Теории зарождения жизни во вселенной

Содерж ание I . Введение II . Самозаро ждение III . Панспермия IV. Теория химической эволюции 1. Теория Опарина-Юр и V . Критерии обитаемости планет 1. Температура и давление 2. Атмосфера 3. Растворитель VI . Заключен ие VII . Литерату ра I . Введение Трудно создать хорошую теорию, теория должна быть разумной, а факт ы не всегда таковы. Джордж У. Бидл Физик Филипп Моррисо н заметил, что в случае обнаружения жизни на других планетах она преврат ится из чуда в статистику. Открытие жизни за пределами Земли расширило б ы представления о ее про исхождении. Оно помогло бы нам ответить на целый ряд вопросов, которые нельзя решить другим путем, позволило бы проверить наше убеждение в том, что жизнь должна быть основана именно на химии угле рода. И если бы в основе новых форм жизни, как и предполагается, находился угле род, то это помогло бы выяснить, могут ли генетические системы строи ться из каких-либо иных молекул, чем из вестные нам нуклеиновые кислоты и белки. Это позволило бы также ответить на вечный вопрос, может ли какой-то другой растворитель заменить воду в живой системе. И так далее-по всему д линному списку загадок, связанных с проблемой происхождения жизни. Если бы обнаруженные з а пределами Земли организмы коренным образом отличались от нас по своем у хими ческому составу, то это свидетельствовало бы о том, что жизнь в раз личных частях Солнечной системы зародилась независимо, по крайней мере дважды. Но если бы внеземные организмы оказались в своей основе похожими на нас-со сходными белками и нуклеиновыми кислотами, с той же оптической изомерией и с таким же генетическим кодом,-то мы столкнулись бы с новой пр облемой. В этом случае пришлось бы заключить, что жизнь либо зародилась н е зависимо дважды, либо один раз, но затем живые организмы были перенесен ы с одной планеты на другую. Причем последнее предположение кажется боле е вероятным. Но какими бы ни были в действительности эти открытия, очевид но, что обнаружение внеземных форм жизни представляет огромный интерес с точки зрения фундаментальной биологии. Со времен Аристотеля то лько три естественно-научные теории о происхождении жизни смогли овлад еть умами людей. Это теория самозарождения, панспермия и теория химическ ой эволюции. В историческом и научном планах они составляют важную основ у, на которой строятся поиски жизни в Солнечной системе. Современная тео рия химической эволюции находится еще в стадии развития, и о ней речь пой дет в следующей главе. II . Самозарождение Сущность гипотезы самозарождения заключается в том, что живые предметы непрерывно и самопроизвольно воз никают из неживой материи, скажем из г рязи, росы или гниющего органического вещества. Она же рассматривает слу чаи, когда одна форма жизни трансформируется непо средственно в другую, например зерно превращается в мышь. Эта теория господствовала со времен Аристотеля (384-322 г. до н.э.) и до сере дины XVII в., самозарождение расте ний и животных обычно принималось как реальность. В последующие два стол етия высшие формы жизни были исключены из списка предполагаемых продук тов самозарож дения-он ограничился микроорганизмами. Литература того време ни изобиловала рецептами по лучения червей, мышей, скорпионов, угрей и т.д ., а позднее - микроорганизмов. В б ольшинстве случаев все “рекоменда ции” сводились к цитатам из работ дре внегреческих и араб ских авторов; значительно реже встречались подробн ые опи сания экспериментов. Как говорят историки, науку создали древние греки, а отцом биологии был А ристотель. Действительно, он внес в биологию рациональное начало, свойст венное древнегречес ким мыслителям, сущность которого состояла в том, ч то человек, опираясь на силу своего разума, способен понять явления живо й природы. В своих философских трудах Арис тотель уделил много внимания методам логического до казательства: создал формальную логику, в частно сти ввел понятие силлогизма. Он также занимался наблюдениями явлений пр ироды, в особенности живой. Но в этой области его умозаключения ненадежн ы. И хотя некоторые описания Аристотеля, в частности относящиеся к повед ению живот ных, весьма любопытны, его биологические наблюдения полны ош ибок и неточностей. Многое из того, о чем он писал, основано, вероятно, толь ко на слухах. Например, в своей “Ист ории животных” Аристотель так описывает процесс самозарождения: Вот одно свойство, присуще е как животным, так и рас тениям. Некоторые растения возникают из семян, а другие самозарождаются благодаря образованию некой природной основы, сходной с семенем; при этом одни из них получают питание непосредственно из земли, тогда как другие вырастают внутри других растений, что между пр очим было отмечено мною в трактате по ботанике. Так же и с животными, среди которых одни в соответствии со своей природой происходят от родителей, тогда как другие образуются не от родительского корня, а возникают из гн иющей земли или растительной ткани подобно некоторым насекомым; другие самозарождаются внут ри животных вследствие секреции их собственных о рганов. ... Н о как бы ни самозарождались живые существа - в других ли животных, в почве, в растениях или их частях,-резу льтатом спаривания появившихся таким образом мужских и женских особей всегда является нечто дефектное, непохожее на своих родителей. Например , при спаривании вшей возникают гниды, у мух-личинки, у блох - яйцевидные по форме личинки, и такое пото мство не порождает особей родительского типа или каких-либо других живо тных вообще, а лишь нечто неопи суемое. Аристотель хорошо зна л, что многие насекомые имеют сложный цикл развития и, прежде чем стать вз рослыми, проходят через стадии личинки и куколки. Но хотя в своем описани и генезиса двух видов насекомых он допускает явные ошибки, его суждения строго логичны. Самозарождение не отвечало бы здравому смыслу, его сущес твование было бы сомнительным, если бы возникшие в результате этого про цесса виды могли нормально воспроизводиться. Следова тельно, говорит Ар истотель, эти существа при своем спа ривании производят нечто “неописуе мое”, что и обусловли вает постоянную необходимость самозарождения. На XVI в., эпоху господства религиозных суевер ий, при ходится расцвет классического учения о самозарождении. Его очен ь активно развивал в это время врач и естество испытатель Парацельс (1493-1541) и его последователь Ян Баптист ван Гельмонт (1579-1644). Последний пре дложил “метод производства” мышей из пшеничных зерен, поме щенных в кув шин вместе с грязным бельем, на который многократно ссылались в дальнейш ем. В своей работе, впервые опубликованной в 1558 г. под назва нием “Магия природы”, Джамбатиста делла Порта приводит еще больше сведе ний о самозарождении, кото рыми было столь богато его время. Этот неаполи танский ученый-любитель был основателем и вице-президентом Ака демии де и Линчей - одного из самых первы х в мире научных обществ. Его книга, содержавшая популярное описание не к оторых технических диковин, чудес природы и всяких ро зыгрышей, была пер еведена на несколько языков. Вот от рывки из ее английского издания, опуб ликованного в Лон доне в 1658 г.: В Дариене, расположенном в одной из провинций Нового света, очень нездоровый воздух, место грязное, полное зло вонных болот, более того, сама деревня представляет собой бол ото, где, по описанию Петера Мартира, жабы выводятся из капель жидкости. Кр оме того, они рождаются из гниющих в грязи утиных трупов; есть даже стихи, где утка говорит: “Когда меня гноят в земле, я жаб произвожу на свет. ..” Грек Флорентинус утверждал, что если пожевать базилик, а затем положить его на солнце, то из него появятся змеи. А Плиний при этом добавлял, что есл и базилик потереть и положить под камень, то он превратится в скорпиона, а если пожевать и положить на солнце-то в червяка. Саламандры рождаются из воды; сами они никого не производят, потому что у них, как и у угрей, нет ни мужских, ни женских особей. .. Рыбы под названием ортика, бабочки-нимфалины, мидии, гребешки, морские ул итки, другие брюхоногие моллюски и ракообразные рождаются из грязи, поск ольку они не способны спариваться и по своему образу жизни напоминают ра стения. . Замечено, что разная гр язь производит на свет различных животных: темная грязь порождает устри ц, красноватая-морских улиток, грязь, образовавшаяся из горных пород - голотурий, гусей и т.