Кремниевую жизнь можно синтезировать на Земле


    Жизненная форма на основе кремниевой органики. Рендер: Lei Chen and Yan Liang (BeautyOfScience.com) для Калифорнийского технологического института в Пасадене

    Авторы научно-фантастических произведений давно предполагали, что инопланетная жизнь не обязательно должна быть основана на углероде. Например, в качестве основы может использоваться ближайший аналог углерода в таблице Менделеева — кремний (Si). Он похож на углерод по некоторым химическим свойствам. Например, подобно атомам углерода, для атомов кремния является характерным состояние sp3-гибридизации орбиталей. Специалисты называют кремний наиболее вероятным претендентом на роль структурообразующего атома в альтернативной биохимии.

    Странно только то, что в земной природе таких организмов почему-то не обнаружено. Живые клетки упорно отказывается использовать кремний по своей воле. Но если природа не может сделать этот шаг и перейти на кремний — можно ей помочь. Специалисты с кафедры химии и химических технологий Калифорнийского технологического института в Пасадене впервые в истории науки получили органические клетки с углеродно-кремниевой химической связью с помощью живого биокатализатора. Об этом открытии сегодня 25 ноября 2016 года написал журнал Science.

    Кремний составляет почти 30% массы земной коры, это второй по распространённости химический элемент на Земле. Несмотря на это, до сих пор не обнаружено ни одного живого организма, способного формировать углеродно-кремниевые химические связи. По каким-то причинам в природе органические смеси на основе кремния не встречаются, хотя это отличные материалы, которые синтезированы и используются в промышленности и медицине. Например, в исследованиях новых лекарств углерод заменяют на кремний, чтобы обойти патентные ограничения на стандартные формулы с углеродом. В химии тоже используются органические полимеры на основе кремния. Их применяют в сельском хозяйстве и полупроводниковой промышленности.

    Хотя кремний в избытке присутствует в земной коре, синтезировать органический кремниевый полимер стандартными методами очень непросто. Это многоступенчатый технический процесс, который в некоторых случаях требует использования катализаторов из драгоценных металлов (родий, иридий), низкой температуры, а также галогенсодержащих растворителей.

    Процедура очень сложная, так что учёные задумывались о том, чтобы для такой задачи лучше всего будет использовать генетически модифицированный биологический фермент. Известно, что ферменты способны осуществлять различные химические реакции с высокой точностью и эффективностью гораздо выше, чем у стандартных методов химического синтеза. В этой роли фермент выполняет роль биокатализатора. Его легко включить в ряд других техник биомедицины.

    Фермент для создания кремниевой органики — дешёвый способ, позволяющий использовать ресурсы из окружающей среды. Процесс будет идти в естественных условиях без дополнительных усилий и помощи извне.

    Учёные из Калифорнийского технологического института в Пасадене предположили, что для такой задачи лучше всего подойдут гемопротеины, которые в оригинальном виде в живом организме содержат небелковые компоненты: железо или магний. К такого рода белкам относятся гемоглобин и его производные, хлорофилл-содержащие белки и ферменты и др.

    По идее, модифицированный гемопротеин мог бы стать катализатором для внедрения карбена (соединения двухвалентного углерода) в кремниево-водородную химическую связи. Таким образом произошло бы связывание кремния с органической белковой цепочкой. Учёные испытали несколько земных организмов, в организме которых присутствует данный гемопротеин — и нашли наиболее подходящий организм. Такой оказалась бактерия-экстремофил Rhodothermus marinus, которая обитает в гейзерах Исландии.

    Учёные взяли у бактерии Rhodothermus marinus гем-содержащий белок цитохром с — и внедрили его в кишечную палочку (E.coli), стандартную бактерию для таких генных опытов. Поначалу E.coli с гемопротеином не очень хорошо справлялась с задачей, но через три поколения мутаций эффективность образования кремниево-углеродных связей значительно увеличилась.



    После трёх поколений направленных мутаций такой биокатализатор стал в 15 раз раз эффективнее, чем любой синтетический катализатор для синтеза кремний-органических полимеров.


