Кремний и жизнь

Чтобы дать действительно исчерпывающее 
 представление о жизни, нужно обозреть 
 все формы ее проявления. 

Ф. Энгельс

Каково же сегодняшнее состояние этой проблемы?

Начнем с космического аспекта. Кремний - распространеннейший элемент не только на нашей Земле, но и на многих других планетах. В лунной пыли обнаружены даже микроколичества кремнийорганического соединения - полидиметилсилоксана, отсутствующего в земной природе. По атомной распространенности в падающих на Землю каменных метеоритах (хопдритах) кремний занимает второе место после кислорода, в космосе среди других элементов - седьмое место после водорода, гелия, азота, кислорода, неона и углерода (см. табл. 1). Более то?0, в космических масштабах атомная распространенность кремния считается общепризнанным стандартом и содержание в космосе других элементов выражается отношением числа их атомов на миллион атомов кремния. Считают, что в околозвездном пространстве витают частицы карбида кремния, силикатов магния и алюминия. Таким образом, если где-то во Вселенной возможна жизнь на основе кремния, то "строительного материала" для этого более чем достаточно.

В 1922 году внимание русского ученого Я. В. Самойлова привлекла гипотеза, что где-нибудь, на другой планете жизнь могла бы быть построена не на углероде, как наша, а на кремнии. В связи с этим он писал: "Но, может быть, и на нашей планете углеродистой жизни предшествовала кремнистая, которая могла осуществиться при более высокой температуре, когда еще невозможна была углеродистая жизнь. В таком случае эти безжизненные кремниевые скелеты, принадлежащие древнейшим организмам, из которых сложены многие кремнеземистые осадочные породы и минералы, являлись как бы отдаленным отражением безвозвратно угасшей кремниевой жизни. Однако такое сопоставление, неизбежно и роковым образом лишенное фактической опоры, заставило бы поставить дальнейший вопрос о том, что есть жизнь?"

Может ли где-то в бездне Вселенной, в которой количество кремния в общем-то даже несколько меньше, чем углерода, существовать "кремниевая жизнь", основой которой является не углерод, как у нас на Земле, а кремний?

Знаменитый русский революционер и ученый Н. А. Морозов в рассказе "Эры жизни" (1910) нарисовал картину далекого прошлого, когда на раскаленной Земле бушевал океан расплавленного кварца, в атмосфере собирались кварцевые облака, а па суше, состоящей из глин и карбида алюминия, обитали человекоподобные существа, в жилах которых текла кровь из расплавленного кварца. С рассказом Н. А. Морозова перекликается написанное американским химиком Э. Хендриком стихотворение, в котором остроумно в шуточной форме отражена идея "кремниевой жизни". Вот приблизительный перевод этого стихотворения:

Кремниевый человек 

 В догоревшем камине 
 На тлеющих углях 
 Я увидел совсем необычного 
 Человека из кремния. 
 Он вопил, как в агонии: 
 "Больше огня! Я замерзну, умру!" 
 Я быстрее к дровам, 
 Швырнул их в камин, 
 И сменился вопль стоном. 
 "Я - Джон Силикон,- 
 Простонал человек.- 
 Я создан так, что кремний 
 Во мне повсюду вместо углерода. 
 И мускулы, и нервы, даже сердце 
 Вам это подтвердят: 
 Во мне из кремния все создано точь-в-точь, 
 Как создано у вас из углерода. 
 Мы одинаковы во всем другом, различны _ 
 У нас молекул лишь основы. 
 У вас органика все то, 
 Что углерод содержит как основу 
 И связанные с ним другие элементы,
 У нас же их объединяет кремний. 
 В негодной вашей, зябкой (ой!) среде 
 Мы замерзаем, становясь камнями, 
 И оживаем только лишь тогда, 
 Когда бы вы сгорели непременно", 
 Да, этот чудо-человек Страдальцем выглядел. 
 Я виски дал, чтоб холод побороть. 
 Пшеничное понразилось ему, 
 Он мне сказал, что ощутил впервые 
 Едва заметный жгучий вкус на языке. 
 Тут ради шутки вдруг надумал 
 Он получить силикоалкоголь - 
 Заменой кремнием всех углеродов спирта 
 И, огненные свойства предвкушая, 
 Сказал, что это будет настоящий, 
 Крепчайший, адский, дьявольский первач.