п. Как показал о пыт, брюхоногие за рождаются в гниющих деревянных загородках, что служа т для лова рыбы, и как только исчезают загородки, пропадают и эти моллюски. Клас сическое учение о самозарождении вместе со многими дру гими освященными веками фантаст ическими представления ми было похоронено в эпоху Возрождения. Его нисп ровер гателем стал Франческо Реди (1626-1697), физик-экспери ментатор, известный поэт и один из первых ученых- биологов современной формации, он был фигурой, типичной для эпохи поздне го Возрождения. Книгу Реди “Опыты по само зарождению насекомых” (1668), которая в основном и созда ла ему на учную репутацию, отличают здоровый скептицизм, тонкая наблюдательност ь, прекрасная манера изложения результатов. Хотя главным объектом его ис следований были насекомые, он изучал также зарождение скорпионов, жаб, л ягушек, пауков и перепелов. Реди не только не подтвердил распространенно е тогда мнение о самозарождении перечис ленных животных, а, напротив, в бо льшинстве случаев про демонстрировал, что на самом деле они рождаются и з оплодотворенных яиц. Таким образом, результаты его тща тельно проведе нных опытов опровергли представления, сформировавшиеся в течение 20 столетий. Книга Реди в течение 20 лет переиздавалась пять раз, и в результате знакомства с ней все более широкого круга образованных люд ей вера в возможность самозарождения животных постепенно исчезла. Одна ко этот вопрос снова возник, хотя уже на другом уровне, примерно в 1675 г., вслед за открытием микроорганизм ов голландцем Антони ван Левенгуком (1632-1723). Это открытие стало возможным благодаря усовершенствованию в XVII в. техники изготов ления линз. Сам Левенгук был одновременно и опытным мастером по изготовлению линз, и исследователем, увле ченно работающим с микроскопом. Ряд важных открыт ий, сделанных Левенгуком в течение его долгой жизни, создали ему известн ость, и он по праву считается одним из осново положников научной микроск опии. Микроорганизмы настол ько малы и, кажется, так просто организованы, что с самого их открытия широ ко распро странилось мнение, будто они представляют собой продукты расп ада, принадлежащие к нечетко обозначенной промежу точной области между живым и неживым. Таким образом, вопрос о самозарождении вновь оказался в центре внимания в знаменитой полемике XVIII в., разгоревшейся между английским священником Дж. Т. Нидхемом (1713-1781) и итальянским натуралистом аббатом Ладзаро Спалланцани (1729-1799). Нидхем утверждал, что если баранью подливку и подобные ей настои с начала нагреть, а затем герметически закрыть в сосуде с небольшим количе ством воздуха, то в течение нескольких дней они обязательно порождают ми кро организмы и разлагаются. Он полагал, что раз нагревание исследуемог о объекта убивает все ранее существовавшие в нем организмы, то, следоват ельно, полученный результат служит доказательством самозарождения. По вторяя экспе рименты Нидхема, Спалланцани показал, что если колбы нагре ть после закупоривания, то в них не возникает никаких организмов и не про исходит гниения, как долго бы они ни хранились. (В одном из своих опытов Сп алланцани герме тично закупорил в стеклянном сосуде зеленый горох с вод ой, после чего в течение 45 мин де ржал его в кипящей воде. Позже, в 1804 г., парижский шеф-повар Франсуа Аппер использовал этот метод для по лучения первых консерви рованных продуктов. Таким образом, консервная п ромыш ленность явилась одним из побочных результатов дискуссии о самоз арождении.) Нидхем заявил в ответ, ч то чрезмерное нагревание разру шило внутри закрытого сосуда содержащи йся в воздухе жизненно важный элемент, без которого самозарождение нево зможно. Методы газового анализа в то время были еще недостаточно развиты , чтобы разрешить этот спор. В дейст вительности оказалось, что результат , полученный Нидхе мом, был следствием скрытой ошибки, обнаружить котору ю не удалось в течение целого столетия. Известнейшие ученые XIX в., включая Жозефа Луи Гей-Люссака, Теодор а Шванна, Германа фон Гельмгольца, Луи Пастера и Джона Тиндаля, были вовле чены в этот спор. Великий французский химик Гей-Люссак поддержал точку з рения Нидхема, обнаружив, что из нагретого в присутствии органического в ещества воздуха кислород исчезает, а его отсутствие, как показали дальне йшие опыты,-необходимое условие консервирования продуктов. Однако реша ющий эксперимент, т. е. экспери мент Реди, но проделанный с микроорганизма ми, остался невыполненным. Вопрос, казалось бы, про ст: будут ли расти в стери лизованном органическом настое микроорганизм ы в при сутствии воздуха, из которого удалены все микробы? Не смотря на ка жущуюся простоту вопроса, существовавшая в то время экспериментальная техника не позволяла дать на него убедительный ответ. Было поставлено мн ожество хитроумных экспериментов, но каждый раз исследователи давали н еточные или лишь отчасти правильные и проти воречивые объяснения наблю даемого. Поскольку проблема самозарождения имела большое общемировозз ренческое и практическое значение, разгорелись бурные дискуссии. Страсти достигли кульмина ции в 1859 г., когда Феликс Пуше (1800-1872), директор Музея естественной и стории в Руане, опубликовал книгу, где вновь сообщалось об экспериментал ьном подтверждении самозарождения. Свое пре дисловие Пуше начал так: “К огда в результате раз;”мыцглешш мне стало ясно, что самозарождение предс тавляет " собой еще один способ, который природа использует для восврош-ведения живых существ, я сосред оточил все внимаййие на тон, чтобы экспериментально продемонстрироват ь со оответству-ющее явление. Тиндаль изобрел метод стерилизации растворов, содержащих споры бактерий, способные выживать в ки пящей воде; этот метод до сих пор известен под названием “тиндализац ия”. Суть его заключается в том, что стери лизуемый раствор несколько раз нагревается в течение ряда дней: непроросшие споры выдерживают нагрева ние, а про росшие гибнут. Таким образом, после нескольких после довательн ых нагревании раствор становится стерильным. Опыты Тиндаля были столь о ригинальными, а его под держка взглядов Пастера столь энергичной, что он по праву разделяет с Пастером славу ниспровергателя учения о са мозарож дении. Исследования Пастера и Т индаля нашли еще одно прак тическое применение. Его предложил их соврем енник хирург Листер (1827-1912), хорошо знакомый с работами этих ученых, Листер высказал мысль, что если бы опера ционное поле на теле больного удалось изолировать от микроор ганизмов, попадающих из воздуха, то это спасло бы жизнь многим оперируемым. В те вре мена в английских больницах смертность при ампутации достигала 25-50% -главным об разом вследствие зараже ния. При операциях в полевых условиях во время военных кампаний дело обс тояло еще хуже. Так, в ходе франко-прусской войны из 13 тыс. ам путаций, проведенных французски ми хирургами, не менее 10 тыс. име ло смертельный исход! Пока сохранялась вера в самозарождение микробов, н е было причин удалять их из раны. Однако после открытия Пастера Листер по нял, что носителей инфекции необходимо уничтожать прежде, чем они попаду т на операционное поле. И Листер добился успеха, применив карболовую кис лоту (фенол) в качестве антибактериального средства. Он стерилизовал инс трумен ты, опрыскивал кабинет и даже пропитывал одежду боль ного раство ром фенола. Принятые меры дали отличные результаты, что привело к рожден ию антисептической хирургии. III . Панспермия Учение о самозарожден ии постепенно умирало на про тяжении столетий, и то, что оно было окончате льно по хоронено Пастером и Тиндалем, вряд ли может удивить современных ученых. Однако не существовало теории, спо собной занять его место. Нетру дно представить, что в XIX в. при чр езвычайно низком уровне знаний о химической ор ганизации живой материи , всякий, кто попытался бы думать о происхождении жизни, был обречен на неу дачу. Как за метил в 1863 г. Дарвин в письме Гукеру, “сущий вздор - рас суждать сейчас о