Разумная жизнь во Вселенной - Юрий Мизун

Свойства сероводорода таковы, то в нем растворяется ряд кислот, а также галоидных соединений, арил- и алкил-замещенных сульфидов аммония, а также многие органические вещества. Опытным путем было установлено, что целый ряд химических индикаторов меняет окраску при переходе из кислот в основную относительно Н2S среду. Другими словами, изменение окраски происходит в присутствии кислот и оснований, которые соответствуют этому растворителю и которые растворяются в нем. Ясно, что те химические соединения, которые при диссоциации в растворе дают ион Н+ (протон), в жидком сероводороде должны вести себя как кислоты. Значит, те водные кислоты, которые в нем растворяются, сохраняют кислотный характер. Одна из таких кислот — это НCl. Соединения, которые дают отрицательные ионы HS— или S2—, в системе H2S будут основаниями. Основание вступает в реакцию с кислотой, и образуются соль и растворитель.

Если мы имеем дело с аммиаком, то там протекает реакция, аналогичная гидролизу в воде. Она называется сольво-лизом. Это реакция, обратная нейтрализации. Соединения реагируют с растворителем, и при этом обычно образуется по одной молекуле основания и кислоты. Любопытно, что одно и то же соединение может вести себя и как кислота, и как основание. Примером этого могут служить спирты. Они в водном растворе ведут себя как кислоты по отношению к органическим кислотам, которым в этом случае приписываются основные свойства. Ряд веществ также ведет себя подобным образом в жидком сероводороде.

При низких температурах жидкого сероводорода некоторые соединения, которые содержат углеродные цепочки, могут стать устойчивыми настолько, чтобы быть лабильными. В других условиях все происходит по-иному. Например, наиболее широко распространенный на Земле азот, который при наших обычных температурах образует только короткие нестабильные цепочки, при низких температурах, характерных для жидкого сероводорода, может образовывать достаточно прочные связи. Эти связи могут в определенной степени заменить углерод-углеродные связи.

Далее рассмотрим фтористоводородную кислоту НF. Ее точка замерзания равна — 83,1 °C. Это немногим выше, чем у сероводорода. Другие свойства фтористоводородной кислоты с биологической точки зрения весьма приемлемые. Она остается в жидком состоянии до температуры +19,54 °C (при нормальном атмосферном давлении). Для жизни это важно, так как она остается жидкой в широком диапазоне температур. Скрытая теплота перехода для плавления весьма высока. Она равна 54,7 кал/г. Для парообразования скрытая теплота равна 362 кал/г. Обе эти величины высоки, хотя и ниже, чем для воды. Зато диэлектрическая постоянная и диполь-ный момент у этой кислоты немного больше, чем у воды. Поэтому можно заключить, что жидкий фтористый водород является хорошим протонным растворителем с отрицательным ионом F—. Диссоциация его протекает по схеме:

2НF ^ H2F + H+.

Положительный ион Н+ образуется обязательно, поэтому фтористый водород и является протонным (Н+) растворителем. Электропроводность его мала. Он является хорошим изолятором. Теплопроводность его также невелика, поэтому он обеспечивает хорошую теплоизоляцию. С биологической точки зрения это очень важно, поскольку при этом обеспечивается устойчивость органических систем при высоких температурах.

Во фтористом водороде хорошо растворяется вода. В данном случае она выступает в качестве основания. Во фтористом водороде растворяются и фтористые металлы, а также некоторые цианиды, нитраты и сульфаты. Нерастворимыми во фтористом водороде остаются галоидные соединения, кроме фтористых, а также окислы. Не растворяются и углеводороды. Но спирты, альдегиды, кетоны, эфиры, органические кислоты и их ангидриды, а также, по-видимому, азотистые соединения и углеводы образуют проводящие растворы с отрицательным ионом F—, а также со сложными катионами, которые состоят из органической молекулы, ассоциированной с протоном. Многие другие органические соединения разрушаются или же полимеризуются в жидком фтористом водороде. Фтористый водород образует также молекулярные соединения, которые подобны по своим свойствам гидратам.

Но какое это имеет отношение к жизни? На жидком фтористом водороде может быть основана органическая система, если вместо ОН и О в окислах подставить соответственно F или HF2 и F2. Фторирование заменяет окисление. Оно обеспечивает выделение необходимой для жизни энергии. Фтор обладает большими энергиями связи. Поэтому он эффективнее, чем вода. Что касается свободного фтора, то он должен быть одним из атмосферных газов на данной гипотетической планете. Вместо кислорода — фтор. Живые существа в этих неземных условиях должны дышать не кислородом, а фтором. Они должны вместо воды пить жидкую фтористоводородную кислоту. Для земных организмов это смертельно.