    На видео: структура небольшого гем-содержащего белка цитохром с у бактерии Rhodothermus marinus. В центральном районе виден атом железа красного цвета. Исследователи модифицировали аминокислоты в районе, обозначенном розовым цветом, чтобы этот гемопротеин смог работать в качестве катализатора для формирования кремниево-углеродных связей

    Перед исследователями стояла задача удешевить и оптимизировать производство кремниевых органических полимеров, которые нужны промышленности. Они не ставили задачу создать кремниевую или кремний-углеродную жизнь. Но невольно учёные сделали первый шаг на этом пути. Генно-модифицированные бактерии способны создавать кремний-углеродные связи в живых клетках. Теоретически, с их помощью можно выращивать живые организмы на основе углеродно-кремниевой биохимии, как и предполагалось в научной фантастике.

    Научная работа опубликована 25 ноября 2016 года в журнале Science (doi: 10.1126/science.aah6219)
    Поделиться публикацией
    Реклама помогает поддерживать и развивать наши сервисы

    Подробнее
    Реклама
    Комментарии 43
    • +4

      https://www.youtube.com/watch?v=n79xVJur1Q8
      Прекрасная лекция о небелковой жизни. TL;DR: жизнь на основе кремния крайне маловероятна но есть несколько других перспективных кандидатов

      • +3
        опять фиолетовая ссылка, чем дальше тем печальнее
      • 0
        https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%93%D0%BB%D0%B8%D0%BD%D1%8F%D0%BD%D1%8B%D0%B9_%D0%B1%D0%BE%D0%B3
        Надеюсь, так дело не пойдет?
        • –1
          > весь углерод в организме человека постепенно заменяется на кремний, что делает его послушным, неуязвимым для пуль и неспособным говорить монстром.

          Я не уверен, что это хоть как-то связано не то что с научностью, но и со здравым смыслом
          • +2
            Это фантастика 60-х. Она скорее социальная, чем техническая, про борьбу с фашизмом. Написано, кстати, довольно интересно.
        • 0
          В свете того, что жизнь на земле использует все что можно для жизни: сверла, подшипники, колеса (и это не считая человечества), какова вероятность того, что где-то на Земле есть простейшие на основе кремния?
          • НЛО прилетело и опубликовало эту надпись здесь
            • 0
              А зачем его выдыхать? Можно в туалет им сходить.
              • +1
                То, что СО и СО2 летучие и прекрасно водорастворимые — очень сильно упрощает обмен веществ внутри клеток. А оксиды кремния летучие при нереальных температурах и растворимые при при тысячах градусов.
                Перед тем, как сходить им в туалет, его то надо вывести из зоны обмена как-то.
              • +1
                Зачем выдыхать песок? И углеродные организмы приспособлены для удаления не только газообразных, но и жидких и твердых отходов жизнедеятельности. Те же деревья от лишнего углерода избавляются плодами, листьями и древесиной ствола. Последнее вообще прикольный хинт — деревья это практически мхи, которые научились использовать для приближения к источнику энергии вместо камней собственные отходы.
                • 0
                  Не, топологически мох — плоский, а дерево, да и вообще большинсто семенных растений — сферы.
              • +1
                Практически никакая. Одна из ключевых проблем заключается в том, что оксид кремния очень стойкое вещество. Оксид углерода разложить довольно просто, чтобы выделенный углерод снова использовать в круговороте жизни. С кремнием такое не прокатывает. И если он окислился, то система лишается этого ресурса. Когда неокисленный кремний закончится, жизнь как энергетическая система закончится тоже.
                Вроде бы есть организмы, который его более-менее активно используют, но чтобы он составлял основу химии, такого нет.
              • 0
                «Это многоступенчатый технический процесс, который в некоторых случаях требует использования катализаторов из драгоценных металлов (родий, иридий), низкой температуры, а также галогенсодержащих растворителей.»
                То есть если я правильно понимаю, кремний-органическую жизнь следует искать на тех планетах, где это нормальные условия?
                • 0
                  В следующем же абзаце написано же. Ферменты это и есть органические катализаторы, они могут всю эту благородную радость заменить. Но проектирование ферментов это тот еще фронтир.
                  • 0
                    Фермент выдумали сами экспериментаторы чтобы облегчить себе жизнь.
                    Я же говорю про поиск места, где этот процесс будет естественным.
                    • 0
                      Что естественного в металлических катализаторах? Они вообще-то со временем отравляются и перестают катализировать. Ферменты естественно тоже, но их куда энергетически выгоднее заново наработать, чем платину очистить.
                      • 0
                        Значительная, (если не большая — тут я не в курсе) часть «ферментов» — это типа «обвязка» для собственно катализаторов которыми обычно являются ионы переходных металлов. Так что металлы-катализаторы — это естественно.
                      • 0
                        Естественным он мог бы быть на планете с фторной атмосферой. На такой планете вполне мог бы быть океан из плавиковой кислоты, в которой благополучно растворялся бы кремний.
                  • 0
                    Надо человеку этот ген пересадить. В тканях некоторых органов соединения кремния даже лучше углеродных.
                    • 0
                      Кажется, у Беляева что-то такое было.
                      • 0
                        Я тоже искал у Беляева, но оказалось — нет:
                        http://lib.com.ua/books/2/902n1.html
                        • +2
                          Первым вспомнилось ефремовское «Сердце змеи» — но нет, там про фтор как замену кислороду. Правильный ответ — А. Днепров «Глиняный бог».
                          • 0
                            а я первым вспомнил «Статуи Ленжевена»:
                            http://books.rusf.ru/unzip/add-2003/xussr_mr/malovv18.htm?2/2
                          • 0
                            «Приговоренный к призме» Фостер Алан.
                          • НЛО прилетело и опубликовало эту надпись здесь
                            • 0
                              Мышьяк фигня, как и вся неорганика. Наиболее эффективные яды это токсины, которые тоже ферменты.
                              • 0
                                Селен же, Эволюцию не смотрели?
                                • НЛО прилетело и опубликовало эту надпись здесь
                              • 0
                                И правда, почему это в природе нет кремниевой органики? Учитывая, что
                                Это многоступенчатый технический процесс, который в некоторых случаях требует использования катализаторов из драгоценных металлов (родий, иридий), низкой температуры, а также галогенсодержащих растворителей
                                • 0
                                  Это не стоит учитывать, потому что большинство химических реакций для синтеза углеродной органики тоже происходят не при комнатной температуре и не без концентрированных кислот, да и платиново-родиевых катализаторов. А стадий реакции гораздо больше, чем в случае ферментативных реакций.
                                  • 0
                                    Органика, насколько мне известно, сама синтезируется в первичном бульоне при наличии внешней энергии — света, молний, вулканов тех же.
                                    • 0
                                      Органика, насколько мне известно, сама синтезируется в первичном бульоне при наличии внешней энергии — света, молний, вулканов тех же.