происхождении жизни; с тем же успехом можно было бы расс уждать о происхождении материи”. Дарвин был прав. Слишко м мало было в то время известно о природе жизни и истории Земли, чтобы про дуктивно рассуждать о происхождении жизни. Однако кру шение учения о са мозарождении привело некоторых из вестных ученых к мысли, что жизнь ник огда не возникала, а, как материя или энергия, существовала вечно. Согласн о этому представлению, “зародыши жизни” блуждают в кос мическом простра нстве до тех пор, пока не попадают на подходящую по своим условиям планет у-там они и дают начало биологической эволюции. Эту идею поддерживали Ге рман ван Гельмгольц (1821-1894) и Уилья м Томсон (позднее лорд Кельвин; 1824 1907) -самые знаменитые фи зики XIX в. Гельмгольц, лично ставивший опыты по изу чению самозарождения б актерий, в лекции, прочитанной в 1871 г., говорил: Я не смогу возразить, если кто-нибудь будет считать данную гипотезу в большой или даже очень большо й степени неправдоподобной. Но мне кажется, что в случае, если все наши поп ытки получить живые организмы из неживой материи про валятся, с научной точки зрения правомочно задать вопрос: возникала ли жизнь когда-ниб удь вообще или же ее зародыши переносятся из одного мира в другой и разви ваются повсюду, где есть подходящие условия? Гельмгольц и Томсон б ыли близкими друзьями и, вполне вероятно, не раз обсуждали этот вопрос. Ка к бы там ни было, несколькими месяцами позже Томсон высказал очень похож ую мысль в своем президентском обращении к Бри танской ассоциации разви тия науки: Достаточно точными экспе риментами, проведенными к на стоящему времени, показано, что любой форме жизни всегда предшествует жизнь. Мертвая материя не способна превра тит ься в живую, не испытав предварительно воздействия живой материи. Мне это представляе тся такой же несомненной науч ной истиной, как закон всемирного тяготен ия. Я готов принять в качестве научного постулата, справедливого всегда и повсюду, утверждение, что жизнь порождается только жизнью и ничем, кром е жизни. Но как же тогда произошла жизнь на Земле? Далее он говорил о том, что во Вселенной должно существовать много других миров, несущих жизнь, которые время от времени разрушаются при столкновении с другими космич ескими телами, а их обломки с живыми растениями и животными рассеиваются в пространстве. Следовательно, в высшей с тепени вероятно, что в космосе движется бесчисленное множество метеори тных камней, несу щих семена жизни. Если бы в настоящее время жизни на Зем ле не существовало, то один такой упавший на нее камень мог бы стать так на зываемой естественной причиной возн икновения жизни, в результате чего Земля покрылась бы растительно стью. .. Гипотеза о том, что жизнь на Зем ле произошла бла годаря таким обломкам более древних миров, может показ аться дикой и фантастичной; однако по этому поводу я могу лишь утверждат ь, что она не является ненаучной. Эта идея была тщатель но разработана в 1908 г. шведс ким х имиком Сванте Аррениусом (1859-1927), к оторый на звал свою теорию панспермией. Развивая идеи Гельмгольца и Кел ьвина, он высказал несколько собственных сообра жений, : предположив, что бактериальные споры и в ирусы могут уноситься с планеты, где они существовали, под действием эле ктростатических сил, а затем перемещаться в космическое пространство п од давлением света звезд. На ходясь в космическом пространстве, спора мо жет осесть на частицу пыли; увеличив тем самым свою массу и преодолев дав ление света, она может попасть в окрестности ближайшей звезды и будет за хвачена одной из планет этой звезды. Таким образом, живая материя способ на переноситься с планеты на планету, из одной звездной системы в другую. Как указывал Аррениус, из этой теории, в частности, сле дует, что все живые существа во Вселенной должны быть химически родственны. Теория панспермии опир ается на два утверждения. Первое из них заклю чается в том, что жизнь суще ствовала всегда, т.е. она неразрывно связана с материей. Сейчас мы можем с уве ренностью сказать, что эта мысль ошибочна. Жизнь в отличие от материи и энергии не относится к числу фун даментальных свойств Вселенной; она с корее представляет собой проявление определенных комбинаций молекул, которые не могли существовать вечно, поскольку не всегда существовали д аже элементы, из которых они состоят. Кос мологи считают, что Вселенная пе рвоначально состояла из самого легкого элемента-водорода или из нейтро нов - фун даментальных частиц, и меющих примерно такую же массу, как атом водорода. Все элементы тяжелее в одорода об разовались (и образуются в звездах до сих пор) из водорода в ре акциях ядерного синтеза. Эти реакции служат главным источником звездно й энергии. Хотя за время существования наблюдаемой Вселенной (по оценкам 10-15 млрд. лет) часть водорода была израсходована, он до сих пор остается наиболее распространенным элемен том. Около 90% атомов наблюдаемой Вселенной (что составляет около 60% ее мас сы) приходится на водород, остальная часть это в основном ге лий, элемент, следующий по массе за водородом. Но поскольку кроме водород а для организации живой материи необходимы и другие элементы, жизнь не м ожет быть “ровесницей” Вселенной - она должна была возникнуть го раздо позднее. Второе утверждение теории панспермии, согласно ко торому споры могут и должны переноситься через кос мическое пространство, в наши дни предста вляется гораздо менее правдоподобным, чем это казалось Аррениусу. Сов м естное воздействие ультрафиолетового и рентгеновского излучений, а та кже космических лучей, которым организмы неизбежно должны подвергатьс я в космосе, намного опаснее, а межзвездные расстояния и, следовательно, в ремя, необ ходимое для перемещения, значительно больше, чем пред полагал Аррениус. Но сейчас мы располагаем также эм пирическими данными, свидет ельствующими о том, что споры, которые бы могли засеивать Вселенную, не сп особны ни покидать Землю, ни проникать в ее окрестности. В образцах грунт а, доставленных с Луны американскими астронавтами во время полетов кора блей “Аполлон”, не обнаружено микроорганизмов, хотя предполагалось, что Луна может “улавливать” значительное число частиц, по кидающих Землю ил и попадающих в ее окрестности из других областей космического простран ства. Биологические анализы образцов лунного грунта не выявили никаких ор ганизмов, способных выжить в долгих космических путе шествиях, и до си х пор все подобные исследования дают лишь отрицательные результаты. За в ремя существования Солнечной системы (около 4,5 млрд. лет) споры-если они существуют-должны были попасть и на Марс. Несмотря на факты, свидетельствующие против теории панспермии, она прод олжает жить. В последние годы известный американский астрофизик и писат ель-фантаст Фред Хойл вместе со своим сотрудником Чандром Вик-рамасингх ом пришли к невероятному заключению, что не менее 80% частиц межзвездной пыли состоят из клет ок бактерий и морских водорослей. Их предположение осно вано на изучени и оптических свойств частиц межзвездной пыли. Согласно оценкам, ее масса в нашей Галактике при мерно в 5 млн. раз превосходит массу Солнца. С этой точки зрения Земля почти безжиз ненна по сравнению с межзвезд ным пространством. Вслед за Аррениусом Хо йл и Викра-масингх называют эти клетки межпланетными “прыгунами”. Но есл и такие “прыгуны” действительно существовали, то они, наверное, давно бы добрались и до Луны, и до Марса. Совсем недавно некоторые ученые предложили обновлен ный вариант теори и панспермии. Согласно ему, жизнь на Землю опять-таки занесена из космиче ского пространства, но не случайно, как предполагает классическая теори я панспермии, а “доставлена” на межзвездном космическом корабле, отправ ленном разумными существами с какой-то обитаемой планеты, принадлежаще й другой звездной систе ме. Эта теория предполагает, что жизнь не существ овала вечно, как считали Гельмгольц. Кельвин и Аррениус, а зародилась в ре зультате сложной цепи химических превра щений (мы расскажем об этом в гл. 3). На примитивной Земле не было п одходящих условий для зарождения жизни; поэтому жизнь, существующая нын е на нашей планете, изначально возникла где-то в другом