Кремний. Мифы и реальность - Иван Неумывакин

Какова основа жизни на Земле? Вряд ли кому придет в голову задуматься об этом. Впрочем, любознательные, я уверен, ответят без запинки: углеродная, разумеется. А ведь так было не всегда.

Учитывая чрезвычайную распространенность кремния и на нашей планете, и в космосе, некоторые ученые в свое время выдвигали предположение о том, что где-то во Вселенной может существовать жизнь не как у нас, на основе углерода, а на основе кремния. В начале XX столетия эта идея просто будоражила умы ученых. Так, англичанин Д. Рейнольдс еще в 1909 году не только выдвинул гипотезу о возможности существования «высокотемпературной протоплазмы» (которая вместо углерода содержит кремний, вместо азота — фосфор и вместо кислорода серу), но и был абсолютно уверен, что как органический элемент кремний играет гораздо большую роль, чем та, о которой знали в его время.

В России в 1910 году увидел свет рассказ ученого и писателя Н. А. Морозова, в котором тот живописал картину далекого прошлого Земли: на раскаленной планете бушует океан расплавленного кварца, в атмосфере собираются кварцевые облака, а на состоящей из глин и карбида алюминия суше живут человекоподобные существа, чья кровь — также расплавленный кварц. А российский минералог и геолог Я. В. Самойлов, рассматривая гипотезу о кремниевой основе жизни на другой планете, в 1922 году высказал предположение о том, что углеродистой жизни на нашей планете действительно могла предшествовать жизнь кремнистая, осуществлявшаяся при более высокой температуре, когда углеродистая жизнь была еще невозможна.

К теме о возможности существования кремниевых организмов позднее обращались и некоторые писатели-фантасты: этой теме посвящена, например, книга А. Азимова «Вид с высоты» (1968), и книги наших соотечественников — «Сиреневый кристалл» А. Меерова (1965) и «Глиняный бог» А. Днепрова (1963). Первый из них описывает героев, чьи организмы состоят из соединений кремния, а второй рассказывает о чудовищных опытах по превращению растений, животных и людей в кремнийорганические существа.

Ученые также на протяжении всего XX века возвращались к теме «кремниевой жизни» Так, например, англичанин В. Фирсов посвятил проблеме жизни на основе кремния свой труд «Жизнь вне Земли» (1963). Отправной точкой его рассуждений было то, что электронное строение кремния и углерода сходно и ряд соединений, образуемых кремнием, аналогичен по структуре органическим и отличается только термостойкостью, то есть ученый говорит о высокотемпературной жизни. Как и Рейнольдс в начале века, Фирсов допускал возможность замещения азота фосфором, а кислорода — серой. Подобные же теории выдвигались в 60-е годы XX века и американскими учеными.

Однако вы, наверное, заметили, что речь пока шла лишь о предположениях, гипотезах ученых. А что в действительности? Были ли времена, когда на Земле господствовали организмы с кремниевым, а не кальциевым скелетом? Были! Ученые объясняют это тем, что в древнейшем Мировом океане кальция было ничтожно мало. Однако в ходе биогеохимической эволюции Земли ее гидросфера неустанно снабжалась кальцием, и теперь его в океанской воде предостаточно. Кальций, который по сути является биохимическим антиподом кремния, легче усваивается и удаляется из организма, и потому неумолимый ход эволюции шаг за шагом вытеснял кремний из живой материи. В телах высших животных и растений, стоящих на последних эволюционных ступенях, кальций явно преобладает над кремнием. В организме человека, например, кальция 2 %, а кремния только 0,001 %, то есть в две тысячи раз меньше.