                                      Тогда почему кремнийорганика по ударами молний и в кратерах вулканов (откуда пыль её должна была попадать в воздух) в слоях горных пород не синтезируется? — всё ж есть — давление, температура, оксиды металлов в качестве катализатора.
                                      • 0
                                        Именно драгоценных металлов? Именно тех, которые нужны, там, где нужны? Да, и «галоген-содержащие растворители» тоже присутствуют? Очевидно, создание «кремний-органики» значительно более сложный процесс, чем создание углеродной органики.
                                  • 0
                                    Потому что углеродная появилась раньше и зохавала все экологические ниши?
                                  • +1
                                    Странно только то, что в земной природе таких организмов почему-то не обнаружено. Живые клетки упорно отказывается использовать кремний по своей воле.
                                    Таких — это каких?

                                    Диатомовые водоросли — это одноклеточные и колониальные водоросли, которые отличаются наличием у клеток защитного корпуса, состоящего из диоксида кремния.
                                    А это такие или не такие?
                                    Для термина «использовать», имхо, вполне достаточно.
                                    • 0
                                      Думается, тут имеется в виду использование кремния для образования структурных соединений. А так то кремний и человеку нужен, около 40мг в день, но нужен.
                                    • +1
                                      Весь доступный кремний в оксидах, его крайне сложно разложить, для подобной не углеродной органики, необходима планет с очень экзотичными условиями.
                                      • 0
                                        В оксидах он уже после кислородной катастрофы. До того он был вполне чистым.
                                        • 0
                                          Он всегда в оксидах, образует их еще до формирования планет, в космосе, благодаря избытку кислорода в космосе (его больше чем всех других химически активных элементов кроме водорода вместе взятых)
                                        • 0
                                          тут бы подошли что-то типа силанов, но они не сильно то устойчивы, абсолютно не любят кислород, и длина цепочки очень ограниченна.
                                        • 0
                                          Чужой — кремниевая форма жизни? :)))
                                          • 0
                                            Если бы было так, ему вряд ли пришлись по вкусу углеродные космонавты.
                                          • 0
                                            при дыхании они будут выделять кремнозём?(SiO2)

                                            Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.