Самый простой способ наглядно представить это — вспомнить о втором правиле квантовой механики, приведённом выше. Представьте, что вы начинаете с углерода, а затем добавляете восемь электронов (конечно же, сопровождая это аналогичным увеличением числа протонов в ядре). Это даст нам атом, который, как и углерод, имеет четыре валентных электрона, поскольку из новых электронов четыре заполнят до конца второй энергетический уровень, и останется ещё четыре для следующего, самого верхнего уровня, на котором они могут образовывать связи. И действительно, элемент, у которого на восемь электронов больше, чем у углерода, — это кремний, расположенный в периодической таблице прямо под углеродом.
Это упражнение объясняет, почему формы жизни на основе кремния на протяжении десятилетий были неотъемлемой частью научной фантастики. С химической точки зрения кремний — это элемент, обладающий наибольшим сходством с углеродом, и, как мы уже отмечали, он довольно распространён во Вселенной. Однако, сделав это замечание, мы должны отметить, что между углеродом и кремнием существует фундаментальная разница. Поскольку валентные электроны кремния находятся на третьем энергетическом уровне, тогда как электроны углерода находятся на втором, атом кремния крупнее своего углеродного аналога. Химики предположили, что именно это различие так затрудняет образование длинных цепочек из атомов кремния. Это означает малую вероятность того, что в жизни на основе кремния цепочки атомов кремния смогут играть ту же роль, что и молекулы типа ДНК в жизни на углеродной основе: «липучки» расположены слишком далеко друг от друга, чтобы два атома кремния могли образовать больше одной связи друг с другом. Таким образом, значительная часть сложности, которую мы наблюдаем в молекулах на основе углерода, просто недоступна кремнию. Это отражается в таком факте: известно, что специалисты в области органической химии используют для описания самых сложных молекул на основе кремния такие слова, как «монотонный».
Другая проблема возникает во время анализа обмена веществ у кремниевой жизни. Углеродный метаболизм основан на соединении атмосферного кислорода с углеводами — молекулами, содержащими атомы углерода и водорода. Простейшим примером этого процесса является сжигание метана[13], молекулы, в которой один атом углерода связан с четырьмя атомами водорода. Конечными продуктами этой реакции являются углекислый газ (газообразный) и вода. (По сути, кислород воздуха соединяется с углеродом метана с образованием двуокиси углерода и с его водородом с образованием воды.) Оба эти вещества легко удалить из того места, где вырабатывается энергия организма — например, такого рода взаимодействием с кислородом является появление углекислого газа в воздухе, выдыхаемом вами прямо сейчас.
Аналогичной реакцией в кремниевом мире было бы сгорание молекулы, в которой один атом кремния связан с четырьмя атомами водорода — вещества, известного как моносилан. Это привело бы к образованию в качестве отходов диоксида кремния (диоксида кремния). При привычных для нас температурах это вещество является твёрдым и выводится из организма с гораздо большим трудом, чем углекислый газ — оно является основным компонентом кварца и песка, например. Кстати, есть такие научно-фантастические рассказы, в которых формы жизни на основе кремния выдают свою истинную природу, испражняясь кирпичами из твёрдого диоксида кремния и оставляя за собой безошибочный след.
Из-за сложностей такого рода в научном сообществе существует общее мнение о том, что живые системы, полностью основанные на кремнии (то есть системы, в которых кремний полностью заменяет углерод), вряд ли будут существовать на планетах, которые мы обычно считаем пригодными для жизни. (Сделав это замечание, мы должны добавить, что данное утверждение не означает, что кремний не может быть включен в живые системы. Многие организмы на Земле — например, диатомовые водоросли в океане — создают твёрдые части, используя атомы кремния в своей основанной на углероде структуре.) Однако мы можем представить себе экзотические планеты, где химия кремния может генерировать некоторые очень сложные молекулярные структуры: например, находящаяся в приливном захвате планета земной группы с расплавленной дневной стороной в звёздной системе, богатой металлами и другими тяжёлыми элементами. Но у нас нет возможности узнать, будут ли большие потоки энергии, пронизывающие такую экзопланету, создавать автономные самовоспроизводящиеся системы, которые мы обычно ассоциируем с жизнью.
13
Метан относится к углеводородам (англ. «hydrocarbon»), а не к углеводам (в оригинале текста на английском сказано: «carbohydrates»). В состав углеводов входит не только углерод и водород, но ещё и кислород —