Симфония № 6. Углерод и эволюция почти всего

Углерод — элемент кристаллов, циклов и вещества. В составе множества твердых, жидких и газообразных форм углерод играет бесчисленные химические роли, которые касаются всех аспектов нашей жизни. А как насчет живых организмов, структуры и функции которых намного сложнее, чем у любого неживого природного или промышленного материала? 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 бо́льшую 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.