Однако фтор является химически активным элементом. Поэтому трудно предположить, чтобы он на какой-либо планете выполнял ту же роль, что и вода на Земле, чтобы фтор (жидкий фтористый водород) образовал океаны, моря, реки и озера. Ведь фтор настолько активен, что обычно очень быстро связывается и поэтому исчезает с поверхности планеты (как и кислород). Фтор в свободном виде мог существовать в первичной атмосфере Земли. При понижении температуры атмосферы Земли фтор стал соединяться с водородом. Он мог сохраниться и после потери избытка водорода в результате молекулярной диссипации и осаждения таких веществ, как вода и аммиак. Эти вещества находились в замерзшем состоянии и являлись горными породами. Но такая картина возможна только в том случае, если имеется много легких галоидных соединений. Откуда они могли бы возникнуть — не очень ясно. Один из вариантов — это химическое разделение. Но какое, неясно. Во всяком случае, в нашей Солнечной системе такое разделение абсолютно исключено. Можно уверенно утверждать, что ни на одной из ее планет нет естественной среды с гидросферой, состоящей из жидкого фтористого водорода HF. Более того, вряд ли где-то существует жизнь, в основе которой находится фтористый водород. Хотя мы слишком мало знаем о планетах во Вселенной, чтобы делать окончательный категорический вывод. Нам более близок аммиак. Он в больших количествах имеется в нашей планетной системе. Так, он был одной из главных составляющих первичных атмосфер планет земной группы.

Аммиак в большом количестве содержится в атмосферах планет-гигантов Солнечной системы. Он может также присутствовать на некоторых из спутников этих планет. Эти спутники обладают большой отражательной способностью (альбедо), поскольку они покрыты снегом. Это аммиачный снег, который покрывает не только полярные шапки планет, но и более низкоширотные пояса.

Что касается аммиака, то он остается в жидком состоянии до температуры — 77,7 °C. Кипит аммиак при температуре в — 33,4 °C. Это при атмосферном давлении. Значит, аммиак испаряется легче, чем вода, которую он напоминает по своим свойствам как растворитель. Но аммиак мы рассмотрим подробно позднее.

Непростым растворителем является сернистый ангидрид SO2. Дипольный момент его равен 1, 61. Точка замерзания его равна — 75,46 °C. Это только немного выше, чем у аммиака. Сернистый ангидрид выделяется при извержении вулканов. Но он обладает высоким молекулярным весом (64). Поэтому он не может улетучиваться в космическое пространство, если температура атмосферы планеты низкая, а масса планеты малая. Можно предположить, что гидросфера из сернистого ангидрида в определенных условиях вполне возможна. При извержении вулканов выделяются также аммиак и вода. Но они в рассматриваемых здесь условиях будут быстро утеряны. Та же вода, которая не испарится и не уйдет в космическое пространство, тут же вымерзнет при этих температурах, или же она вступит в реакции с SO2 и образует сернистую кислоту H2SO4. При извержении вулканов выделяются также CS2, COS и CH4. Они и войдут в состав атмосферного газа. В его состав войдут азот и аргон. Затем они постепенно окислятся в органических процессах.

В жидком SO2 сульфаты, окислы, хлораты, сульфиды и гидроокиси не растворяются. Зато хорошо растворяются в жидком SO2 йодистые металлы, щелочные и щелочноземельные металлы, некоторые тиоцианаты и ацетаты, а также многие органические соединения. Специалисты склоняются к мысли о том, что SO2 можно всерьез рассматривать в качестве кандидата в жизненосные растворители. В пользу этого свидетельствует несколько очень важных фактов, а точнее, свойств SO2. Это и растворимость органических соединений в SO2, и присутствие его характерных ионных групп в органической химии, и бактериальной серный метаболизм, и другое. SO2 подходит для органической схемы, которая основана на углероде, как элементе, который образует молекулярные цепочки. Но здесь не все так просто. Подставить SO и SO3 вместо Н и ОН нельзя. Нельзя потому, что в системе SO2 имеются двойные связи. Поэтому замена должна быть произведена более творчески. Необходима некоторая перестройка. Основы ее заключены в следующем. Углерод по-прежнему может усваиваться из CO2 с освобождением кислорода. При этом образуются серосодержащие соединения в качестве возможных аналогов нашей земной органики. Так надо модифицировать и все остальные реакции, которые подобны циклу фотосинтеза.