Обобщенная химия жизни

Те формы жизни, которые мы встречаем на Земле и к которым принадлежим сами, основаны на углероде. Именно этот химический элемент входит в состав всех известных нам живых существ. Вода определяет химические особенности земной жизни, а то, что она в живых организмах должна присутствовать не в газообразном или твердом, а именно в жидком состоянии, ограничивает те внешние условия, при которых жизнь возможна. Эти границы, впрочем, достаточно широки.

Прежде всего выясним, каковы температурные границы жизни. Доступный нашему изучению органический мир Земли (включая и нас самих) состоит из организмов вполне определенной химической структуры. Основа земной жизни - белковые вещества.

Но белковые тела очень чувствительны к высоким температурам. Когда белки свертываются, организм гибнет. Для подавляющего большинства земных организмов такой верхней температурной границей жизни обычно считают 60-70 °С.

Есть и любопытные исключения. Известны термофильные, или теплолюбивые, организмы, которые сохраняют жизнеспособность и при более высоких температурах. Водоросли, растущие в горячих озерах, выдерживают температуру до 90 °С. Некоторые микроорганизмы продолжают жить (под значительным атмосферным давлением) при температурах до 150 °С. Но все-таки вряд ли в дальнейшем удастся открыть белковые существа, способные жить при температуре, например, 200 °С.

Зато приспособляемость живых организмов к низким температурам изумительна. Тут даже трудно указать нижнюю границу. По-видимому, никакой холод не может убить жизнь, и нижняя граница жизни подходит близко к абсолютному нулю ( - 273 °С). Примеров очень много. Давно известно, в частности, что микроорганизмы в форме спор, цист, а некоторые и в активном состоянии переносят «мороз» в -271 °С. Сперматозоиды быка выдерживали 8 лет при температуре -196 °С, и все-таки после этого сурового испытания они оказались во всех отношениях жизнеспособными.

В 1963 г. известный ленинградский микробиолог Л. К. Лозина-Лозинский успешно провел еще более поразительный опыт. Тринадцать гусениц кукурузного мотыля были помещены на шесть с половиной часов в жидкий гелий. Более четверти суток они существовали в среде с температурой -269 °С, что лишь на 4 градуса выше абсолютного нуля. И жизнь не была убита, гусениц удалось оживить.

Вода считается необходимым условием жизни, ее неотделимым спутником. Так ли, впрочем, всеобще это правило? Бесспорно, что вода необходима для активной жизни белкового организма. Однако нормы водного рациона очень разнообразны. Если такое дерево, как береза, «выпивает» за сутки в среднем до 70 ведер воды, то в песках Сахары 98 видов бактерий, 28 видов грибов и 84 вида водорослей активно живут и размножаются при влажности 0,5%. А в пассивном состоянии временной спячки (анабиоза) водообмен даже у ряда высших организмов сокращается до минимума.

Есть животные, которые способны жить там, где жидкой воды или водяного пара вообще нет. Они ухитряются извлекать необходимую им влагу из пищи за счет химических реакций, протекающих в их организме. Заметим, что в высушенном состоянии некоторые организмы необычайно стойки к сверхнизким температурам. Например, высушенные личинки одного африканского комара в течение 7 лет держали при температуре - 270 °С, а потом оживили, и личинки вскоре превратились в нормальных куколок. Недостаток влаги, таким образом, иногда не только не исключает жизнь, а, наоборот, увеличивает ее сопротивляемость крайне суровым внешним воздействиям.

Иногда чрезмерно преувеличивают роль кислорода. Сторонники подобных взглядов полагают, что без кислорода жизнь невозможна, даже процентное содержание кислорода в атмосфере планеты они считают фактором, определяющим наличие или отсутствие жизни. Такое преувеличение совершенно неоправданно. Хотя земной органический мир формировался в условиях вполне определенной по химическому составу атмосферы и даже сам существенно влиял на этот состав, известны примеры, когда белковая жизнь обходится без свободного кислорода.

Хорошо известно, что молекулярный кислород в земной атмосфере накапливался постепенно, за длительные сроки в результате жизнедеятельности многих растений. Значит, первые обитатели Земли были «поневоле» анаэробными (бескислородными) организмами. Подобные своеобразные живые существа встречаются и на современной Земле. Таковы некоторые бактерии, дрожжи. Энергию они получают не за счет кислородного дыхания, а путем окисления различных веществ. Есть даже микробы, для которых кислород - сильнейший яд, несущий немедленную смерть. У некоторых земных организмов потребность в кислороде иногда значительно ниже нормальной. При ничтожном содержании кислорода или даже его полном отсутствии могут активно жить некоторые черви (глисты), моллюски и насекомые.

Овцы, пасущиеся на высокогорных пастбищах (на высоте 4000 м), потребляют кислорода примерно на 40% меньше, чем у берега моря. Выше 6000 м парят некоторые хищные птицы. И даже человек может приспособиться к количеству кислорода, вдвое меньшему против нормального (вспомните жителей таких высокогорных районов, как Тибет).

Мы упомянули, что биосфера пронизывает как атмосферу, так и поверхностные слои земной коры. Здесь жизнь демонстрирует свою высокую приспособляемость как к низким, так и к высоким давлениям. Тлей обнаружили на высоте 8200 м, а с помощью шаров-зондов уловили споры бактерий и плесневых грибков с высоты 33 км, где давление составляет лишь 0,04 атмосферы. А вот другая крайность - глубинные нефтяные пласты, где давление достигает тысячи атмосфер. И там есть жизнь!

