Почему все живое состоит из углерода, кислорода, азота и водорода?
(«Fact»)
Стандартный ответ, который можно найти в литературе: потому, что атомы углерода способны образовывать цепочки и кольца, создавая гигантское разнообразие органических молекул. И потому, что вода — вещество с уникальными свойствами, способное растворять огромное разнообразие веществ, а также стабилизировать температуру за счет высокой теплоемкости, теплоты замерзания и теплоты испарения Экзобиологические исследования (поиски жизни вне Земли) концентрируются на планетах с такой температурой поверхности, при которой возможно существование жидкой воды. Великий астроном Карл Саган жестко критиковал эту позицию, называя ее «водно-углеродным шовинизмом». По его мнению, другим ученым просто не хватает фантазии, чтобы представить себе альтернативную биохимию на иных химических элементах.
В фантастике часто можно встретить описания кремнийорганической жизни или жизни, использующей фтороводород либо аммиак в качестве растворителя. Кремний действительно способен образовывать сложные молекулы с длинными цепочками и кольцами атомов. Такой же способностью обладает и бор, на который, насколько мне известно, фантасты не обращали внимания. Воду в качестве растворителя действительно могут заменить NH3 и HF. Однако я придерживаюсь водно-углеродного шовинизма и собираюсь обосновать свою позицию при помощи ядерной физики.
Во Вселенной больше всего водорода, второе место за гелием. Следом идут углерод, кислород и азот. Три легких элемента — литий, бериллий, бор — весьма редки. От кислорода и до титана распространенность элементов плавно убывает, причем элементы с нечетными атомными номерами встречаются реже, чем с четными. Затем идут несколько широко распространенных металлов — хром, марганец, железо, никель. Элементы, следующие за никелем и особенно за цинком, совсем редки.
Почему так получается?
Ядра тяжелее дейтерия (тяжелого водорода) образуются в основном в термоядерных реакциях, протекающих в звездах. Простейшая из таких реакций, имеющая самую низкую температуру зажигания, — протон-протонный цикл. Благодаря ему светят Солнце и другие звезды небольшой массы. В этой реакции четыре протона в несколько стадий превращаются в ядро гелия с выделением энергии (D — дейтерий, e+ — позитрон, νe — электронное нейтрино, γ — фотон):
p + p → ²D + e+ + νe + 0,4 МэВ,
²D + p → 3He + γ + 5,49 МэВ,
3He + 3He → 4He + 2p + 12,85 МэВ.
В более массивных звездах (от полутора масс Солнца) зажигается следующая реакция — углерод-азотный цикл. В нем также протоны превращаются в ядра гелия, а ядро углерода выступает в качестве катализатора. Второй итог этой реакции — частичное превращение углерода в азот и кислород:
12C + p → 13N + γ + 1,95 МэВ,
13N → 13C + e+ + νe + 1,37 МэВ,
13C + p → 14N + γ + 7,54 МэВ,
14N + p → 15O + γ +7,29 МэВ,
15O → 15N + e+ + νe + 2,76 МэВ,
15N + p → 12C + 4He + 4,96 МэВ.
Так или иначе, со временем в центре звезды кончается водород и образуется скопление гелия. Горение водорода продолжается в тонком слое вокруг гелиевого ядра. Внешние оболочки звезды при этом раздуваются, звезда становится красным гигантом. Если масса звезды невелика, то по мере исчерпания водорода в центре оболочка будет сброшена, а горячая гелиевая сердцевина станет видна на небе как белый карлик и за несколько миллионов лет остынет и погаснет.
Жизнь тяжелых звезд оказывается интереснее. Их гелиевая сердцевина разогревается настолько, что в ней зажигается следующая термоядерная реакция — 3-альфа-процесс, превращение гелия в углерод:
4He + 4He → 8Be + γ + 0,09 МэВ,
8Be + 4He → 12C + γ + 7,37 МэВ.
Стареющая звезда получает новый мощный источник энергии и становится сверхгигантом. У более массивных сверхгигантов по мере сгорания гелия начинаются термоядерные реакции с участием углерода и кислорода, в них образуются ядра неона, магния, кремния, серы и так далее — изотопы с четным числом протонов и нейтронов:
12C + 12C → 20Ne + 4He,
12C + 16O → 24Mg + 4He,
16O + 16O → 28Si + 4He,
16C + 20Ne → 32S + 4He.
Выделяющиеся альфа-частицы также могут захватываться ядрами:
20Ne + 4He → 24Mg + γ,
24Mg + 4He → 28Si + γ,
28Si + 4He → 32S + γ.
Чем более тяжелые ядра сливаются, тем быстрее идут реакции. Если горение водорода в массивной звезде растягивается на десятки миллионов лет, то горение гелия продолжается только сотни тысяч лет. Горение углерода и кислорода с образованием неона, магния и кремния занимает сотни лет. Наконец, превращение кремния и серы в металлы занимает сутки. Выделение энергии в этих реакциях заканчивается с образованием ядер 56Ni и 60Zn, синтез более тяжелых ядер происходит уже с поглощением энергии. В центре звезды-сверхгиганта накапливаются металлы, и выделение энергии прекращается. Остывание центра звезды приводит к потере устойчивости — оболочки начинают падать к центру, звезда сжимается и взрывается. Светимость звезды в этот момент возрастает в миллиарды раз, и астрономы говорят о вспышке сверхновой. В нижних слоях ядра образуется огромное количество нейтронов, которые быстро захватываются атомными ядрами. Так синтезируются все возможные тяжелые элементы: от натрия и магния до нестабильных трансурановых, как четные, так и нечетные.
Ударная волна разносит все оболочки звезды по космосу, первые тысячи лет после этого они видны как светящаяся планетарная туманность. На месте звезды остается маленький сверхплотный остаток — нейтронная звезда или черная дыра, а большая часть вещества возвращается в газопылевые облака, обогащая их тяжелыми элементами.
Есть несколько типов ядер, которые синтезируются в других процессах. Во-первых, это дейтерий — тяжелый водород. В звездах он быстро превращается в гелий, и считается, что современные запасы дейтерия образовались из водорода вскоре после Большого взрыва, причем от превращения в гелий их предохранило быстрое остывание Вселенной. Во-вторых, три легких элемента — литий, бериллий и бор — в условиях звезд легко превращаются в гелий и углерод, и их синтез происходит в межзвездной среде в реакциях с участием космических лучей. Пики на графике, соответствующие свинцу, урану и торию, означают, что заметная часть этих элементов образовалась путем распада их более тяжелых соседей. Свинец и висмут — два последних стабильных элемента, а уран и торий — два последних относительно стабильных (период полураспада измеряется миллиардами лет).
Таким образом, существование жизни на основе бора запрещено ядерной физикой: малая устойчивость ядра этого элемента приводит к тому, что его содержание во Вселенной в миллион раз меньше, чем кислорода и углерода. Об этом можно сожалеть, потому что химия бора интересна и разнообразна, а в паре с азотом он может образовать близкие С кремниевой жизнью сложнее. Хотя сам кремний доступен в изобилии, в присутствии кислорода и воды он склонен образовывать весьма устойчивые нерастворимые силикаты. В отличие от углерода, кремний не образует сложные пи-связи, охватывающие более двух атомов, — а только благодаря пи-связям органические молекулы способны к сложным взаимодействиям со светом, вплоть до фотосинтеза органических соединений углерода.
Автор неизвестен.
#fact@sci