Возможность существования кремниевых организмов затрагивается и в научно-популярной книге известного американского ученого-фантаста А. Азимова "Вид с высоты" (1968). Не обошла вниманием "кремниевую жизнь" и советская научно-фантастическая литература. Мы отошлем читателя, например, к роману А. Меерова "Сиреневый кристалл" (1965), герои которого состоят из соединений кремния, и к повести А. Днепрова "Глиняный бог" (1963), рассказывающей о чудовищных опытах по превращению растений, животных и людей в кремнийорганические существа.

Нельзя не отметить, что от подобных фантазий были недалеки и многие известные ученые, публиковавшие свои статьи в серьезных научных журналах и книгах. Еще в 1909 году апгличанин Д. Рейнольдс выдвинул гипотезу о возможности существования "высокотемпературной протоплазмы", содержащей вместо углерода кремний, вместо азота фосфор и вместо кислорода серу. При этом он не сомневался, что кремний как органический элемент, возможно, играет гораздо большую роль, чем та, о которой было известно в его время.

Значительно позже проблема жизни па основе кремния освещена в книге другого английского ученого В. Фирсова "Жизнь вне Земли" (1963). Он исходил из того, что кремний, благодаря сходству электронного строения с углеродом, образует ряд соединений, аналогичных по структуре органическим, но более термостойких. Поэтому он рассматривал кремний как возможный заменитель углерода при высокотемпературной жизни. Также допускалось, что и азот замещается фосфором, а кислород - серой. В качестве возможного растворителя, заменяющего воду, В. Фирсов указал на сульфид фосфора (P₄S₅), плавящийся при 173°С и кипящий при 407°С. Этот ученый предположил, что "кремниевая жизнь" возможна при высоких температурах (даже выше 10.00 С) и давлениях, при которых сложные кремниевые структуры должны стать лабильными, то есть достаточно реакционноспособными. Он признал, что полного сходства между кремнием и углеродом, разумеется, не так, например, для химии кремния менее характерны цепочки, состоящие из связей Si-С, которые притом недостаточно устойчивы. Неизвестен также кремниевый аналог бензола и т. д. Однако вместо чисто кремниевых цепей, считает В. Фирсов, макромолекулы внеземного живого вещества могут быть построены из группировок Si-О-Si и Si-N-Si. Кроме того, для жизни при высоких температурах не требуется полного исключения углерода из состава живых структур. Углерод может присутствовать в них наряду с кремнием так же, как в земных условиях он содержится в живых организмах, состоящих в основном из углеродистых соединений. В. Фирсов заключает, что, возможность существования высокотемпературной жизни, основанной и на кремнии и, вероятно, на сере и фосфоре вместо кислорода и азота, заслуживает дальнейшего изучения.

В то же примерно время (1960) сразу шестеро ученых из Пенсильванского университета (США) также заявили, что жизнь, основанная на кремнии, возможна. Разумеется, не на нашей Земле, а на других планетах, совершенно от нее отличных по своему составу и прежде всего не содержащих свободного кислорода. Жизнь на них также должна сильно отличаться от земной. Общностью обеих форм жизни должны являться лишь развитие и функции обмена. Конечно, в условиях земной атмосферы такие живые организмы существовать не могут.

В противоположность этому М. Таубе считает (1965), что использование в качестве "строительного материала" для форм жизни соединений, не содержащих водорода, кислорода и углерода, принципиально невозможно.

Если говорить о количественной стороне вопроса, то возражений против гипотезы Рейнольдса - Фирсова нет. Кремния во Вселенной для построения живой материи более чем достаточно (особенно, если учесть возможность существования планет, столь же богатых этим элементом, как и наша). Правда, атомов его в среднем в 3,5 раза меньше, нем атомов углерода (в коре Земли на каждый атом основного элемента земной жизни - углерода - приходится 133 атома кремния).

Если же рассматривать качественную) сторону вопроса, то подобные гипотезы часто встречают острую критику, которая нередко удивляет своей однобокостью. Действительно, можно сомневаться в реальности "кремниевой жизни", то есть в возможности полной замены в живых структурах углерода кремнием, но некоторые авторы приходят к выводу, что кремний вообще непригоден в качестве основы жизни. Так, нобелевский лауреат Дж. Уолд называет три основные причины, в силу которых кремний не способен играть роль носителя жизни: "Во-первых, он образует как с самим собой, так и с другими атомами связи значительно слабее, чем связи С-С. Во-вторых, его неспособность к образованию кратных связей приводит к возникновению гигантских инертных полимеров с ковалентными связями, что полностью выключает его из круговорота веществ в природе. В-третьих, нестойкость цепей кремния и его соединений в присутствии кислорода, аммиака и воды уже сама по себе достаточна, чтобы определить непригодность кремния служить в качестве материала для построения живых систем" (Дж. Уолд. "Горизонты биохимии". М., 1964, с. 102).