Впрочем, не только кальций вытеснял кремний с арены жизни, но и углерод, хотя кремния вокруг более чем достаточно. Однако обратите внимание, как изменяется соотношение количества кремния и углерода по мере восхождения к вершине эволюционной пирамиды: в земной коре весовое это соотношение соответственно равно 276:1, а вот в гумусовой почве оно уже 15:1, в планктоне 1:1; в папоротниках уже явно преобладает углерод — соотношение 1:100, в организмах же млекопитающих и человека углерод и вовсе подавил кремний — соотношение 1:5000.

И все-таки даже в наши дни кремниевые существа не только обитают на Земле, но и составляют очень весомую долю ее живой материи. Большинство их принадлежит к древнейшим классам простейших, главным образом обитающих в морской воде — это, например, диатомовые водоросли, и низшие животные, например, радиолярии.

По химическому составу диатомеи на другие водоросли совсем не похожи. В них около 90 % воды, а сухой остаток при сжигании дает золу, почти целиком состоящую из кремнезема. Именно потому они и считаются истинными представителями земной кремниевой жизни, что кремния в них намного больше, чем углерода.

Диатомовые водоросли — самые распространенные на земном шаре организмы. Их около 20 тысяч видов. И хотя все это микроскопические одноклеточные существа размером всего 0,75-1500 микрон, они, будучи основой фитопланктона, дают около половины (!) всей органической массы океана. Более того, диатомеи, ежегодно поглощая из Мирового океана примерно 10 млрд тонн углерода и 3 млрд тонн кремния, составляют почти четверть глобальной продукции живого вещества.

Диатомеи очень интересные существа. Их клетки не имеют целлюлозной оболочки, вместо этого они окружены снаружи твердым кремнеземным панцирем, который состоит из двух самостоятельных половинок, одна из которых находит на другую, как крышка коробочки. Именно своему строению они и обязаны своим названием, от греческого diatomos — «разделенный пополам». Панцирь крошечных водорослей пронизан порами, через которые происходит обмен веществ с внешней средой. Размножаются диатомеи делением. Любопытно, что при этом дочерняя клетка получает половинку материнского панциря, а вторую достраивает самостоятельно. Скорость размножения диатомей поражает воображение — ученые считают, что если бы диатомеям ничто не мешало, они менее чем за 17 суток покрыли бы всю поверхность Земли целиком. В одном кубометре холодных вод Арктики и Антарктики обитает около миллиарда их клеток-особей. Интересно, что диатомеи обитают преимущественно в бореальной зоне, то есть в холодных северных водах. И конечно панцирь служит им при этом хорошей защитой. Между тем первоначально, как считают ученые, панцирь был нужен диатомовым водорослям, напротив, для защиты от чрезмерно высокой температуры древнего океана. Впрочем, «жаропрочные» диатомеи известны и сейчас. Некоторые их виды, например, обитают в исландских гейзерах, где температура достигает 83–85 °C.

Кремниевые панцири защищают диатомовые водоросли не только от экстремальных температур, но и от механических повреждений, правда, не спасают их от поедания морскими животными — радиоляриями и кремневыми губками.

Свою панцирную оболочку диатомеи строят из поглощаемого ими кремния (преимущественно в виде ортокремниевой кислоты). Причем концентрация кремния в природных водах им практически неважна, диатомеи могут поглощать кремний из очень разбавленных растворов его соединений и даже разлагать силикаты и алюмосиликаты (глинистые минералы), высвобождая при этом необходимый им кремнезем. В начале XX века шотландские океанографы Д. Меррей и Р. Ирвин выдвинули предположение, что диатомеи поглощают кремний из мельчайших частиц глинистой мути, взвешенной в соленой океанской воде. Потом эти ученые экспериментально доказали, что диатомеи действительно могут разлагать глину, извлекая из нее кремнезем. А позднее эта способность диатомовых водорослей была подтверждена уже нашим великим ученым В. И. Вернадским, как и некоторыми другими. Кстати, специалисты заметили, что в период массового развития диатомовых водорослей концентрация двуокиси кремния в природных водах падает, этим явлением и объясняются сезонные колебания кремния в водоемах.