Альтернативная биохимия
В 1954 году Джон Бёрдон Сандерсон Холдейн, выступая на симпозиуме по происхождению жизни, предположил, что может быть разработана альтернативная биохимия, в которой вода может быть заменена жидким аммиаком в качестве растворителя. Часть его рассуждений была основана на наблюдении, что вода имеет ряд аналогичных аммиаку свойств. Например, аналогом метанола, CH3OH, является метиламин, CH3NH2. Халдейн предположил, что возможно создание аммиачных аналогов и более сложных веществ, таких как белки и нуклеиновые кислоты, а также использовал тот факт, что целый класс органических соединений – пептиды, могут существовать без изменений в системах на основе аммиака. Эти амидные молекулы, которые заменяют обычные аминокислоты, могут затем подвергаются конденсации с образованием полипептидов, почти идентичных содержащимся в земных формах жизни. Эта гипотеза, которая была развита далее британским астрономом В. Акселем Фирсоффом, представляет особый интерес при рассмотрении возможности биологической эволюции на богатых аммиаком мирах, таких как газовые гиганты и их луны.
Температура кипения аммиака
С одной стороны жидкий аммиак имеет некоторые химические сходства с водой. Существует целая система органической и неорганической химии, которая происходит в аммонии, а не в водном растворе. Аммиак обладает дополнительным преимуществом: это растворение большинства органических веществ, а так же обладает беспрецедентной способностью растворять многие элементарные металлы, включая натрий, магний и алюминий. Кроме того, несколько других элементов, таких как йод, сера, селен и фосфор также растворимы в аммиаке с минимальной реакцией. Каждый из этих элементов важен для химии жизни и путей пребиотического синтеза. Температура кипения жидкого аммиака – 33 C при давлении 1 атмосфера для биологии довольно низка. Но, как и в случае с водой, повышение поверхностного давления на планете изменяет эту характеристику. При давлении в 60 атм, например, что ниже давлений, доступных на Юпитере или Венере, аммиак кипит при 98 C вместо -33 C, давая диапазон жидкой фазы 175 C. Жизнь на основе аммиака не обязательно должна быть низкотемпературной!
Органика на основе аммиака
Аммиак имеет диэлектрическую проницаемость около 1⁄4 от водной, что делает его плохим изолятором. С другой стороны, температура плавления аммиака выше, поэтому плавится он относительно тяжелее. Удельная теплоемкость аммиака немного больше, чем воды, и он намного менее вязкий (он более свободно течет). Химия жидкого аммиака в кислотно-щелочной среде изучена достаточно широко, и она оказалась столь же широкой, как у водных сред. Как растворитель, аммиак едва уступает воде. Принудительные аналоги макромолекул земной жизни могут быть сконструированы и в аммиачных системах. Тем не менее биохимия на основе аммиака может развиваться совершенно другими путями. Растворитель для живых клеток должен быть способен диссоциировать их на анионы (отрицательные ионы) и катионы (положительные ионы), что позволяет проводить кислотно-щелочной реакции.
В системе растворителей аммиака кислоты и основания отличаются от водной системы (кислотность и основность определяются относительно среды, в которой они растворяются). В аммиачных системах вода, реагирующая с жидким аммиаком, дает ион NH +, который является сильной кислотой – весьма враждебной к жизни. Астрономы миров, жизнь которых основана на аммиаке, глядя на нашу планету, несомненно, рассматривали бы океаны Земли никак иначе, чем чаны с горячей кислотой. Вода и аммиак не являются химически идентичными: они просто аналогичны. В биохимических реакциях обязательно будет много различий. Молтон предположил, например, что в основе жизнедеятельности на основе аммиака могут использоваться хлориды цезия и рубидия для регулирования электрического потенциала клеточных мембран. Эти соли более растворимы в жидком аммиаке, чем соли калия или натрия, используемые земной жизнью.
Минусы аммиака как основы жизни
С другой стороны, существуют проблемы с принятием аммиака в качестве основы для жизни. Они сосредоточены главным образом на том, что температура испарения аммиака составляет лишь половину от температуры воды, а ее поверхностное натяжение составляет лишь одну треть. Следовательно, водородные связи, которые существуют между молекулой аммиака, намного слабее, чем в воде, так что аммиак будет менее способен концентрировать неполярные молекулы за счет гидрофобного эффекта. Поэтому остаются вопросы, насколько хорошо аммиак может удерживать пребиотические молекулы вместе достаточно сильно, чтобы создать самовоспроизводящуюся систему.
