1. ХИМИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ, ДОСТУПНЫЕ ДЛЯ ПОСТРОЕНИЯ ЖИВЫХ ОРГАНИЗМОВ
Почему все живое состоит из углерода, кислорода, азота и водорода?
Стандартный ответ, который кочует по литературе - потому, что углерод способен к образованию цепочек и колец из своих атомов, образуя гигантское разнообразие органических молекул. И потому, что вода является уникальным растворителем, способным растворять огромное разнообразие веществ, а так же за счет высокой теплоемкости, теплоты замерзания и теплоты испарения стабилизирующем температуру. Экзобиологические исследования (поиск жизни на других планетах) концентрируются на планетах с такой температурой поверхности, при которой возможно существование жидкой воды. Великий астроном Карл Саган жестко критикует эту позицию, называя ее «водно-углеродным шовинизмом», и считает, что другим ученым просто не хватает фантазии, чтобы представить себе альтернативную биохимию на других химических элементах.
В фантастике то и дело 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 его при помощи ядерной физики.
Распространенность элементов во Вселенной (http://www.astronet.ru/db/msg/1188613).
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 светит Солнце и другие звезды небольшой массы. В этой реакции четыре протона в несколько стадий превращаются в ядро гелия с выделением энергии. В более массивных звездах (от полутора масс Солнца) зажигается следующая реакция - углерод-азотный цикл. В нем тоже протоны превращаются в ядра гелия, а ядро углерода выступает в качестве катализатора. Вторым итогом этой реакции является частичное превращение углерода в азот и кислород.
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 не превышает трех масс Солнца, то по мере исчерпания водорода в центре оболочка будет сброшена, а горячая гелиевая сердцевина будет 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. Стареющая звезда получает новый мощный источник энергии и становится сверхигантом. У более массивных сверхгигантов по мере сгорания гелия начинаются термоядерные реакции с участием углерода и кислорода, в них образуются ядра неона, магния, кремния и так далее - изотопы с четным числом протонов и нейтронов. Чем более тяжелые ядра сливаются, тем быстрее идут реакции. Если горение водорода в массивной звезде растягивается на десятки миллионов лет, то горение гелия - только сотни тысяч лет. Горение углерода и кислорода с образованием неона, магния и кремния занимает сотни лет. Наконец, превращение неона, магния и кремния в серу, аргон, кальций и более тяжелые элементы занимает годы. Эти реакции заканчиваются с образованием ядра 56Fe - самого устойчивого из всех атомных ядер. В центре звезды-сверхгиганта накапливается железо и выделение энергии прекращается. Остывание центра звезды приводит к потере устойчивости - оболочки начинают падать к центру, звезда сжимается. В самом центре звезды под чудовищным давлением электроны соединяются с протонами в ядрах железа и образуется сверхплотное нейтронное вещество. Оно не может дальше сжиматься, а падающие оболочки звезды с разгону налетают на него. Из зоны контакта нейтронного вещества с обычным веществом звезды расходится мощная ударная волна и плотные потоки нейтронов. Нейтроны быстро захватываются атомными ядрами, и так синтезируются нечетные элементы от фтора до марганца и большинство элементов тяжелее железа, вплоть до нестабильных трансурановых. В эти последние несколько суток жизни звезды ее светимость возрастает в миллиарды раз, и астрономы говорят о вспышке сверхновой. 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 газо-пылевые 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, быстрое остывание Вселенной предохранило их от превращения в гелий. Во-вторых, три легких элемента - литий, бериллий и бор - тоже в условиях звезд легко превращаются в гелий и углерод, и их синтез происходит в межзвездной среде в реакциях с участием космических лучей. Возможно, некоторое количество лития получилось вместе с дейтерием в первые моменты существования Вселенной. Наконец, «обойденные ядра» селена, молибдена, кадмия, лантана и некоторых других элементов (на графике соединены пунктирной линией ниже большинства ядер) не образуются в нейтроннозахватных процессах, их происхождение тоже связано с межзвездной средой и космическими лучами. Пики, соответствующие урану, торию и свинцу, 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 его ядра приводит к тому, что его содержание во Вселенной в миллион раз меньше, чем кислорода и углерода. С кремниевой жизнью сложнее. Хотя сам кремний доступен в изобилии, в присутствии кислорода и воды он склонен образовывать очень устойчивые нерастворимые силикаты. Синтез кремнийорганических веществ требует отсутствия воды, и наиболее подходящим растворителем оказывается HF. Однако, единственный устойчивый изотоп фтора - 19F - образуется в звездных ядерных реакциях с весьма малым выходом, и содержание фтора во Вселенной примерно в десять тысяч раз ниже, чем кислорода. Кислород и углерод же являются самыми распространенными элементами Вселенной после водорода и гелия, и неудивительно, что живые организмы состоят в основном из них.
UPD: Важный комментарий на тему сверхновых звезд и синтеза тяжелых элементов: http://freeresearcher.net/?p=3670&cpage=1#comment-49462