Парадоксът на земната кора
Геоложкият състав на литосферата поставя парадокс, който трудно се връзва с елементарната логика на изобилието. В повърхностния слой на планетата силицият превъзхожда въглерода в съотношение над петстотин към едно. Докато силицият заедно с кислорода изгражда близо три четвърти от континенталната и океанската кора под формата на силикати и кварц, въглеродът остава скромно разпределен с едва 0.05 процента. Всичко познато в биологията – от най-простата прокариотна клетка до сложните нервни мрежи – обаче е изградено изцяло върху въглеродната верига.
Разпределението на ресурсите в ранния архай не е довело до използване на най-достъпния материал. Причината се крие във физикохимичните ограничения на самия силициев атом. Въпреки че той е четиривалентен и на хартия предлага аналогични възможности за свързване, енергетиката на химичната връзка поставя непреодолима стена. Стабилността на хомонуклеарните Si-Si вериги е драстично по-ниска от тази на C-C веригите. Енергията на скъсване при въглеродните връзки възлиза на около 348 kJ/mol, докато при силиция тя едва достига 226 kJ/mol. Това прави дългите силициеви вериги изключително крехки и податливи на спонтанно деградиране при наличие на термични колебания или минимални външни въздействия. Практическият лимит за стабилна верига от силициеви атоми спира при шест до осем звена, докато въглеродът образува макромолекули с милиони последователни елементарни звена.
Допълнително сложен се оказва въпросът за реакцията с кислорода. Връзката между силиций и кислород е изключително здрава – с енергия от 452 kJ/mol. Всяка силициева верига, поставена в кислородна среда, неминуемо претърпява пълно окисление, при което се отделя силициев диоксид. Тук се появява фундаментален метаболитен проблем: докато крайният продукт от дишането на въглеродните организми е въглероден диоксид (газ, който лесно се транспортира и отделя от системата), крайната отпадъчна фаза на силициевата обмяна би била твърд кристал с кристализационна точка над 1700 градуса по Целзий. Всеки подобен организъм би циментирал собствената си вътрешна структура още при първия метаболитен цикъл.
Термодинамични граници и реалното приложение на силиция в биологията
Макар химията да затвори вратата за изцяло силициева биохимия, организмите не са пренебрегнали напълно този елемент. Те просто са му отредили друга роля. Биологията използва силициевите съединения не за кодиране на информация или за пренос на енергия, а за структурна поддръжка и механична защита.
Отлична илюстрация са диатомеите – едноклетъчни микроводорасли, чийто минерален скелет е съставен от аморфен хидратиран силициев диоксид. Тези микроорганизми контролират значителна част от глобалната първична продукция на биомаса, трансформирайки разтворения в океаните силиций в комплексни микроскопични черупки. Под електронно-микроскопско наблюдение тези структури показват нанометрова прецизност на порите, постигната без високи температури или промишлени налягания. По подобен начин сухоземните растения натрупват силициеви фитолити в своите тъкани. Твърдите включвания в стъблата на зърнените култури служат като защита срещу растителноядни животни и насекоми, забивайки се в храносмилателния им тракт и износвайки зъбния емайл. В гъбите пък бе намерена групата ензими силикатини, които катализират утаяването на силициеви полимери при стайна температура и неутрално pH.
Задържането на силиция в ролята на чисто външен строителен материал показва как еволюцията е тествала наличната суровина, извличайки от нея само онова, което спазва строгите изисквания за разтворимост и обратимост.
Алтернативни генетични кодове и експериментална биология
Дълго време се смяташе, че четворната азотна основа на ДНК – аденин, тимин, гуанин и цитозин – е единствената възможна молекулярна конфигурация за съхранение на генетична информация. Изследванията от последните десетилетия обаче разрушиха този монопол.
През 2019 година екип, воден от Стивън Бенър, публикува в списание Science резултатите от създаването на така наречената хатимоджи ДНК. Тази изкуствена система включва четирите естествени бази и още четири синтетично създадени нуклеотида. Полимерът не просто задържа стабилна двойна спирала, но запазва механичната си плътност и възможността да бъде транскрибиран в съответна РНК молекула. Измерванията показват, че някои от новите синтетични двойки са свързани с повече на брой водородни връзки спрямо традиционните двойки, което гарантира дори по-висока термична стабилност на молекулата.
Това постижение показва, че каноничната генетична азбука не представлява някакъв неотклоним физически закон, а по-скоро едно от малкото успешни траекторни решения на ранен етап от еволюцията. Технологията зад изкуствените нуклеинови киселини отдавна напусна сферата на фундаменталните експерименти. Разширени молекулярни системи се използват активно в диагностиката на инфекциозни заболявания за повишаване на чувствителността на PCR тестове и определяне на специфични вируси, демонстрирайки че алтернативни молекулярни структури могат да изпълняват напълно функционални ензимни и информационни задачи.