месте Галактики, г де условия были благоприятными. Наиболее детально эта ги потеза, получи вшая название направленной панспермии, бы ла разработана Фрэнсисом Кри ком и Лесли Оргелом. Крик и Оргел доказывают, что с момента образования Вс еленной прошло достаточно времени, чтобы в Галактике могла сформироват ься технически развитая цивилизация, которая по неведомым нам причинам около 4 млрд. лет назад сознател ьно заселила Землю микроорганизмами, доставлен ными автоматическим ко смическим аппаратом. Теория направленной па нспермии входит составной частью в развернувшуюся ныне широкую дискус сию о воз можности существования в нашей Галактике внеземных цивилизац ий. На теоретические исследования этого вопроса, как и на реальные поиск и радиосигналов от иных циви лизаций, направлены все возрастающие усили я многих ис следователей. Но хотя в этой проблеме остается еще много неяс ного, в последние годы наблюдается заметный отход от упрощенного предст авления, бытовавшего на заре косми ческой эры, согласно которому Галакт ика просто “кишит” технологически развитыми обществами, которые сущес тву ют на планетах земного типа в иных звездных мирах. Как теоретические доводы, так и результаты последних иссле дований Солнечной системы пока зали, что пригодные для жизни планеты, видимо, достаточно редки. Другие со обра жения приводят к выводу, что любая цивилизация, обретя способность к межзвездным полетам, должна быстро (в масштабе геологического времени ) распространяться по всей Галактике. IV . Теория химической эволюц ии Теория химической эвол юции - современная теория про и схождения жизни-также опирается на идею самозарожде ния. В основе ее леж ит не внезапное возникновение живых существ на Земле, а образование хи миче ских соединений и систем, которые составляют живую материю. Она рассматр ивает химию древнейшей Земли, прежде всего химические реакции, протекав шие в прими тивной атмосфере и в поверхностном слое воды, где, по всей вер оятности, концентрировались легкие элементы, составля ющие основу живо й материи, и поглощалось огромное количество солнечной энергии. Эта теор ия пытается от ветить на вопрос: каким образом в ту далекую эпоху могли са мопроизвольно возникнуть и сформироваться в живую систему органически е соединения? 1. Теория Опарина-Юри Общий подход к химической эволюции первым сфор мулировал сове тский биохимик А. И. Опарин (1894-1980). В 1924 г. в СССР была опубликована ег о небольшая книга, посвященная этому вопросу; в 1 936 г. вышло в свет ее новое, дополненное издание (в 1938 г. она была переведена на английский язык). Опарин обратил внимание на то, что современные условия на поверхно сти Земли препятствуют синтезу большого количества органических соеди нений, по скольку свободный кислород, имеющийся в избытке в ат мосфере, о кисляет углеродные соединения до диоксида угле рода (углекислого газа, СОд). Кроме того, он отмечал, что в наше время любое органическое вещество, “брошенное на произвол” на земле, используется живыми организмами (подо бную мысль высказывал еще Чарлз Дарвин). Однако, утверждал Опарин, на перв ичной Земле господствовали иные условия. Можно полагать, что в земной ат мосфере того времени отсутствовал кислород, но в изобилии имелись водор од и газы, содержащие водород, такие, как метан (СН4) и аммиак (МНз). (Подобную а тмосферу, богатую водородом и бедную кислородом, называют восстанови те льной в отличие от современной, окислительной, атмос феры, богатой кисло родом и бедной водородом.) По мне нию Опарина, такие условия создавали пре красные воз можности для самопроизвольного синтеза органических сое д инений. Обосновывая свою идею о в осстановительном характере примитивной атмосферы Земли, Опарин выдвиг ал следую щие аргументы. 1. Водород в изобилии присутствует в звездах (рис. 6 и фото 1). 2. Углерод обнаруживается в спектрах комет и холодных звезд в составе ради калов СН и CN, а окисленный углер од проявляется редко. 3. Углеводороды, т.е. соединения у глерода и водорода, встречаются в метеоритах. 4. Атмосферы Юпитера и Сатурна чрезвычайно богаты метаном и аммиако м. Как указывал Опарин, эти четыре пункта свидетельству ют о том, что Вселен ная в целом находится в восстано вительном состоянии. Следовательно, на первобытной Земле углерод и азот должны были находиться в таком же со ст оянии. 5. В вулканических газах содержится аммиак. Это, считал Опарин, говор ит о том, что азот присутствовал в первичной атмосфере в виде аммиака. 6. Кислород, содержащийся в совр еменной атмосфере, вырабатывается зелеными растениями в процессе фото син теза, и, следовательно, по своему происхождению это био логический пр одукт. На основании этих рассуждений Опарин пришел к заклю чению, что углерод н а примитивной Земле впервые появился в виде углеводородов, а азот-в виде аммиака. Далее он высказал предположение, что в ходе известных ныне хи ми ческих реакций на поверхности безжизненной Земли воз никали сложные ор ганические соединения, которые по про шествии довольно продолжительно го периода времени, по-видимому, и дали начало первым живым существам. Пер вые организмы, вероятно, представляли собой очень простые системы, спосо бные лишь к репликации (делению) за счет органической среды, из которой он и образовались. Выражаясь современным языком, они были “гетеротрофами”, т. е. зависели от окружающей среды, которая снабжала их органическим пита нием. На противоположном конце этой шкалы находятся “автотрофы”-наприм ер, такие орга низмы, как зеленые растения, которые сами синтезируют все н еобходимые органические вещества из диоксида углерода, неорганическог о азота и воды. Согласно теории Опарина, автотрофы появились только посл е того, как гетеротрофы истощили запас органических соединений в примит ивном океане. Дж. Б. С. Холдейн (1892-1964) выдвинул иде ю, в неко тором отношении сходную со взглядами Опарина, которая была изло жена в популярном очерке, опубликованном в 1929 г. Он предположил, что органическое вещество, син тезиро ванное в ходе естественных химических процессов, протекавших на предби ологической Земле, накапливалось в океане, который в конце концов достиг консистенции “го рячего разбавленного бульона”. По мнению Холдейна, пр и митивная атмосфера Земли была анаэробной (свободной от кислорода), одн ако он не утверждал, что для осуществления синтеза органических соедине ний требовались восстанови тельные условия. Таким образом, он допускал, что углерод мог присутствовать в атмосфере в полностью окисленной форм е, т. е. в виде диоксида, а не в составе метана или других углеводородов. При этом Холдейн ссылался на результаты экспериментов (не собственных), в ко торых доказывалась возможность образования сложных органических соед ине ний из смеси диоксида углерода, аммиака и воды под действием ультраф иолетового излучения. Однако в даль нейшем все попытки повторить эти эк сперименты оказались безуспешными. В 1952 г. Гарольд Юри (1893-1981), занимаясь не собст венно проблемами происхождения жизни, а эволюцией Сол нечной системы, самостоятельно пришел к выводу, чт о атмосфера молодой Земли имела восстановленный характер. Подход Опари на был качественным. Проблема, которую исследовал Юри, была по своему хар актеру физико-хими ческой: используя в качестве отправной точки данные о составе первичного облака космической пыли и граничные условия, опред еляемые известными физическими и хими ческими свойствами Луны и планет , он ставил целью раз работать термодинамически приемлемую историю всей Солнечной системы в целом. Юри, в частности, показал, что к завершению про цесса формирования Земля имела сильно восстановленную атмосферу, так к ак ее основными состав ляющими были водород и полностью восстановленны е фор мы углерода, азота и кислорода: метан, аммиак и пары воды. Гравитацио нное поле Земли не могло удержать легкий водород-и он постепенно улетучи лся в космическое про странство. Вторичным следствием потери свободног о во дорода было постепенное окисление метана до диоксида углерода, а ам миака-до газообразного азота, которые через определенное время преврат или атмосферу из восстанови тельной в окислительную. Юри предполагал, ч то именно в период