Однако современное состояние химии кремния свидетельствует о том, что все отмеченные Дж. Уолдом свойства соединений этого элемента оправдываются далеко не всегда.

Если отбросить фантастические варианты рассмотренных выше гипотез, можно прийти к выводу, что они несут в себе рациональное зерно. Трудно себе вообразить живую систему, построенную на основе кремния и совершенно не содержащую углерода: наши представления об образовании элементов исключают возможность существования крупных космических тел, содержащих кремний, в которых одновременно не присутствовал бы углерод. В связи с этим полное исключение углерода из состава живых организмов вряд ли вероятно. Аналогичным образом в эемных организмах, построенных из соединений углерода, всегда присутствует и кремний. В некоторых микроорганизмах и растениях содержание этого элемента весьма значительно, и он играет в них определенную физиологическую роль. Нельзя отрицать, что при определенных условиях биохимическое значение кремния может быть значительно большим. Вероятнее всего, это происходит ври повышенной температуре окружающей среды, в результате чего увеличивается растворимость соединений кремния в воде и становится возможным их усиленный обмен в организме. Отложившиеся в наружных частях организма соединения кремния могут играть роль термоизолирующего панциря, защищающего внутренние органы от перегрева или от переохлаждения и механических воздействий. Можно предположить, что в случае внезапного достаточно медленного повышения температуры окружающей среды (что обычно характерно для планетных процессов)^* даже земные существа смогли бы приспособиться к значительно менее благоприятным условиям существования за счет увеличения содержания соединений кремния в своих организмах^**. Возможно, в этом кроется причина высокого содержания кремния в организмах древнейших обитателей Земли - диатомовых водорослей и радиолярий, на заре существования которых температура поверхности нашей планеты была значительно более высокой, чем в настоящее время. Есть данные, что и современные диатомовые водоросли живут в гейзерах при температуре 83-85°С. Кроме того, повышенным содержанием кремния отличаются многие тропические растения, а также бактерии, живущие в горячих источниках. В разве неудивительно, что некоторые бактерии способны длительно выдерживать температуру до 350°С и давление 250 атмосфер, в то время как белок необратимо свертывается уже при 60°С.

^* (На Земле это могло происходить во время климатических катаклизмов, обусловленных сменой времени галактического года, длящегося около 188 миллионов лет. Повышение температуры Земли в будущем возможно и в связи с "энергетическим взрывом". )

^** (Известно, например, что кремнекислота способна вытеснять)

Исходя из сказанного, нетрудно представить, что во Вселенной могут существовать сравнительно горячие планеты, населенные живыми существами, в которых, соединения кремния преобладают над углеродными или даже вообще их не содержат, и, следовательно, кремний там является основным элементом жизни. При такой постановке вопроса фантастичность рассмотренных гипотез значительно уменьшается, а подбор достаточно веских фосфорную из ряда важных соединений, в частности из рибонуклеиновой кислоты и ферментов, аргументов для их опровержения затрудняется. Вероятно, внеземные организмы, в которых кремний является одним из основных элементов их жизни, рано или поздно станут объектом экзобиологических исследований.

Недостаточно обоснованными нам представляются и приведенные выше аргументы Дж. Уолда. И вот почему:

1. Связи Si-Si, как уже было сказано, не столь характерны для химии кремния, как связи С-С для органической химии. Тем не менее при соответствующем обрамлении построенных из связей Si-Si макроцепей последние могут достигать огромной длины, сохраняя при этом достаточно высокую химическую (в том числе окислительную) и термическую устойчивость, сочетающуюся с определенной реакционной способностью (столь необходимой для белковых молекул). Кроме того, энергия связи Si-С, например, лишь ненамного меньше энергии связи С-С, а связь Si-О более прочная, чем С-О.

2. Сравнительная инертность полимеров, построенных из силоксановых звеньев (Si-О-Si), еще не дает основания исключать кремний из круговорота веществ, поскольку другие кремниевые полимеры, состоящие из группировок Si-N-Si, Si-S-Si, Si-О-P, Si-N-C,

Si-О-С и т. д. (а также связей Si-Si), отличаются высокой реакционной способностью и могут участвовать в процессах метаболизма. Организмам могут быть необходимы и более стабильные соединения кремния, роль которых способны выполнять силоксановые полимеры (особенно трехмерные).

