Исчезающая ложка, или Удивительные истории из жизни периодической таблицы Менделеева - Сэм Кин

Давайте подробнее познакомимся с кремнием и поговорим о том, насколько реалистичны гипотезы о существовании кремниевой жизни. Эта тема в научной фантастике не менее заезжена, чем лазерные пушки, но сама идея очень важна, так как расширяет наши «чисто углеродные» представления о живой материи. Энтузиасты этой гипотезы даже могут рассказать вам о некоторых вполне земных существах, жизнедеятельность которых серьезно зависит от кремния. Таковы, например, морские ежи, чьи иглы содержат этот элемент, а также радиолярии (одноклеточные организмы), которые в ходе эволюции обзавелись настоящими кремниевыми доспехами. Успехи современной науки в области вычислительной техники и искусственного интеллекта также позволяют предположить, что на основе кремния можно создать не менее сложные «мозги», чем на базе углерода. Теоретически вполне возможно заменить все нейроны вашего мозга кремниевыми транзисторами.

Но р45 преподает нам урок практической химии, перечеркивающий многие надежды на встречу с кремниевой жизнью. Разумеется, «кремниевым существам» потребовалось бы каким-то образом поглощать соединения кремния и выводить их из организма – например, для восстановления поврежденных тканей. Ведь в обмене веществ у земных существ всегда принимает участие углерод. На Земле почти все создания, которые находятся у основания пищевой цепи (во многих отношениях это самые важные организмы), питаются газообразным диоксидом углерода. Кремний в природе также активно связывается с кислородом, образуя диоксид кремния SiO2. Но диоксид кремния совсем не похож на углекислый газ – это даже не газ, а твердый порошок (пусть даже такой мелкий, как вулканическая пыль). При любой температуре он весьма неблагоприятен для живых организмов. Диоксид кремния переходит в газообразное состояние только при 2200 °C! Клеточное дыхание с участием твердых частиц попросту невозможно, поскольку такие частицы сцепляются друг с другом. Они не текут, сложно захватывать отдельные молекулы таких веществ, а это очень важно для клеток. Даже самые примитивные формы кремниевой жизни, не сложнее ряски, едва могли бы дышать, а у более крупных форм жизни со многими слоями клеток дела обстояли бы еще хуже. Не имея возможности газообмена с окружающей средой, растительные формы кремниевой жизни голодали бы, а животные задыхались бы от отходов собственной жизнедеятельности. Достаточно вспомнить, насколько губительна р45 для наших легких, привыкших иметь дело с углекислым газом.

Смогли бы гипотетические кремниевые микроорганизмы всасывать кремний и избавляться от него какими-то иными способами? Возможно, но соединения кремния не растворяются в воде, а это самая распространенная жидкость во Вселенной. Таким образом, подобные существа были бы сразу лишены тех эволюционных преимуществ, которые нам дает кровь и другие жидкости, обеспечивающие циркуляцию питательных веществ и утилизацию отходов. Кремниевые формы жизни должны были бы выстраивать обмен веществ только на твердых соединениях, которые плохо смешиваются. Таким образом, сложно себе представить, как кремниевые существа могли бы делать что-либо.

Более того, поскольку в атоме кремния содержится больше электронов, чем в атоме углерода, этот атом гораздо массивнее. Порой это не проблема. Кремний вполне мог бы заменить углерод в марсианских аналогах жиров или белков. Но углерод также способен образовывать кольцевые молекулы, которые мы называем сахарами. Кольцо – это форма, для которой характерно значительное напряжение. Именно поэтому в кольцевых молекулах заключено много энергии. Кремниевые молекулы попросту недостаточно гибки, чтобы образовывать кольца. Существует и другая подобная проблема: атомы кремния не могут так тесно располагать свои электроны, чтобы из них создавались двойные связи, присутствующие практически во всех сложных биохимических соединениях. Если два атома совместно используют два электрона, то между ними возникает одинарная связь. Если электронов не два, а четыре, связь двойная. Соответственно, у кремниевой жизни было бы в сотни раз меньше возможностей

для хранения химической энергии и синтеза гормонов. В общем, только радикальная биохимия допускает существование таких кремниевых форм жизни, которые способны расти, реагировать на раздражители, размножаться и нападать. Даже морские ежи и радиолярии используют кремний лишь в качестве опорного элемента, а не для дыхания или хранения энергии. Тот факт, что на Земле развилась именно углеродная жизнь, несмотря на то что кремния на нашей планете гораздо больше, чем углерода, по-видимому, все объясняет[17]. Я не рискну утверждать, что кремниевая биология принципиально невозможна. Но кремниевые твари должны были бы испражняться песком и жить на планете с постоянно извергающимися вулканами, ежесекундно выбрасывающими в атмосферу мельчайшую кремниевую пыль. В других условиях маловероятно, что четырнадцатый элемент мог бы стать основой для жизни.

