Чому все живе складається з вуглецю, кисню, азоту та водню
Стандартна відповідь, який можна знайти в літературі: тому, що атоми вуглецю здатні утворювати ланцюжки та каблучки, створюючи гігантське різноманітність органічних молекул. І тому, що вода - речовина з унікальними властивостями, здатне розчиняти величезна різноманітність речовин, а також стабілізувати температуру за рахунок високої теплоємності, теплоти замерзання і теплоти випаровування Екзобіологіческіе дослідження (пошуки життя поза Землею) концентруються на планетах з такою температурою поверхні, при якій можливо існування рідкої води. Великий астроном Карл Саган жорстко критикував цю позицію, називаючи її «водно-вуглецевим шовінізмом». На його думку, іншим вченим просто не вистачає фантазії, щоб уявити собі альтернативну біохімію на інших хімічних елементах.
У фантастиці часто можна зустріти описи кремнийорганической життя або життя, що використовує фтороводород або аміак в якості розчинника. Кремній дійсно здатний утворювати складні молекули з довгими ланцюжками і кільцями атомів. Такий же здатністю володіє і бор, на який, наскільки мені відомо, фантасти не звертали уваги. Воду в якості розчинника дійсно можуть замінити NH3 і HF. Однак я дотримуюся водно-вуглецевого шовінізму і збираюся довести свою позицію за допомогою ядерної фізики.
У Всесвіті найбільше водню, друге місце за гелієм. Слідом ідуть вуглець, кисень і азот. Три легких елемента - літій, берилій, бор - вельми рідкісні. Від кисню і до титану поширеність елементів плавно убуває, причому елементи з непарними атомними номерами зустрічаються рідше, ніж з парними. Потім йдуть кілька широко поширених металів - хром, марганець, залізо, нікель. Елементи, які йдуть за нікелем і особливо за цинком, дуже рідкісні.
Чому так виходить?
Ядра важче дейтерію (важкого водню) утворюються в основному в термоядерних реакціях, що протікають в зірках. Найпростіша з таких реакцій, що має найнижчу температуру запалювання, - протон-протонний цикл. Завдяки йому світять Сонце і інші зірки невеликої маси. У цій реакції чотири протона в кілька стадій перетворюються в ядро гелію з виділенням енергії (D - дейтерій, e + - позитрон, νe - електронне нейтрино, γ - фотон):
p + p → ²D + e + + νe + 0,4 МеВ,
²D + p → 3He + γ + 5,49 МеВ,
3He + 3He → 4He + 2p + 12,85 МеВ.
У більш масивних зірок (від півтора мас Сонця) запалюється наступна реакція - вуглець-азотний цикл. У ньому також протони перетворюються в ядра гелію, а ядро вуглецю виступає в якості каталізатора. Другий підсумок цієї реакції - часткове перетворення вуглецю в азот і кисень:
12C + p → 13N + γ + 1,95 МеВ,
13N → 13C + e + + νe + 1,37 МеВ,
13C + p → 14N + γ + 7,54 МеВ,
14N + p → 15O + γ +7,29 МеВ,
15O → 15N + e + + νe + 2,76 МеВ,
15N + p → 12C + 4He + 4,96 МеВ.
Так чи інакше, з часом в центрі зірки закінчується водень і утворюється скупчення гелію. Горіння водню триває в тонкому шарі навколо гелієвого ядра. Зовнішні оболонки зірки при цьому роздуваються, зірка стає червоним гігантом. Якщо маса зірки невелика, то в міру вичерпання водню в центрі оболонка буде скинута, а гаряча гелієва серцевина стане видно на небі як білий карлик і за кілька мільйонів років охолоне і згасне.
Життя важких зірок виявляється цікавіше. Їх гелиевая серцевина розігрівається настільки, що в ній запалюється наступна термоядерна реакція - 3-альфа-процес, перетворення гелію в вуглець:
4He + 4He → 8Be + γ + 0,09 МеВ,
8Be + 4He → 12C + γ + 7,37 МеВ.
Старіюча зірка отримує новий потужний джерело енергії і стає надгігантом. У більш масивних надгігантів у міру згоряння гелію починаються термоядерні реакції за участю вуглецю і кисню, в них утворюються ядра неону, магнію, кремнію, сірки і так далі - ізотопи з парним числом протонів і нейтронів:
12C + 12C → 20Ne + 4He,
12C + 16O → 24Mg + 4He,
16O + 16O → 28Si + 4He,
16C + 20Ne → 32S + 4He.
Виділяються альфа-частинки також можуть захоплюватися ядрами:
20Ne + 4He → 24Mg + γ,
24Mg + 4He → 28Si + γ,
28Si + 4He → 32S + γ.
Чим важчі ядра зливаються, тим швидше йдуть реакції. Якщо горіння водню в масивної зірки розтягується на десятки мільйонів років, то горіння гелію триває лише сотні тисяч років. Горіння вуглецю і кисню з утворенням неону, магнію і кремнію займає сотні років. Нарешті, перетворення кремнію і сірки в метали займає добу. Виділення енергії в цих реакціях закінчується з утворенням ядер 56Ni і 60Zn, синтез більш важких ядер відбувається вже з поглинанням енергії. У центрі зірки-надгіганта накопичуються метали, і виділення енергії припиняється. Охолодження центру зірки призводить до втрати стійкості - оболонки починають падати до центру, зірка стискається і вибухає. Світність зірки в цей момент зростає в мільярди разів, і астрономи говорять про спалах наднової. У нижніх шарах ядра утворюється величезна кількість нейтронів, які швидко захоплюються атомними ядрами. Так синтезуються всі можливі важкі елементи: від натрію і магнію до нестабільних трансуранових, як парні, так і непарні.
Ударна хвиля розносить все оболонки зірки по космосу, перші тисячі років після цього вони видно як світиться планетарна туманність. На місці зірки залишається маленький надщільний залишок - нейтронна зірка або чорна діра, а велика частина речовини повертається в газопилові хмари, збагачуючи їх важкими елементами.
Є кілька типів ядер, які синтезуються в інших процесах. По-перше, це дейтерій - важкий водень. У зірках він швидко перетворюється в гелій, і вважається, що запаси дейтерію утворилися з водню незабаром після Великого вибуху, причому від перетворення в гелій їх оберігаючи швидке охолодження Всесвіту. По-друге, три легких елемента - літій, берилій і бор - в умовах зірок легко перетворюються в гелій і вуглець, і їх синтез відбувається в міжзоряному середовищі в реакціях за участю космічних променів. Піки на графіку, відповідні свинцю, урану і торію, означають, що помітна частина цих елементів утворилася шляхом розпаду їх більш важких сусідів. Свинець і вісмут - два останніх стабільних елемента, а уран і торій - два останніх відносно стабільних (період напіврозпаду вимірюється мільярдами років).