3. Среди кремнийорганпческих соединений более чем достаточно веществ, вполне стабильных по отношению как к воде, так и к кислороду. В принципе все же можно себе представить и построенные на основе кремния гигантские молекулы, состоящие, например, из группировок Si-N-Si, Si-S-Si и т. д., в которых макроцепи обрамлены соответствующими более пли менее реакционноспособными атомами или группами (водород, галогены и др.), бесконечно многообразные по структуре и способные к метаболическим превращениям. При этом, благодаря способности увеличивать свою валентность до пяти и шести, кремний может быть более разнообразным в химических превращениях, чем углерод.

Как теперь установлено, кремний даже способен образовывать двойные связи с другими элементами и входить в состав ароматических систем, Впрочем, соединения, содержащие такие связи, при обычных для земной жизни температурах неустойчивы. Наконец, в специфических неземных условиях "кремниевые" биополимеры могут участвовать в процессах обмена веществ, образуя летучие метаболиты, например SiH₄, SiF₄, SiCl₄ и т. д.

В определенных неземных природных условиях подобные кремний содержащие высокомолекулярные образования могли бы являться носителями жизни. Разумеется, возможность существования таких живых организмов в наших обычных земных условиях совершенно нереальна. Попав в земную атмосферу, такие существа мгновенно бы воспламенились или рассыпались в прах, оставив после себя облачко пара и горсточку песка.

Справедливости ради отметим, что вышеприведенные умозрительные рассуждения о возможности "кремниевой жизни" пока еще не подтверждены даже косвенно, несмотря на отдельные сообщения о нахождении в кремниевых минералах образований, по внешней форме напоминающих органические структуры. Более того, в некоторых метеоритах обнаружены довольно сложные органические вещества, в том числе и аминокислоты. Однако кремне-углеродных или других более или менее сложных соединений кремния, за исключением силикатных материалов, в них до сих пор не найдено.

Таким образом, вышеприведенные умозаключения носят абстрактный характер и далее развивать их по крайней мере преждевременно. Тем не менее нельзя отрицать, что кремний, как и углерод, на нашей планете может являться "каркасным" элементом гипотетической "кремниевой" живой материи, составляя основу ее макромолекулярных структур.

Впрочем, считающийся элементом жизни углерод фактически также чаще всего является лишь каркасом биополимеров, а основные жизненные функции выполняют связанные с ним заместители, содержащие атомы кислорода, азота, водорода, фосфора и серы.

Итак, мы можем утверждать, что на планетах с условиями, близкими к земным, "кремниевая жизнь" невозможна, но вероятность существования живой материи на основе полимерных соединений кремния где-то в недоступных пока нашему познанию глубинах космоса (например, на сравнительно холодных планетах с аммиачной атмосферой или, наоборот, на планетах, раскаленных своим солнцем до температуры, губительной для всех известных нам форм жизни) исключить нельзя.

Однако спустимся с неба на землю. Возможно ли, чтобы кремний, столь распространенный в земной коре (литосфере), где его почти в 280 раз больше, чем углерода, не имел никакого отношения к зарождению, развитию и существованию жизни?! На поверхности нашей планеты на каждые 130 атомов кремния приходится всего один атом углерода. И лишь одна тысячная этого сравнительно незначительного количества углеродных атомов является составной частью живой материи.

Природные соединения кремния сыграли весьма существенную роль при возникновении жизни на нашей планете более 3 миллиардов лет тому назад. Прежде всего, обладая адсорбционными и каталитическими свойствами, аморфный кремнезем и силикаты явились матрицами, на которых осажденные из Мирового океана простые органические молекулы превращались в сложные белковые тела. Решающую роль в этом процессе могли сыграть солнечные и космические лучи или даже ударные волны.

Гели кремниевой и полиалюмокремниевой кислот обладают свойствами, необходимыми для протекания в их среде биохимических процессов. Благодаря этому они, по-видимому, и сыграли важную роль в зарождении и развитии жизни на Земле, по крайней мере на первой стадии.

Известный английский физик Д. Бернал предполагал, что зарождение жизни, возможно, связано с каталитическим действием кварца и алюмосиликата - монтмориллонита, и высокое содержание кремния в первичных организмах и наличие лишь его следов в высших животных обусловлено тем, что "в первичный период существования жизни не было необходимости синтезировать кристаллы веществ, которые в изобилии находились в окружающей среде; когда же образовались полимеризованные органические фрагменты, отпала необходимость в исходных неорганических веществах".

