Скрытая теплота перехода из одного состояния (или фазы) в другое равна количеству тепла, которое поглощено или выделено телом, когда оно переходит из одной фазы в другую без изменения температуры. Так, скрытая теплота парообразования у воды равна 539 кал/г при температуре кипения. У аммиака эта теплота равна 341 кал/г. Это при давлении в одну атмосферу. Для живых организмов все указанные выше величины вполне подходят. Имеется и еще один растворитель — сероводород Н2S. Его скрытая теплота при давлении в одну атмосферу равна всего 132 кал/г. Этого, конечно, мало. Ситуацию может исправить только высокое давление.
Для того чтобы активная жизнь была возможна в широком диапазоне температур, надо, чтобы растворитель (жидкость) имел высокую скрытую теплоту перехода. Тогда этот растворитель не будет легко закипать и замерзать.
От изменений температуры эффективно защищают вещества с низкой теплопроводностью. Это хорошие изоляторы тепла. Но как меняется теплопроводность, так же меняется и диэлектрическая постоянная. Поэтому растворитель с высокой диэлектрической постоянной хорош для жизни по двум причинам: как хороший изолятор и как хороший термос.
Но перечисленных свойств растворителей для жизни мало. Надо еще, чтобы растворитель мог выполнять функции биологического растворителя, то есть он должен укладываться в определенную химическую схему. Он должен образовывать определенные ионы, которые могут с пользой для жизни войти в осуществимую в данных условиях схему органической химии. Что касается аммиака, то при умеренно низких температурах, когда вода уже превращается в лед, он очень напоминает воду по своему поведению. К тому же он является одним из нескольких десятков водоподобных растворителей. Эти растворители можно называть протонными, поскольку у них, как у воды и аммиака, образуется ион Н+ (протон). Такими растворителями являются гидразин N2Н4, гидроксиламин NН2ОН, синильная кислота HCN и фтористый водород HF. Примерами непротонных растворителей являются сернистый ангидрид SO2, четырехокись азота N2O4, двубромистая ртуть HgBr2.
Для того чтобы тот или иной растворитель стал основой жизни на планете, надо, во-первых, чтобы он вообще мог присутствовать на данной планете, а во-вторых, чтобы его количество было для этого достаточным. Так, двубромистая ртуть является очень хорошим растворителем для жизни, но очень маловероятно, чтобы она находилась на какой-либо планете в достаточном количестве. То, что характерные ионы этого растворителя не укладываются в известную нам химическую схему, ничего не значит. Почему же жизненные реакции не могут быть повторены с некоторыми изменениями в данном растворителе? Специалисты полагают, что водные группы Н и ОН могут быть замещены характерными ионами другого растворителя. Образовавшееся при этом соединение, растворенное или взвешенное в этом растворителе, должно вести себя по отношению к этому растворителю в химическом плане так же, как его незамещенный аналог по отношению к воде. Значит, это соединение по-прежнему будет способно выполнять в новой среде те же жизненные функции.
Что касается протонных растворителей, то в них различны только отрицательные ионы (анионы). В аммиаке это NH2–, а в сероводороде HS—. Сероводород при низких температурах является водоподобным растворителем. Указанные два замещения часто встречаются в органической химии.
Биологических растворителей много. Но большинство из них находится в жидком состоянии при температурах, когда вода либо замерзает, либо целиком обращается в пар. Конечно, в таких условиях земная жизнь невозможна. Но у аммиака точка замерзания равна –77,7 °C. Когда вся вода превратится в лед, аммиак может образовывать океаны. Так же и растворители с высокой точкой кипения могут заменять воду при температурах, когда вода может существовать только в состоянии пара. Она находится в атмосферном газе или вообще убегает в космическое пространство, если находится очень высоко. Это происходит тем легче, чем меньше масса планеты, то есть чем меньше сила гравитационного притяжения. Отметим, что диссоциация воды (разрыв молекулы на атомы) происходит в результате действия коротковолнового ультрафиолетового излучения Солнца.