улетучивания водорода, когда атмосфера находилась в п ромежуточном окислительно-восстановительном состоя нии, на Земле могл о образоваться в больших количествах сложное органическое вещество. По его оценкам, океан, по-видимому, представлял тогда собой однопроцентный раствор органических соединений. В результате возникла жизнь в ее самой примитивной форме. Считается, что Солнечна я система образовалась из про-тосолнечной туманности-огромного облака газа и пыли. Возраст Земли, как установлено на основе ряда независимых оц енок, близок к 4,5 млрд. лет. Чтобы в ыяснить состав первичной туманности, разумнее всего исследовать относ и тельное содержание различных химических элементов в со временной Сол нечной системе. В табл. 3 предста влены дан ные о девяти наиболее распространенных элементах (на долю кот орых приходится 99,9% всей массы С олнечной системы), полученные с помощью спектроскопических иссле дован ий Солнца; относительное содержание некоторых дру гих элементов опреде лено путем химического анализа ме теоритного вещества. Как видно из таб лицы, основные элементы-водород и гелий-вместе составляют свыше 98% массы Солнца (99,9% его атомного состава) и фактически Солн ечной системы в целом. Поскольку Солнце-обычная звезда и к этому типу отн осится множество звезд в других галактиках, его состав в общем характери зует распростра ненность элементов в космическом пространстве. Соврем ен ные представления об эволюции звезд позволяют предпо ложить, что вод ород и гелий преобладали и в “молодом” Солнце, каковым оно было 4,5 млрд. лет назад. В табл. 3 приведены также данные об элементном со ставе Земли. Хотя четыре основных элемента Земли относятся к числу девят и наиболее распространенных на Солнце, по своему составу наша планета су щественно отличается от космического пространства в целом. (То же самое можно сказать о Меркурии, Венере и Марсе; однако Юпитер, Сатурн, Уран и Неп тун в этот список не попадают.) Земля состоит главным образом из железа, ки слорода, кремния и магния. Очевиден дефицит всех биологически важных лег ких элементов (за исключением кислорода) и поразительна согласно теории Опарина-Юри, необходимы для начала химической эволюции. Учитывая дефици т легких элементов и особенно благородных газов, разумно предположить, ч то изначально Земля сформировалась вообще без атмосферы. За исключение м гелия, все благородные газы-неон, аргон, криптон и ксенон - обладают достаточной удельной массой, ч тобы их могло удержать земное тяготение. Криптон и ксенон, например, тяже лее железа. Поскольку эти элементы образуют очень мало соединений, они, п о всей видимости, существовали в примитивной атмосфере Земли в виде газо в и не могли улетучиться, когда планета достигла наконец своих нынешних размеров. Но поскольку на Земле их со держится в миллионы раз меньше, чем на Солнце, естест венно допустить, что наша планета никогда не имела ат м осферы, по составу близкой солнечной. Земля образовалась из твердых мате риалов, которые содержали лишь небольшое количество поглощенного или а дсорбированного газа, так что никакой атмосферы сначала не было. Элемент ы, вхо дящие в состав современной атмосферы, по-видимому, поя вились на пе рвобытной Земле в виде твердых химических соединений; впоследствии под действием тепла, возникаю щего при радиоактивном распаде или выделении грави тационной энергии, сопровождающем аккрецию Земли, эти соединения разлагались с образованием газов. В процессе вулканической деятельнос ти эти газы вырывались из земных недр, образуя примитивную атмосферу. Высокое содержание в сов ременной атмосфере аргона (около 1%) не противоречит предположению, что благо родные газы первоначал ьно отсутствовали в атмосфере. Изотоп аргона, распространенный в космич еском простран стве, имеет атомную массу 36, тогда как атомная масса аргона, образовавшегося в земной ко ре при радиоактивном распаде калия, равна 40. Аномально высокое содержание на Земле кислорода (по сравне нию с другими легкими эле ментами) объясняется тем, что этот элемент спос обен сое диняться с множеством других элементов, образуя такие очень ст абильные твердые соединения, как силикаты и кар бонаты, которые входят в состав горных пород. Предположения Юри о восстановительном характере первобытной атмосфер ы основывались на высоком содер жании на Земле железа (35% общей массы). Он считал, что железо, из кот орого ныне состоит ядро Земли, первона чально было распределено более и ли менее равномерно по всему ее объему. При разогреве Земли железо распл авилось и собралось в ее центре. О днако, прежде чем это произошло, железо, содержащееся в том слое планеты, к оторый сейчас называется верхней мантией Земли, взаимодействовало с во дой (она присутствовала на примитивной Земле в виде гидратированных мин ералов, похожих на те, что обнару жены в некоторых метеоритах); в результа те в первобытную атмосферу выделились огромные количества водорода. Исследования, осуществ ляемые с начала 1950-х годов, поставили под вопрос ряд положений описанного сценария. Некоторые планетологи высказывают сомнения насчет того, что ж елезо, сосредоточенное сейчас в земной коре, могло когда-либо равномерно распределяться по всему объему планеты. Они склоняются к мнению, что акк реция проис ходила неравномерно и железо конденсировалось из ту маннос ти раньше других элементов, образующих ныне ман тию и кору Земли. При нера вномерной аккреции содержание свободного водорода в примитивной атмос фере должно было оказаться ниже, чем в случае равномерного процесса. Дру гие ученые отдают предпочтение аккреции, но проте кающей таким путем, ко торый не должен приводить к образованию восстановительной атмосферы. К ороче говоря, в последние годы были проанализированы различные мо дели образования Земли, из которых одни в большей, другие в меньшей степени со гласуются с представлениями о вос становительном характере ранней атм осферы. Попытки восстановить события, происходившие на заре формирования Солн ечной системы, неизбежно связаны со множеством неопределенностей. Пром ежуток времени меж ду возникновением Земли и образованием древнейших п о род, поддающихся геологической датировке, в течение ко торого протека ли химические реакции, приведшие к появ лению жизни, составляет 700 млн. лет. Лабораторные опыты показал и, что для синтеза компонентов генетической сис темы необходима среда в осстановительного характера; поэ тому можно сказать, что раз жизнь на Зе мле возникла, то это может означать следующее: либо примитивная атмосфер а имела восстановительный характер, либо органические сое динения, необ ходимые для зарождения жизни, откуда-то принесены на Землю. Поскольку да же сегодня метеориты приносят на Землю разнообразные органические вещ ества, последняя возможность не выглядит абсолютно фантасти ческой. Одн ако метеориты, по-видимому, содержат далеко не все вещества, необходимые для построения генетической системы. Хотя вещества метеоритного проис хождения, вероятно, внесли существенный вклад в общий фонд органи чески х соединений на примитивной Земле, в настоящее время кажется наиболее пр авдоподобным, что условия на самой Земле имели восстановительный харак тер в такой степени, что стало возможным образование органического веще ства, приведшее к возникновению жизни. V . Критерии обитаемости планет 1.