Правда, кремний обеспечил себе бессмертие, так и не породив жизни. Подобно вирусу – квазиживому существу, – кремний занял свою эволюционную нишу, паразитируя на другом элементе, расположенном в таблице прямо под ним.

В том столбце таблицы, где находятся углерод и кремний, можно заметить и другие интересные примеры генеалогии элементов. Под кремнием находится германий. Под германием мы неожиданно обнаруживаем олово. Спускаемся еще на период – под оловом располагается свинец. Итак, двигаясь прямо вниз по четырнадцатому столбцу периодической системы, мы сначала встречаем углерод – основной элемент живых организмов, потом кремний и германий, на которых построена вся современная электроника. Далее идет олово – непримечательный серый металл, из которого делают баночки для кукурузы. Замыкает эту последовательность свинец – элемент, более или менее губительный для всего живого. Каждый шаг, казалось бы, невелик, но наш путь демонстрирует, что небольшие изменения постепенно накапливаются, и разница между элементами становится огромной.

Еще один генеалогический урок заключается в том, что во многих семействах есть своя паршивая овца – кто-то, на кого остальная родня махнула рукой. В четырнадцатом столбце таблицы Менделеева таков, несомненно, германий – элемент с совершенно незавидной судьбой. Кремний сегодня применяется в компьютерах, микросхемах, автомобилях и калькуляторах. Благодаря кремниевым полупроводникам люди долетели до Луны, благодаря кремнию функционирует Интернет. Но если бы около шестидесяти лет назад сложилась немного иная ситуация, в Северной Калифорнии сегодня раскинулась бы не Кремниевая, а Германиевая долина.

Современная полупроводниковая индустрия начала развиваться в 1945 году в корпорации Bell Labs в штате Нью-Джерси, всего в нескольких милях от места, где семьюдесятью годами ранее основал свою «фабрику изобретений» Томас Алва Эдисон. Уильям Шокли, инженер-электротехник и физик, попытался сконструировать небольшой кремниевый усилитель, чтобы заменить вакуумные трубки в мейнфреймовых компьютерах. Инженеры очень не любили такие трубки, поскольку эти длинные стеклянные сосуды, похожие на огромные лампочки, были неудобными, хрупкими и к тому же быстро перегревались. Тем не менее без вакуумных трубок было не обойтись, поскольку ни одно другое устройство не могло решать таких двойных задач. Вакуумные трубки одновременно и усиливали электронные сигналы, так что самые слабые из них не затухали, и служили для тока «воротами с односторонним движением» – электроны в них не могли пойти вспять по электрической цепи. Если когда-нибудь канализационные трубы у вас дома начинали пропускать стоки назад, вы вполне можете представить себе масштабы возможных проблем. Шокли решил поступить с вакуумными трубками так же, как Эдисон в свое время поступил со свечами. Инженер понимал, что решение связано с элементами-полупроводниками. Только они могли обеспечить нужный баланс, при котором в электрическую цепь попадало бы достаточно электронов для возникновения тока («проводник»), но не слишком много, чтобы процесс не становился неуправляемым («полу»). Правда, Шокли оказался замечательным новатором, но неважным инженером, и его «кремниевый усилитель» так ничего и не усиливал. Тщетно промучившись над проблемой два года, он отдал эту задачу двум своим подчиненным, Джону Бардину и Уолтеру Браттейну.

По замечанию одного биографа, Бардин и Браттейн «испытывали друг к другу такую любовь, какая только может быть между двумя лучшими друзьями. Казалось, они образовывали единый организм, в котором Бардин был мозгом, а Браттейн – руками»[18]. Этот альянс получился очень плодотворным, ведь Бардин, которого за глаза, наверное, называли «ботаником», был скорее теоретиком, чем практиком. И вот двое ученых вскоре пришли к выводу, что кремний слишком хрупок, чтобы собирать из него усилители, а также плохо поддается очистке. Кроме того, они знали о свойствах элемента германия, расположенного на один период ниже, прямо под кремнием. Поскольку германий имеет на один энергетический уровень больше, его электроны связаны слабее и лучше проводят электричество. На основе германия Бардин и Браттейн сконструировали первый в мире твердотельный (а не вакуумный) усилитель. Это произошло в декабре 1947 года. Они назвали свой прибор «транзистором».