Если на планете высокая температура, то условия для жизни на ней будут плохими, потому что при высоких температурах происходит разрыв углеродных связей. Собственно, любая химическая реакция с увеличением температуры ускоряется. Причем очень сильно. На каждые 10 °C скорость химических реакций увеличивается в 2–3 раза. Если же температура увеличится от 0 до 100 °C, то скорость реакций увеличится не менее чем в 1000 раз. Ясно, что при этом лабильные органические молекулы разрушаются или же вступают во взрывную реакцию. Это может происходить очень эффектно. Например, на той стороне Меркурия, которая обращена к Солнцу, можно было бы взорвать мост при помощи глюкозы. Справедливо и обратное. Многие применяемые у нас взрывчатки в условиях очень низких температур являются простыми органическими соединениями. Поэтому в интересах безопасности большие заряды взрывчатки (например, тысячекилограммовые бомбы) лучше держать при низких температурах. Так и поступали во время Второй мировой войны.
Атомный вес также играет важную роль. Если он увеличивается, то химическая активность элемента (вещества) уменьшается. Это и понятно. Чем тяжелее частица, тем она ленивее в смысле химической активности. Большие тела движутся медленно, зато при этом происходит компенсация роста температуры. Поэтому более тяжелые атомы с той же валентностью ведут себя при высоких температурах почти так же, как и легкие атомы (их аналоги) при низких температурах. Отсюда следует важный для проблемы жизни вывод: одни атомы, более легкие, могут быть заменены другими, более тяжелыми. Более тяжелые атомы смогут справиться с высокими температурами. Так, углерод С может быть замещен более тяжелым кремнием Si. У них одинаковые свойства, поскольку они находятся в IV группе таблицы Менделеева. В V группе азот N может быть заменен фосфором Р. В VI группе кислород О может быть заменен более тяжелой серой S. Значит, если в земных условиях в жизненных процессах участвуют более легкие указанные элементы, то в более высокотемпературных условиях их могут заменить указанные более тяжелые элементы. Так жизнь может справиться с высокой температурой в неземных условиях. Более того, даже в земных условиях сера иногда замещает в органических соединениях кислород. Подобным образом в обычных органических структурах встречается кремний.
Что касается кремния, то этот элемент образует цепочки, как и углерод. Поэтому специалисты серьезно обсуждают идею высокотемпературной жизни, которая могла бы быть основана на кремнии. Главное, что требуется от заменителей углеродной химии, это то, чтобы они содержали большие, обязательно лабильные молекулы, которые способны выполнять структурные и функциональные обязанности наших органических молекул, но в иных планетных условиях. Конечно, их структура может быть весьма различной.
Рассмотрим подробнее возможности жизни при низких температурах. Если температура не очень низкая, то для этих условий имеются несколько подходящих растворителей, которые могут заменить воду. Каждому из этих растворителей можно подобрать систему аналогов органических соединений. Одним из таких растворителей, как уже говорилось, является сероводород H2S. Его температура замерзания равна –85,6 °C, кипит он при атмосферном давлении при температуре –60,75 °C. Скрытая теплота испарения у него низкая. При низких атмосферных давлениях все эти показатели не очень благоприятны для жизни. Но для планет с большой массой, которые имеют мощные атмосферы, а значит, и большую гравитационную силу притяжения, этот вариант с сероводородом ученые не исключают. Примером такой планеты является Юпитер. Имеются и другие планеты-гиганты.
Рассмотрим подробнее свойства сероводорода. Он остается в жидком состоянии и тогда, когда даже аммиак (а не только вода) замерзает. Сероводород является серным аналогом воды. Правда, диэлектрическая постоянная сероводорода сравнительно низка. Она равна всего 10,2 против 81,1 для воды и 22,0 для аммиака. Тем не менее у него есть много свойств, которые говорят о том, что он может быть основой жизни в качестве растворителя. Сероводород является протонным растворителем, то есть содержит ионы Н+. Этот растворитель, как и вода, сам себя диссоциирует, то есть производит разрыв своих молекул на ионы. Таким же свойством обладает и аммиак. У сероводорода диссоциация протекает по реакции:
2Н2S ^ H3S+ + HS—.
В результате этой реакции в качестве характерного иона появляется Н+. Из сероводород образуется и отрицательный ион. Им является НS—. Это хорошо известная меркаптогруп-па. Поэтому нам достаточно заменить гидроксил НS— во всех органических соединениях. Мало того, такие замещения реальны, поскольку они наблюдаются и в земных условиях. Интересно, что соединение С4Н12S13 было найдено в метеоритах.