Температура и давлени е Если предположение о том, что жизнь должна быть основан а на химии углерода, правильно, то можно точно установить предельные усл овия для любой среды, способной поддерживать жизнь. Прежде всего темпера тура не должна превышать предела стабильности органических молекул. Оп ределить предельную температуру нелегко, но не требуется точных цифр. По скольку температурные эффекты и величина давления взаимозависимы, их с ледует рассматривать в совокупности. Приняв давление равным примерно 1 атм (как на поверхности Земли), м ожно оценить верхний температурный предел жизни, учитывая, что многие не большие молекулы, из которых построена генетическая система, например а минокислоты, быстро разрушаются при температуре 200-300°С. Исходя из этого, мо жно заключить, что области с температурой выше 250°С необитаемы. (Из этого, о днако, не следует, что жизнь определяется только аминокислотами; мы выбр али их лишь в качестве типичных представителей малых органических моле кул.) Реальный температурный предел жизни почти наверняка должен быть ни же указанного, поскольку большие молекулы со сложной трехмерной структ урой, в частности белки, построенные из аминокислот, как правило, более чу вствительны к нагрева нию, чем небольшие молекулы. Для жизни на поверхно сти Земли верхний температурный предел близок к 100°С, и некоторые виды бак терий при этих условиях могут выживать в горячих источниках. Однако пода вляющее большинство организмов при такой температуре гибнет. Может показаться странн ым, что верхний температурный предел жизни близок к точке кипения воды. Н е обусловлено ли это совпадение именно тем обстоятельством, что жидкая в ода не может существовать при температуре выше точки своего кипения (100°С на земной поверхности), а не какими-то особыми свойствами самой живой мат ерии? Много лет назад Томас Д. Брок, специалист по термо фильным бактериям, выск азал предположение, что жизнь может быть обнаружена везде, где существуе т жидкая вода, независимо от ее температуры. Чтобы поднять точку кипе ния воды, нужно увеличить давление, как это происходит, например, в герметиче ской кастрюле-скороварке. Усиленный подогрев заставляет воду кипеть бы стрее, не меняя ее темпе ратуры. Естественные условия, в которых жидкая во да су ществует при температуре выше ее обычной точки кипения, обнаружен ы в районах подводной геотермальной активнос ти, где перегретая вода из ливается из земных недр под совместным действием атмосферного давлени я и давления слоя океанской воды. В 1982 г. К. О. Стеттер обнаружил на глубине до 10 м в зоне геотермальной активности бактерии, для которых оптимальная температура развития составляла 105°С. Так как давление под в одой на глубине 10 м равняется 1 атм, общее давление на этой глу бине достигало 2 атм. Температу ра кипения воды при таком давлении равна 121°С. Действительно, измерения показали, что температура воды в этом месте сос тавляла 103°С. Следовательно, жизнь возмож на и при температурах выше норм альной точки кипения воды. Очевидно, бактерии, спо собные существовать при темпе ратурах около 100°С, обладают “секретом”, ко торого лише ны обычные организмы. Поскольку эти термофильные фор мы при низких температурах растут плохо либо вообще не растут, справедливо счи тать, что и у обычных бактерий есть собственный “секрет”. Ключевым свойс твом, определяю щим возможность выживания при высоких температурах, явл яется способность производить термостабильные клеточ ные компоненты, особенно белки, нуклеиновые кислоты и клеточные мембраны. У белков обычн ых организмов при температурах около 60°С происходят быстрые и необрати мые изменения структуры, или денатурация. В качестве примера можно приве сти свертывание при варке альбумина куриного яйца (яичного “белка”). Бел ки бактерий, обита ющих в горячих источниках, не испытывают таких измене ний до температуры 90°С. Нуклеиновые кислоты также подвержены тепловой д енатурации. Молекула ДНК при этом разделяется на две составляющие ее нит и. Обычно это происходит в интервале температур 85-100°С в зависимости от соо тношения нуклеотидов в молекуле ДНК. При денатурации разрушается трехмерная структура бел ков (уникальная д ля каждого белка), которая необходима для выполнения таких его функций, к ак катализ. Эта струк тура поддерживается целым набором слабых химическ их связей, в результате действия которых линейная последова тельность а минокислот, формирующая первичную структу ру белковой молекулы, уклады вается в особую, характерную для данного белка конформацию. Поддерживаю щие трех мерную структуру связи образуются между аминокислота ми, расп оложенными в различных частях белковой молеку лы. Мутации гена, в которо м заложена информация о последовательности аминокислот, характерной д ля опреде ленного белка, могут привести к изменению в составе амино кисл от, что в свою очередь часто сказывается на его термо стабильности. Это яв ление открывает возможности для эволюции термостабильных белков. Стру ктура молекул, обеспе чивающая термостабильность нуклеиновых кислот и клеточ ных мембран бактерий, обитающих в горячих источниках, по-видимом у, также генетически обусловлена. Поскольку повышение давления препятствует кипению воды при нормальной точке кипения, оно может предотвра тить и некоторые повреждения биолог ических молекул, свя занные с воздействиями высокой температуры. Наприм ер, давление в несколько сотен атмосфер подавляет тепловую денатурацию белков. Это объясняется тем, что денатурация вызывает раскручивание спи ральной структуры белковой молекулы, сопровождающееся увеличением объ ема. Препят ствуя увеличению объема, давление предотвращает денату рац ию. При гораздо более высоких величинах давления, 5000 атм и более, оно само становится причино й денатурации. Механизм этого явления, которое предполагает компрес сио нное разрушение белковой молекулы, пока не ясен. Воз действие очень высо кого давления приводит также к повы шению термостабильности малых моле кул, поскольку высо кое давление препятствует увеличению объема, обусло влен ному в этом случае разрывами химических связей. Напри мер, при атмос ферном давлении мочевина быстро разруша ется при температуре 1 30°С, но стабильна, по крайней мере в теч ение часа, при 200°С и давлении 29 ты с. атм. Молекулы, находящиеся в раст воре, ведут себя совершен но иначе. Взаимодействуя с растворителем, они ч асто распа даются при высокой температуре. Общее название таких реакций - сольватация; если растворите лем служит вода, то реакция называется гидролизом. Гидролиз-это основной п роцесс, вследствие которого в природе разрушаются белки, нуклеиновые ки слоты и многие другие сложные биологические молекулы. Гидролиз проис хо дит, например, в процессе пищеварения у животных, но он осуществляется и в не живых систем, самопроизвольно, осо бенно при высоких температурах. Эл ектрические поля, воз никающие при сольволитических реакциях, приводят к уменьшению объема раствора путем электрострикции, т.е. связывания сосе дних молекул растворителя. Поэтому сле дует ожидать, что высокое давлен ие должно ускорять про цесс сольволиза, и опыты подтверждают это. Поскольку мы полагаем, чт о жизненно важные процессы могут протекать только в растворах, отсюда сл едует, что высокое давление не может поднять верхний температурный пред ел жизни, по крайней мере в таких полярных раствори телях, как вода и амми ак. Температура около 100°С-вероят но, закономерный предел. Как мы увидим, эт о исключает из рассмотрения в качестве возможных мест обитания многие п ланеты Солнечной системы. 2. Атмосфера Следующее условие, необходимое для обитаемости пла нет ы,-наличие атмосферы. Достаточно простые соединения легких элементов, ко торые, по нашим предположениям, составляют основы живой материи, как пра вило, летучи, т. е. в широком интервале температур находятся в газообразно м состоянии. По-видимому, такие соединения обязательно вы рабатываются в процессах обмена веществ у живых организ мов, а также при тепловых и фот охимических воздействиях на мертвые организмы, которые сопровождаются выделе нием газов в атмосферу. Эти газы, наиболее простыми примерами кот орых на Земле являются диоксид углерода (углекислый газ), пары воды и кисл ород, в конце концов включаются в кругооборот веществ, который происходи т в живой природе. Если бы земное тяготение не могло их удерживать, то они улетучились бы в космическое простран ство, наша планета со временем ис черпала свои “запасы” легких элементов и жизнь на ней прекратилась бы. Т аким образом, если бы на каком-то космическом теле, гравита ционное поле к оторого недостаточно сильно, чтобы удержи вать атмосферу, возникла жизн ь, она не могла бы долго существовать. Высказывалось предполож ение, что жизнь может сущест вовать под поверхностью таких небесных тел, как Луна, которые имеют либо очень разреженную атмосферу, либо вообще ли шены ее. Подобное предположение строится на том, что газы могут быть захв ачены подповерхностным слоем, который и становится естественной средо й