Пылевая плазма намекает на молекулу жизни
Учёные подготавливаются встретить жизнь в недрах Солнца. Учёные планируют найти генетический код в полярных сияниях. Учёные ищут разум в газопылевых дисках. Учёные вот-вот отыщут гены у люминесцентной лампочки. Что это? Сообщите, заголовки «жёлтых» газет?
Ничего аналогичного! В действительности, этими необыкновенными утверждениями смогут не так долго осталось ждать запестреть научные издания. Само собой разумеется, в случае если подтвердится одно недавнее открытие.
Простая плазма — это ионизированный газ, что есть квазинейтральным. В противном случае говоря, плазма является набором «» из ионов и электронов. Их заряд в сумме нейтрален, исходя из этого плазма не заряжена.
Она имеет необыкновенные особенности, взаимодействует с внешними магнитными полями и есть проводящей средой.
Плазму именует четвёртым состоянием вещества — кроме жёсткого, жидкого и газообразного. На первый взгляд, плазма — это что-то редкое и экзотическое, но это неверное представление. По некоторым оценкам, из неё состоит до 99% Вселенной, поскольку она образовывает главную часть галактик, звёзд, межзвёздного газа.
Но некоторых физиков интересует не столько простая плазма, сколько более сложный случай — так называемая пылевая плазма.
Лабораторный снимок пылевой плазмы. Тут от неё исходит голубоватое свечение, а красный луч — это лазер, в котором прекрасно заметны пылевые частицы (фото с сайта mpe.mpg.аккумуляторная).
Пылевая плазма отличается от «легко плазмы» наличием пылинок — маленьких частиц диаметром от 10 до 100 нанометров. В первый раз пылевую плазму в лабораторных условиях в 1920-х годах замечал Ирвинг Лэнгмюр (Irving Langmuir), нобелевский лауреат по химии, что фактически и внес предложение ввести в научный обиход слово «плазма».
Но с того времени плазма с пылью в фактически никого не интересовала. Лишь самую малость она завлекала астрологов, ведькосмическую плазму засоряют самые различные частицы: от звёздной пыли до тех, что входят в состав колец Сатурна.
Снимок кристаллизации настоящей пылевой плазмы. Продемонстрирован участок шириной около 4 сантиметров(фото с сайта mpe.mpg.de).
Тяга к пылевой плазме у учёных опять появилась в середине 1980-х годов в связи с развитием разработок создания микросхем. Одним из ответственных условий разработки в ряде производственных процессов была герметичность — правильнее, полное ограничение доступа пыли к заготовке. Это было связано с тем, что в определённых случаях попадание микрочастиц приводило к порче чипа.
Но оказалось, что при создании микросхем при помощи плазменного травления — способа, применяющего поток плазмы для распыления подложки — от пыли избавиться весьма тяжело. Экспериментаторы винили в этом пыль, попадавшую снаружи в камеру, где происходит травление. В то время, когда же они стали прикладывать больше упрочнений для очистки внешнего помещения, это не особенно помогло.
Продолжительное время никто не имел возможности осознать — в чём дело, пока вовнутрь камеры не направили луч лазера и не заметили, что пыль появляется в следствии самого процесса травления и попадает в плазму. Наряду с этим частицы со временем в ней слипаются, и вместо нанометровых размеров они покупают микрометровые масштабы. А это уже губительно для микроустройств.
С того времени учёные уделяют более внимание пылевой плазме и сгущению пылинок в ней. Данный процесс именуют плазменной кристаллизацией, а сами такие частицы — плазменными кристаллами.
Большая часть опытов по изучению пылевой плазмы проводится в земных лабораторных условиях. Неповторимым исключением есть опыт «Плазменный кристалл» (Das Plasmakristall-Experiment), уже много лет проводящийся на Интернациональной космической станции. Создатель концепции опыта — Грегор Морфилль (Gregor E. Morfill), доктор наук Университета внеземной физики Макса Планка (Max-Planck-Institut fur extraterrestrische Physik).
В большинстве случаев в лаборатории плазменные кристаллы являются группойчастиц, равномерным образом распределённых в пространстве. Но в этом случае Морфилль решил смоделировать поведение этих частиц посредством компьютера. В следствии для того чтобы опыта условия были, конечно, совершенными — безо всяких внешних действий, а также, и без гравитации.
Исследователи группы Морфилля выстроили модель эволюции пылевого облака в плазме. (a), (b) и (c) — последовательно сменяющие друг друга стадии. Чем «краснее» пылинка, тем меньше её скорость, чем «светло синий» — тем больше.
Если доверять данной модели, воспроизводящей совершенные условия, то в стадии (c) пылинки ведут себя как что-то среднее между жидкостью и гексагональной плотноупакованной кристаллической решёткой. Кстати, участники работы предполагают, что в пылевой плазме смогут формироваться такие структуры с поликристаллическим порядком (иллюстрация Tsytovich V. N. et al.).
Каково же было удивление Морфилля и его сотрудников, в то время, когда они заметили, что в следствии компьютерного моделирования случилось не то, что не редкость в настоящих условиях! По результатам их опыта оказалось, что плазменная кристаллизация привела не к происхождению систематично распределённых в пространстве гранул, а к формированию долгих цепочек из пылинок.
