Воображаемая жизнь

Наиболее заметные концентрации серы в Солнечной системе находятся на спутнике Юпитера Ио (это тот, что похож на пиццу с пепперони). Ио является ближайшей к Юпитеру среди четырёх больших галилеевых лун планеты (остальные — это Европа, Ганимед и Каллисто), и гравитационные взаимодействия между этими спутниками генерируют много тепла в его недрах. В результате Ио оказывается самым вулканически активным объектом в Солнечной системе, а вулканы выбрасывают продукты извержения на сотни миль в атмосферу. Пятнистая окраска на его поверхности в основном обусловлена серой из вулканов, которая осела после этих извержений. Большая часть этого покрытия представляет собой чистую серу в нескольких из множества её форм.

Атомы серы обычно объединяются в группы от 6 до 20 атомов, причем наиболее распространённой является структура в форме короны из 8 атомов. Нет ничего необычного в том, что атомы одного элемента группируются в разных конфигурациях: например, алмазы и графит (карандашный грифель) являются чистым углеродом, но у них разное расположение связей между атомами. Когда две молекулы, состоящие из атомов одного и того же типа, имеют разную конфигурацию, говорят, что они являются аллотропными модификациями друг друга. Большое количество аллотропных модификаций серы, которые мы наблюдаем в таких местах, как Ио, иногда используется как основание для предположения о возможности жизни на основе серы — предположения, рождённого широким разнообразием форм, которые могут принимать аллотропные модификации серы. Однако мы не знаем ни одной работы, которая выводила бы этот аргумент за рамки простых предположений.

Мы могли бы продолжить эту дискуссию, двигаясь по всей периодической таблице, но чем дальше мы уходим от углерода, тем более слабыми становятся аргументы. Думаем, что лучше всего придерживаться углерода, сохраняя при этом непредвзятое отношение к случайному редкому появлению жизни, основанной на других химических элементах.

Заменители воды

Быть водным шовинистом во многих отношениях даже ещё проще, чем углеродным. Вода обладает многими свойствами, которые делают её пригодной для поддержания жизни, и она действительно практически вне конкуренции. Давайте начнём нашу дискуссию с рассказа о некоторых из её желательных свойств.

Прежде всего, для повышения температуры воды требуется много энергии. На языке физиков мы говорим, что она обладает высокой удельной теплоёмкостью. Это позволяет относительно легко поддерживать постоянную температуру в водоёмах, что является очевидным преимуществом для живых систем.

Кроме того, вода обладает довольно необычным свойством, состоящим в том, что плотность её твёрдой фазы (льда) меньше, чем плотность жидкой фазы. Почти все прочие материалы обладают противоположными свойствами. Это означает, что когда вода начинает замерзать, лёд всплывает наверх, а не опускается на дно. Как правило, в больших водоёмах лёд образует теплоизолирующий слой, а вода под ним остаётся жидкой, что является ещё одним очевидным преимуществом для жизни. Если бы лёд был плотнее жидкой воды, он опустился бы на дно, едва образовавшись, и озеро или океан промёрзли бы полностью снизу вверх. И это, как минимум, создало бы стресс для водных обитателей.

Возможно, важнейшим свойством воды с нашей точки зрения является её способность растворять самые разнообразные вещества. Собственно, её часто называют универсальным растворителем, так как она может растворять больше веществ, чем любая другая обычная жидкость. Это означает, что молекулы других веществ, растворённых в воде, в целом свободно перемещаются и взаимодействуют друг с другом — это очевидный плюс в том, что касается развития жизни. Причина, по которой вода обладает такой способностью, заключается в том, что она представляет собой пример так называемой полярной молекулы.

Небольшое пояснение: законы квантовой механики управляют силами, действующими между атомами в молекулах воды, определяя их конфигурацию. Если вы представите, что атом кислорода — это голова, то два атома водорода — это прикреплённые к нему уши Микки Мауса, причем угол между отрезками, проведёнными от кислорода к двум водородам, составляет 105 градусов. Законы квантовой механики также говорят нам, что электроны в молекуле будут стремиться собираться вокруг атома кислорода. Таким образом, хотя молекула воды в целом электрически нейтральна, один её конец будет нести отрицательный заряд, тогда как другой конец будет положительным. Это распределение зарядов и делает воду полярной. Давайте посмотрим, как это работает, когда вода растворяет другое вещество.