обитания живых организмов. Но поскольку любая среда обитания, возникша я под поверхностью планеты, лишена основного биологически важного исто чника энергии-Солнца, такое предположение лишь подменяет одну проблему другой. Жизнь нуждается в постоянном притоке как вещества, так и энергии, но если вещество участвует в кругообороте (этим обусловлена необходимо сть атмосферы), то энергия, соглас но фундаментальным законам термодина мики, ведет себя иначе. Биосфера способна функционировать, покуда снабжа ется энергией, хотя различные ее источники не равноценны. Например, Солн ечная система очень богата тепловой энер гией-тепло вырабатывается в не драх многих планет, вклю чая Землю. Однако мы не знаем организмов, которые были бы способны использовать его как источник энергии для своих жизнен ных процессов. Чтобы использовать теплоту в качестве источника энергии, организм, вероятно, должен функционировать подобно тепловой машине, т. е. переносить теплоту из области высокой температуры (например, от цилиндр а бензинового двигателя) в область низкой темпера туры (к радиатору). При таком процессе часть перенесенной теплоты переходит в работу. Но чтобы к . п. д. таких тепло вых машин был достаточно высоким, требуется высокая тем пература “нагревателя”, а это немедленно создает огром ные трудности дл я живых систем, так как порождает мно жество дополнительных проблем. Ни одной из этих проблем не создает солнечный свет. Солнце-постоянный, фа ктически неисчерпаемый источник энергии, которая легко используется в химических процессах при любой температуре. Жизнь на нашей планете цели ком зависит от солнечной энергии, поэтому естественно предпо ложить, чт о нигде в другом месте Солнечной системы жизнь не могла бы развиваться б ез прямого или косвенного потреб ления энергии этого вида. Не меняет существа дела и тот факт, что некоторые бактерии способны жить в темноте, используя для питания только неорганические вещества, а как е динственный источ ник углерода-его диоксид. Такие организмы, называемые хемолитоавтотрофами (что в буквальном переводе значит: питающие себя неорганическими химическими веществами), получают энерг ию, необходимую для превращения диоксида углерода в органические вещес тва за счет окисления водоро да, серы или других неорганических веществ. Но эти источ ники энергии в отличие от Солнца истощаются и после использ ования не могут восстанавливаться без участия сол нечной энергии. Так, в одород, важный источник энергии для некоторых хемолитоавтотрофов, обра зуется в анаэробных условиях (например, в болотах, на дне озер или в желудо ч-но-кишечном тракте животных) путем разложения под действием бактерий р астительного материала, который сам, конечно, образуется в процессе фото синтеза. Хемолитоав-тотрофы используют этот водород для получения из ди окси да углерода метана и веществ, необходимых для жизне деятельности к летки. Метан поступает в атмосферу, где разлагается под действием солнеч ного света с образованием водорода и других продуктов. В атмосфере Земли водород содержится в концентрации 0,5 на миллион частей; почти весь он образовался из метана, выделяемог о бактериями. Водород и метан выбрасываются в атмосферу также при изверж ениях вулканов, но в несравненно меньшем количест ве. Другой существенн ый источник атмосферного водоро да-верхние слои атмосферы, где под дейс твием солнечного УФ-излучения пары воды разлагаются с высвобождением а томов водорода, которые улетучиваются в космическое пространство. Многочисленным популяцим различных животных-рыб, морских моллюсков, ми дий, гигантских червей и т. д., кото рые, как было установлено, и обитают вбл изи горячих источников, обнаруженных на глубине 2500 м в Тихом океа не, иногда приписывают сп особность существовать незави симо от солнечной энергии. Известно неск олько таких зон: одна рядом с Галапагосским архипелагом, другая-на рас стоянии примерно 21° к северо-западу, у берегов Мек си ки. В глубине океана запасы пищи заведомо скудны, и открытие в 1977 г. первой такой популяции немедленн о поставило вопрос об источнике их питания. Одна возмож ность, по-видимом у, заключается в использовании органи ческого вещества, скапливающегос я на дне океана,-отбро сов, образовавшихся в результате биологической ак тивности в поверхностном слое; они переносятся в районы геотер-мальной а ктивности горизонтальными течениями, возника ющими вследствие вертик альных выбросов горячей воды. Движение вверх перегретой воды и вызывает образование придонных горизонтальных холодных течений, направлен ных к месту выброса. Предполагается, что таким путем здесь и скапливаются ор ганические останки. Другой источник питате льных веществ стал известен после того, как выяснилось, что в воде термал ьных источников содержится сероводород (H^S). He исключено, что хемо-литоавтотрофные бактерии находятс я у начала цепи пита ния. Как показали дальнейшие исследования, хемолито ав-тотрофы действительно являются главным источником орга нического в ещества в экосистеме термальных источников. Поскольку “топливом” д ля этих глубоководных сооб ществ служит образовавшийся в глубинах Земл и сероводо род, их обычно рассматривают как живые системы, способ ные обх одиться без солнечной энергии. Однако это не совсем верно, так как кислор од, используемый ими для окисления “топлива”, является продуктом фотохи мических превраще ний. На Земле имеются только два значительных источни ка свободного кислорода, и оба они связаны с активностью Солнца. Океан играет важную роль в жизни глубоководной экосистемы, поскольку он создает окружающую сред у для организмов из термальных источ ников, без которой они не могли бы су ществовать. Океан обеспечивает их не только кислородом, но и всеми нужны ми питательными веществами, за исключением сероводорода. Он удаляет отх оды. И он же позволяет этим организмам переселяться в новые районы, что не обходимо для их выжи вания, поскольку источники недолговечны - согласно оцен кам, время их жизни не прев ышает 10 лет. Расстояние между от дельными термальными источниками в одном районе океана составляет 5-10 км. 3. Растворитель В настоящее время принято считать, что необходимым условием жизни являе тся также наличие растворителя того или иного типа. Многие химические ре акции, протекающие в живых системах, без растворителя были бы невозможны . На Земле таким биологическим растворителем служит вода. Она представля ет собой главную составляющую живых клеток и одно из самых распростране нных на земной поверх ности соединений. Ввиду того что образующие воду х ими ческие элементы широко распространены в космическом пространстве, вода, несомненно,-одно из наиболее часто встречающихся соединений во Все ленной. Но, несмотря на такое изобилие воды повсюду. Земля - единственная планета в Солнечной систе ме, имеющая на своей поверхности океан; это важный факт, к которому мы вернемся позже. Вода обладает рядом осо бых и неожиданных свойств, благодаря которым она может служить биологич еским растворителем-естественной средой обитания живых орга низмов. Эт ими свойствами определяется ее главная роль в стабилизации температур ы Земли. К числу таких свойств относятся: высокие температуры плавления ( таяния) и кипе ния; высокая теплоемкость; широкий диапазон температур, в п ределах которого вода остается в жидком состоянии; боль шая диэлектриче ская постоянная (что очень важно для раст ворителя); способность расширя ться вблизи точки замерза ния. Всестороннее развитие эти вопросы получи ли, в част ности, в трудах Л.