослям и разнообразным микроорганизмам, способным жить при минусовых температурах. Но, опять же — при условии, что полярные шапки начнут таять и предоставлять воду к экватору, где она способна перейти в перманентно жидкое состояние.
в) жизнь на Марсе есть и сейчас, но где-то глубоко в недрах планеты, и мы не видим следов жизнедеятельности, т.к. на поверхность живые существа не показываются.
А вообще чисто теоретически жизнь в Солнечной Системе может бытьна нескольких объектах:
1. Марс — наиболее явный кандидат. Есть даже какие-то косвенные доказательства зачатков бактериальной жизни. Почему бы и нет. На Марсе неплохой температурный режим (далеко в прошлом, когда атмосфера на планете была намного плотнее, а температура выше — и вовсе хорошо), есть вода, есть кислород, есть достаточно углерода. Жизнь на планете может быть. Примитивная или высокообразованная, но жизнь может быть. Увы, лишь не в настоящем. Или в настоящем, но глубоко сокрытая в недрах планеты.
2. Венера — скорее всего, жизнь могла быть очень давно, когда не было такого жуткого парникового эффекта, и температура на планете была значительно ниже, даже меньше 100 градусов. Сейчас там кромешный ад — выше 400оС. Но на Венере миллионы лет назад даже гораздо больше возможностей для возникновения жизни — много углерода, воды, кислорода, серы, азота, очень плотная атмосфера и температура выше нуля.
3. Спутники — Европа, Титан, Ио, Ганимед, Энцелад — у каждого из них есть какие-то свои преимущества, приближающие их к земным (температура, атмосфера, наличие водных океанов, обилие углеродсодержащих соединений и т.п.). Но в комплексе, эти планеты все-таки вряд ли обладают достаточными условиями.
В настоящий момент (плюс минут несколько сотен тысяч или миллионов лет) жизни на поверхностях этих планет, увы, быть не может. Хотя вполне можно допустить наличие подповерхностной или даже магматической форм жизни.
Что же касается планет других звездных систем, то пока она не открыты и не исследованы, все карты отданы в руки писателям-фантастам. Только хотелось бы, чтобы поменьше было антинаучных нелепиц и несуразиц. Хочется, чтобы жизнь на других планетах была.
Нормальная органическая жизнь.