Примечательно, что эти цепочки сами собой закручиваются в спирали. К тому же, они стабильны и могут к сотрудничеству между собой. Это довольно-таки необычно и, возможно сообщить, подозрительно, поскольку, как заметили исследователи в статье, размещённой в «Новом издании физики» (New Journal of Physics), такие особенности в большинстве случаев свойственны для организации живой материи. В частности, для ДНК…
Эти компьютерные структуры, как выяснилось, смогут эволюционировать со временем, становясь устойчивее. Помимо этого, спирали при определённых параметрах плазмы смогут притягиваться друг к другу — не обращая внимания на то, что их заряд однообразен. А ещё они способны создавать личные копии.
Процесс создания копии спирали подразумевает существование промежуточного вихря частиц, что появляется рядом с углублением в одной спирали и формирует новое углубление на другой (иллюстрация Tsytovich V. N. et al.).
Ещё занимательнее то, что части спиралей смогут пребывать в двух устойчивых состояниях с различными диаметрами. А так как на одной спирали может помещаться множество отрезков с различными сечениями, то они, разумеется, смогут и передавать так данные.
Само собой разумеется, нужно помнить о том, что такие «ДНК» (их нельзя назвать молекулами, поскольку в их состав входят не атомы, а более большие пылевые частички) не смогут существовать сами по себе без плазмы. Однако, нельзя исключать, что на протяжении предстоящих компьютерных опытов они имели возможность бы эволюционировать в более сложные структуры.
Имеется над чем задуматься. Так как пылевая плазма появляется частенько в природе, и было бы достаточно нежданно найти молекулы, сравнимые с ДНК, скажем, в каком-нибудь экстравагантном звёздном хвосте. Ясно, что компьютерные условия отличаются от естественных. Но однако…
Модель сотрудничества двух спиральных плазменных кристаллов. В этом размещении они вправду сильно напоминают двойную спираль ДНК (иллюстрация Tsytovich V. N. et al.).
Но однако неясно, возможно ли это назвать — хотя бы формально — судьбой? Что думают по этому поводу учёные, не участвовашие в работе Морфилля?
Кристофер Маккей (Christopher McKay), астробиолог из NASA, в этом сомневается. «Кое-какие люди уверены в том, что жизнь — это самоорганизующаяся совокупность, но то же возможно сообщить и об урагане, — сообщил он. — Эти парни сделали кое-что посложнее урагана и говорят, что это живой организм. Да, они говорят, что эти спирали смогут хранить данные, что есть ответственной чёртом судьбы. Но их работа разочаровывает тем, что она чисто теоретическая».
Дэвид Грайер (David Grier), физик из университета Нью-Йорка (New York University), высказался по этому поводу более с опаской и более научно: «Именовать что-то живым либо неживым фактически бессмысленно, потому что не существует строгого математического определения судьбы».
О том, как эти компьютерной модели смогут расходиться с настоящими, возможно делать выводы по этим изображениям. (a) — картина, полученная при воспроизведении размещения частиц в пространстве, (b) — картина, полученная при моделировании в данном изучении. К слову, одним из естественных препятствий для создания верных структур в природной пылевой плазме явлется неравномерность пылевых частиц в отличие от совершенных пылинок, смоделированных компьютером (иллюстрация Tsytovich V. N. et al.).
Похожего мнения придерживается и Сет Шостак (Seth Shostak), старший астролог из университета SETI). «Дело в том, что мы не располагаем хорошим определением судьбы», — так поясняет он обстановку. Но он сказал, что если бы было нужно дать согласие с тем, что эти компьютерные спирали в плазме возможно назвать живыми, то это всецело перевернуло бы представления о жизни.
«Мы постоянно полагали, что жизнь — это планетарный феномен, — сообщил он. — Но если бы жизнь нашлась в тёплых звёздных глубинах либо в мезжвёздном газе, то вышло бы, что мы имеем дело не просто с незнакомой нам формой судьбы, а, наоборот, с самым распространённым во Вселенной её вариантом».
Доктор наук Грегор Морфилль: «В нашей системе пылевая плазма имеется в кольцах планет — таких, как Сатурн либо Уран» (фото DLR/esa.int).
Нужно лишь заявить, что сами авторы изучения не сильно настаивают на том, что перед ними жизнь.
«Эти сложные самоорганизующиеся структуры в плазме имеют все свойства, нужные чтобы квалифицировать их как кандидатов на звание неорганической формы судьбы», — утверждает участник этого изучения Вадим Цытович, учёный из Университета неспециализированной физики.
Cам же Морфилль объявил, что затрудняется назвать это судьбой. «Мы опубликовали эту работу не чтобы заявить, что эти структуры смогут эволюционировать до живых объектов, а вследствие того что захотели инициировать дискуссию… По крайней мере, о том, что же как раз мы в большинстве случаев имеем в виду, в то время, когда говорим о жизни», — согласился учёный.
Кстати, не обращая внимания на это, он вместе с сотрудниками заявил о том, что планирует провести не только виртуальные, но и настоящие лабораторные испытания, в которых постарается воссоздать эти то ли живые, то ли неживые пылевые образования.
Кстати, что имеете в виду вы, в то время, когда произносите это слово — жизнь?
