С точки зрения Вселенной удивляться этому не следует по той простой причине, что химия, лежащая в основе жизни на Земле, примерно та же, что и химия, преобладающая во Вселенной в целом. Чтобы объяснить, в чем тут дело, давайте совершим небольшое путешествие, чтобы познакомиться со своими непосредственными предками – молекулами, создавшими Вселенную в нынешнем виде, а для этого заглянем во времена сразу после Большого Взрыва, 13,8 миллиардов лет назад.
На заре мироздания существовал только водород. И еще гелий, однако когда после Большого Взрыва прошло несколько сотен тысяч лет и пространство юной Вселенной понемногу остывало, самое блестящее будущее было именно у реактивного водорода. В отличие от инертного газа гелия, который почти всегда существует в виде одноатомной молекулы и ни с чем не соединяется, водород обладает огромным потенциалом для формирования молекул, прежде всего с самим собой – H2, а без молекулярного водорода невозможно создание звезд и тяжелых элементов, а следовательно, и всей химии на свете. Ученые почему-то не афишируют тот факт, что астрофизика на самом деле началась с молекулярной химии. Все дело в том, что одиночные атомы водорода, носящиеся в космическом пространстве, располагают ограниченными возможностями для потери энергии движения. Если материя не может остыть, она не способна сформировать плотные структуры вроде пыли или звезд. Даже если атомы водорода налетают друг на дружку, остывать для них – занятие очень неэффективное: это может произойти только в том случае, если они преобразуют энергию в фотоны, которые испускаются в пространство, а таким простым атомам это трудновато. Молекула водорода, которая состоит из двух протонов, связанных взаимным электрическим притяжением к двум электронам – это совсем другая история.
Молекула водорода – это как два мячика, соединенные пружинкой, она может буквально вибрировать и вращаться, что открывает совершенно новый канал для потери тепловой энергии. Сталкивающиеся молекулы конвертируют часть энергии движения в энергию высвобождаемых фотонов. Эти довольно податливые молекулярные пружинки могут успокаиваться быстрее, чем атомы, которые ведут себя как твердые бильярдные шары, поэтому они быстрее остывают.
А значит, стоило Вселенной начать создавать из атомов водорода подобные простые молекулы, температура газа стала падать гораздо быстрее. Холодный газ хуже сопротивляется гравитационному сжатию, поэтому появление молекулярного водорода прямо привело к формированию первого поколения звезд. А в результате запустило и производство всех более тяжелых элементов.
Однако Н2 – не единственный сорт молекул водорода, который производит Вселенная. Если мы выясним, какие виды молекул встречаются в космосе, мы обнаружим, что второе место по численности после простой двухатомной версии молекул водорода занимает трехатомный вариант H3. Это всего-навсего три протона, связанные двумя электронами, а поскольку третьего электрона молекуле не хватает, она в целом заряжена положительно.
Молекула H3++ весьма примечательна
[148]. Подобно обычной молекуле водорода, она играет важнейшую роль в остывании газа. Кроме того, она очень реактивна, и этим объясняется большинство так называемых молекулярно-ионных реакций в межзвездном пространстве. Ее спектроскопические среды мы обнаруживаем в самых удивительных местах, например, в атмосфере Юпитера. Вполне можно сказать, что обычная молекула водорода – это вселенская молекула-бабушка, а H3 – молекула-мать.
Если составить список химических реакций, в которых участвует H3++, станет видно, что они очень разнообразны. В результате этих взаимодействий, в частности, получается вода. А еще – синильная кислота, которой у нас есть все основания остерегаться, однако следует помнить, что она же служит ингредиентом для создания различных предшественников биомолекул, в том числе аминокислот. Кроме того, в итоге цепочек реакций, которые запускает H3+, возникают метиловый и этиловый спирты и ацетилен
[149]. А когда мы проследим всевозможные варианты развития событий, то обнаружим, что именно H3 лежит у истоков формирования все более и более длинных цепочек молекул на основании углерода – структур, которые приближаются к биологическим молекулам так близко, что становится даже страшно.
Запуск химических реакций позволяет нам сделать далеко идущие выводы по поводу истоков космической химии. Как я уже упоминал, углерод – это атом, сочетание внешних электронов и общих размеров которого позволяет ему создавать поразительно разнообразные молекулярные структуры. А в сотрудничестве с H3++ он, судя по всему, способен на все в пределах термодинамических ограничений, которые налагает холод межзвездного пространства.
И в самом деле, астрономы и астрохимики обнаружили, что Вселенная прямо-таки полна углеродосодержащих молекул. При помощи разных астрономических приемов удалось выявить в космическом пространстве свыше 180 разных видов молекул, и более 70 % из них углеродосодержащие. Ожидается, что этот список – всего лишь верхушка айсберга, поскольку в космосе наверняка есть самые разные более крупные молекулы, однако, чем они больше и сложнее, тем труднее их зарегистрировать, поскольку их спектральные признаки сильно смазаны.
Рис. 12. Схема образования некоторых химических соединений с участием молекулы H3+.
Возможны также реакции, которые приводят к созданию все более и более длинных цепочек атомов углерода и возникновению самых разных молекул (справа).
Еще богаче ассортимент химических соединений в более плотной и бурной среде вокруг формирующихся звезд и планетных систем. Зачастую в таких местах наблюдается огромное количество молекул воды, а также самые разнообразные органические углеродосодержащие соединения, чем дальше, тем больше. Мы видим там молекулы спирта и сахара, а также следы предшественников аминокислот вроде глицина. Все это обретает особый смысл, если взглянуть на происходящее, вооружившись познаниями в химии. Одновременно с наблюдениями ученые разрабатывают и математические модели химических процессов, которые должны происходить в подобных средах, – и мы обнаруживаем, что на практике происходят именно такие реакции, возникают именно такие соединения, какие предсказываются моделями. Фундаментальная химическая теория предсказывает все, что мы видим, – но не только.
Проще говоря, мы живем во Вселенной, где преобладают углеродосодержащие химические соединения, а это коренится в самых что ни на есть основах ядерной физики и объясняется тем, какие компоненты вещества были получены в результате Большого Взрыва. Совсем не трудно сложить два и два – знания о залежах древних химических богатств, которые мы обнаруживаем в кометах и метеоритах, и знания о земной биохимии
[150]. Все наши открытия сильно затрудняют разработку каких бы то ни было альтернативных сценариев.