Кроме того, на некоторой ступени развития жизни, характеризовавшейся уже достаточно сильным структурированием воды под влиянием сложных органических макромолекул, оказалось ненужным структурирующее действие скелета гелей поликремниевой кислоты.

Весьма интересно экспериментально обоснованное предположение, что входящий в состав живой материи фосфор возник благодаря воздействию на кремнезем проникающего излучения за счет ядерной реакции

осуществлявшейся на пред биологической стадии существования нашей планеты. Оптически активные формы кварца, по-видимому, обеспечили появление существующей ныне асимметрии природных органических соединений.

Наконец, высоко пористые кремнезем (силикагель) и некоторые силикатные материалы способствовали повышению устойчивости живших в ту пору протоорганизмов к жесткому воздействию внешней среды (повышенная температура, интенсивная радиация и др.). Это наблюдается и в настоящее время для микроорганизмов, спокойно обитающих в порах силикагеля при температурах выше 90°С! Более того, гетерополиконденсаты кремниевой кислоты, например полученные согидролизом 3-аминопропилтриэтоксисилана с дифенилдихлорсиланом, используются в качестве матриц при культивировании живых клеток. Силикагель повышает устойчивость и многих биологически важных органических соединений, в частности ферментов, липидов и витаминов, при этом он также проявляет свойства избирательного катализатора некоторых химических реакций адсорбированных веществ. Высокая способность силикагеля и силикатов поглощать аминокислоты и другие природные соединения указывает на важнейшую роль соединений кремния не только в возникновении, но и в развитии жизни земных протоорганизмов (первичных организмов). Ведь на поверхности адсорбента создавалась необходимая им концентрация питательных веществ, содержание которых в окружающей водной среде было ничтожно.

В процессах развития первичной жизни существенную роль могла сыграть и способность гелей кремнекислоты приобретать "память" адсорбированных ими веществ и даже первичных живых образований (протоорганизмов). Эта "память" сохраняется и при неблагоприятных условиях, разрушающих сорбированные органические вещества. Их оставшиеся реплики, или матрицы, оказываются способными возобновить с помощью адсорбции первоначальную комбинацию молекул. Излучение солнца, повышенная активность космических лучей и интенсивная вулканическая деятельность в археозойский период могли бы разрушить сорбированные природными силикагелями органические вещества. Однако дальнейшие процессы адсорбции и катализа при более благоприятных условиях могли привести к возрождению сложных органических молекул на сохранившихся их минеральных репликах. Это же явление может способствовать и межпланетной миграции жизни (без переноса живого вещества, гибнущего в условиях открытого космоса). Поэтому не кажется фантастической мысль о том, что в ближайшем будущем ученым удастся возродить земные протоорганизмы на закодированных архейских горных породах.

При зарождении жизни на Земле на поверхности кремнезема и силикатов кремний не мог не внедряться в образующиеся белковые структуры и был в ту отдаленную эпоху одним из главных элементов живой природы и ее протоорганизмов. Это подтверждается тем, что и в наши дни кремний имеет чрезвычайно существенное значение для многих организмов, оставшихся на низшей ступени эволюционного развития, и содержится в них в большом количестве.

Таким образом, нет сомнений, что соединения кремния сыграли выдающуюся роль в зарождении и сохранении жизни на нашей планете. В цикл существования земной живой материи в настоящее время вовлечено более 9 миллиардов тонн кремния. Это соответствует товарному составу, груженному песком, длиной 200 тысяч километров (масса всей живой материи на Земле составляет при* мерно 1000-10 000 миллиардов тонн).

Многие представители низших форм жизни извлекают кремний из окружающей среды, используя его прежде всего для построения своих оболочек, панцирей или скелетов. К ним относятся простейшие организмы - фораминиферы, радиолярии, солнечники, кремниевые губки и др. Среди растений центраторами кремния являются диатомовые водоросли. В их сухом веществе содержится до 50% двуокиси кремния. Количество кремнезема в кремниевых губках достигает 90% от веса их скелета.

Очень много кремния содержится в ныне живущих "доисторических" наземных споровых растениях (хвощи, мхи и папоротники). Существуют даже обитающие в почве и на скалах "силикатные бактерии", разрушающие горные породы.

Об этих необычных существах, в жизни которых кремний играет особо важную роль, мы и расскажем.