Дж. Гендерсона (1878-1942), профессора химии Гарвардского университета. Современные исследования показали, что столь необыч ные свойства воды о бусловлены способностью ее молекул образовывать водородные связи межд у собой и с другими молекулами, содержащими атомы кислорода или азота. В д ействительности жидкая вода состоит из агрегатов, в кото рых отдельные молекулы соединены вместе водородными связями. По этой причине при обсу ждении вопроса о том, какие неводные растворители могли бы использовать ся жи выми системами в других мирах, особое внимание уделяется аммиаку (М Нз), который также образует водородные связи и по многим свойствам сходе н с водой. Называются и другие вещества, способные к образованию водород ных связей, в частности фтористоводородная кислота (HF) и цианистый водород (HCN). Однако последние два соединения-мало ве роятные кандидаты на эту роль. Фтор относится к редким элементам: на один атом фт ора в наблюдаемой Вселенной приходится 10000 атомов кислорода, так что трудно пред ставить на любой план ете условия, которые благоприятство вали бы образованию океана, состоящ его из HF, а не из НдО. Что касаетс я цианистого водорода (HCN), соста вля ющие его элементы в космическом пространстве встречают ся в изобил ии, но это соединение термодинамически недоста точно устойчиво. Поэтому маловероятно, чтобы оно могло в больших количествах когда-либо накаплив аться на какой-то планете, хотя, как мы говорили раньше, HCN представляет собой важное (хотя и време нное) промежуточное звено в предбиологическом синтезе органических ве ществ. Аммиак состоит из довольно распространенных элемен тов и, хотя он менее стабилен, чем вода, все же достаточно устойчив, чтобы его можно было рассм атривать как возмож ный биологический растворитель. При давлении в 1 атм он находится в жидком состоян ии в интервале температур — 78 — — 33°С. Этот интервал (45°) нам ного уже соответству ющего интервала для воды (100°С), но он охватывает ту об ласть температурной шкалы, где вода не может функцио нировать как раств оритель. Рассматривая аммиак, Гендер-сон указывал, что это единственное из известных соединений, которое как биологический растворитель прибл ижается по своим свойствам к воде. Но в конце концов ученый отказался от с воего утверждения по следующим причинам. Во-первых, аммиак не может нако питься в достаточном количестве на поверхности какой-либо планеты; во-вт орых, в отличие от воды он не расширяется при температуре, близкой к точке замерзания (вследствие чего вся его масса может целиком остаться в тверд ом, замороженном состоянии), и наконец, выбор его как растворителя исключ ает выгоды от использо вания кислорода в качестве биологического реаге нта. Ген-дерсон не высказал определенного мнения о причинах, кото рые пом ешали бы аммиаку накапливаться на поверхности планет, но тем не менее он оказался прав. Аммиак разруша ется УФ-излучением Солнца легче, чем вода, т . е. его молеку лы расщепляются под воздействием излучения большей длины волны, несущего меньше энергии, которое широко представлено в солнечном спектре. Образующийся в этой реакции водород улетучивается с планет (за исключением самых больших) в космическое пространство, а азот остает ся. Вода также разрушается в атмосфере под действием солнечного излучения, но только гораздо более коротковол нового, чем то, которое разрушает амм иак, а выделяющиеся при этом кислород (О2) и озон (Оз) образуют экран, очень эффективно защищающ ий Землю от убийственного УФ-из-лучения. Таким образом происходит самоог раничение фото деструкции атмосферных паров воды. В случае аммиака подо бное явление не наблюдается. Эти рассуждения неприм енимы к планетам типа Юпите ра. Поскольку водород в изобилии присутству ет в атмосфере этой планеты, являясь ее постоянной составляющей, разумно предполагать наличие там аммиака. Эти предположения подтверждены спек троскопическими исследованиями Юпи тера и Сатурна. Вряд ли на этих план етах имеется жидкий аммиак, но существование аммиачных облаков, состоящ их из замерзших кристаллов, вполне возможно. Рассматривая вопрос о воде в широком плане, мы не вправе априори утвержд ать или отрицать, что вода как биологический растворитель может быть зам енена другими соединениями. При обсуждении этой проблемы нередко прояв ляется склонность к ее упрощению, поскольку, как правило, учитываются ли шь физические свойства альтерна тивных растворителей. При этом приумен ьшается или сов сем игнорируется то обстоятельство, которое отмечал еще Гендерсон, а именно: вода служит не только растворителем, но и активным уч астником биохимических реакций. Элемен ты, из которых состоит вода, “вст раиваются” в вещества живых организмов путем гидролиза или фотосинтез а у зеленых растений (см. реакцию 4). Химическая структура живого вещества, основанного на другом раст ворителе, как и вся биологическая среда, обязательно должны быть иными. Д ругими словами, замена растворителя неизбежно влечет за собой чрезвыча йно глубокие последствия. Никто всерьез не пытался их себе представить. Подобная попытка вряд ли разумна, ибо она представляет собой ни больше н и меньше, как проект нового мира, а это занятие весьма сомнительное. Пока м ы не в состоянии ответить даже на вопрос о возмож ности жизни без воды, и е два ли что-нибудь узнаем об этом, пока не обнаружим пример безводной жизн и. VI . Заключение Убежденность в сущес твовании жизни на планетах Сол нечной системы возникла у людей лет на 300 раньше, чем были получены убед ительные научные данные как о самой жизни, так и о планетах. Такие предста вления-плод естест венного, но неоправданно широкого толкования револю ци онных идей Коперника-сформировались у мыслителей XVII-XVIII вв. не на основе научных фактов, а исхо дя из общих философских принципов. Со временем благодаря углублению нау чных знаний существование жизни на других планетах перестало быть не вы зывающей сомнения истиной, а превратилось в гипотезу, которая подлежала логическому анализу и экспериментальной проверке. Выполнению этой про граммы, которая завершилась лишь в наши дни, спо собствовали два обстоят ельства: более глубокое проникнове ние в тайны природы и происхождения живой материи, а также разработка новых методов исследования планет, поз волившая переступить пределы, установленные возмож ностями земных тел ескопов. В числе этих новых методов прежде всего следует назвать создани е межпланетных косми ческих аппаратов и непрерывно совершенствующуюс я техни ку передачи информации. Современные биологи по казали, что жизнь-это хими ческий феномен, отличающийся от прочих химиче ских про цессов проявлением генетических свойств. Во всех известных жив ых системах носителями этих свойств служат нуклеино вые кислоты и белки . Сходство нуклеиновых кислот, белков и работающих на их основе генетиче ских механизмов у организмов самых различных видов практически не оста вля ет сомнений в том, что все живые существа, ныне обитающие на Земле, свя заны эволюционной цепью, которая соединяет их также с существовавшими в прошлом и вымершими видами. Подобная эволюция-естественный и неизбежны й результат работы генети ческих систем. Таким образом, несмотря на бесконечное разнообразие, все живые существа на нашей планете принадлежат к одной семье. На Земле факт ически существует лишь одна форма жизни, которая могла возникнуть тольк о однократно. Основным элементом земной биохимии является угле род. Химические свойс тва этого элемента делают его особен но подходящим для образования тако го типа больших ин формационно богатых молекул, которые необходимы для построения генетических систем с практически неограничен ными эволюц ионными возможностями. Космос также очень богат углеродом, и целый ряд д анных (результаты лабора торных экспериментов, анализов метеоритов и сп ектроско пии межзвездного пространства) свидетельствует, что обра зова ние органических соединений, подобных тем, которые входят в состав живой материи, достаточно легко и в широких масштабах происходит во Вселенной . Поэтому вероятно, что если жизнь существует в каком-то ином уголке Вселе нной, то она также основана на химии углерода. Биохимические процессы, основанные на химии углерода, могут протекать л ишь при сочетании на планете определен ных условий температуры и давлен ия, а также наличия подходящего источника энергии, атмосферы и растворит еля. Хотя в земной биохимии роль растворителя играет вода, возможно, хотя и не обязательно, что в биохимических процессах, происходящих на иных пл анетах, участвуют дру гие растворители. VII . Литература 1. М. Е. Аспиз “Энциклопедия биологии” М. 1986 2. “Концепции современного ест ествознания” Под ред. В. Н. Лавриенко М. 1997 3. В. Г. Жиряков “Органическая химия” М. 1978 4. В. А. Ранов “Страницы истории земли” М. 1988 5. “Биология” Под ред. Д. К. Беляева М. 1996