evan_gcrm (evan_gcrm) wrote,
evan_gcrm
evan_gcrm

Category:

ХИМИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ, ДОСТУПНЫЕ ДЛЯ ПОСТРОЕНИЯ ЖИВЫХ ОРГАНИЗМОВ

Оригинал взят у _hellmaus_


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.

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.

P.S. Читать полностью.



Путей образования веществ было несколько, но большинство связаны с недрами древних звёзд:



Так что всё, что нас окружает — от нас самих, до листьев на деревьях, от воздуха, которым мы дышим до полезных ископаемых в недрах Земли — когда-то было частью древних звёзд, которые погибнув во взрывах сверхновых даровали тем самым нам жизнь.

Наше Солнце относится уже к третьему поколению звёзд.

Tags: Мироустройство, Мнение
Subscribe
promo evan_gcrm march 28, 2018 19:35 141
Buy for 30 tokens
Основополагающим элементом, основным двигателем всей жизни, является репликатор. Скопированная информация - это и есть «репликатор». На Земле первый репликатор довольно бесспорный - это гены, или информация, закодированная в молекулах ДНК. Точнее это первый репликатор, о котором мы знаем.…
  • Post a new comment

    Error

    default userpic

    Your IP address will be recorded 

    When you submit the form an invisible reCAPTCHA check will be performed.
    You must follow the Privacy Policy and Google Terms of use.
  • 4 comments