Ультрафиолетовая радиация - серьезный враг жизни. Однако и тут жизнь проявляет поразительную стойкость. Недавно американский биолог Рейнольде обнаружил на высотах от 15 до 20 км множество странных желто-оранжевых бактерий. Они явно предпочитали вер-хние слои земной атмосферы нижним: с приближением к Земле количество их резко сокращалось. Значит, стратосфера не временный их приют, а постоянный дом.

Живые организмы могут приспособиться даже к большим дозам ультрафиолетовой радиации. Например, гусеницы дубового шелкопряда прекрасно размножаются под непрерывным ультрафиолетовым облучением. Подмечено, что в бескислородной среде устойчивость организмов к ультрафиолетовому облучению сильно возрастает.

И, наконец, вопрос о «вредности» космических лучей, т. е. потоков очень быстрых частиц, в основном протонов, обрушивающихся на нашу Землю из Космоса. Земная атмосфера частично предохраняет нас от космических лучей, и хотя мы постоянно пронизываемся ими (от них нельзя укрыться даже в метро), никаких болезненных последствий это облучение не вызывает.

Другое дело - космическое пространство. Там космические лучи действуют в полную силу, и у нас нет пока уверенности в том, что это действие абсолютно безвредно. Поэтому установить границы приспособляемости живых организмов к космическим лучам особенно важно. И здесь жизнь очень эластична. Дозы облучения, считающиеся смертельными, для разных организмов весьма различны.

Морские свинки гибнут при дозе облучения в 300 рентген, но некоторые инфузории свободно переносят облучение до 500 000 рентген. Смертельные дозы для растений колеблются от 4 до 200 000 рентген. Споры же некоторых микроорганизмов и вирусы выдерживают облучение до миллиона рентген. Все эти дозы значительно превосходят те, действию которых живые организмы могут подвергаться в мировом пространстве.

Вообще наши рассуждения о «вредности» той или иной среды очень относительны. Ведь известны, например, живые организмы, прекрасно себя чувствующие в склянке с цианистым калием или в отходах атомного реактора.

Таким образом, кроме высоких температур, трудно указать другие физические условия, которые бы полностью исключали возможность жизни. Наш земной опыт красноречиво свидетельствует, что жизнь способна выдерживать очень суровые испытания. Надо, конечно, здраво оценивать ограниченность этого опыта. Во-первых, нам известны далеко не все организмы, населяющие Землю, во-вторых, белковая форма жизни, возможно, не является единственной. Давая определение жизни, Ф. Энгельс подчеркивал, что эта характеристика жизни весьма недостаточна, поскольку она далека от того, чтобы охватить все явления жизни, а, напротив, ограничивается самыми общими и самыми простыми среди них.

Уже несколько десятилетий обсуждается вопрос, обязательно ли углерод должен быть основой живых организмов. Не следует думать, что только углерод способен образовывать молекулярные цепочки. Таким свойством обладают и другие химические элементы IV группы таблицы Менделеева. Как известно, внешняя оболочка всех этих элементов содержит четыре электрона и для полного ее укомплектования недостает также четырех. Эта «симметрия» способствует сцеплению атомов между собой.

В IV группе за углеродом С следует более тяжелый кремний Si. Еще в 1909 г. известный физик Рейнольде высказал предположение о присутствии кремния в составе протоплазмы таких клеток, где углерод заменен на кремний, а азот на фосфор. В 1940 г. королевский астроном Англии Спенсер-Джонс в известной своей книге «Жизнь на других мирах» посвятил несколько строк живым организмам на кремниевой основе, которым не страшны высокие температуры. Подробно о жизни на иной химической основе писал и английский астроном В. Фирсов (В. Фарсов. Жизнь вне Земли. М., Мир, 1966), чью весьма содержательную книгу мы рекомендуем любознательным читателям. Насколько обоснованны, однако, рассуждения о «кремниевой» или «аммиачной» жизни?

Кремний образует соединения SiH4, Si2H6, Si3H8 и многие другие, подобные углеводородам (СН4, С2Н6 и др.). По аналогии с углеводородами эти соединения называются кремневодородами. Они имеют более высокие точки кипения и плавления, чем углеводороды, и, соответственно, большие температуры разложения. Давно уже получены такие сложные соединения, как кремнийсодержащие спирты, эфиры и кислоты, например (С2Н5)3SiOН (спирт) или C6H5SiOOH (кислота)

Фирсов справедливо отмечает, что «жизнь при высоких температурах вовсе не требует полного исключения углерода из органических структур». Углерод может присутствовать наряду с кремнием и германием, так же, как кремний присутствует в некоторых углеродных соединениях. Чисто кремнийорганическая и углеродорганическая химия - всего лишь крайние случаи, и между ними существует множество переходных вариантов.

Фирсов в своей книге весьма обстоятельно рассматривает возможные кремниевые аналоги белковых соединений и полагает, что подобные же химические соединения могут быть построены на основе, скажем, серы или других элементов. По его мнению, «кремниевые» организмы (если только они существуют!) могли бы выдержать огромные давления и температуру свыше 1000 °С.

В широко известной книге «Вселенная, жизнь, разум» (М., Наука, 1980, издание 6-е) И. С. Шкловский обсуждает вопрос о возможности «аммиачной» жизни, т. е. о существовании живых существ, в которых воду заменяет жидкий аммиак. О такой гипотетической форме жизни пишет и Фирсов. Можно получить «аммиачные» аналоги нуклеиновых кислот и даже ДНК и РНК с их кодом наследственности. Если где-то есть «аммиачные» существа, то они должны «пить» аммиак и дышать азотом! По мнению Фирсова, могут существовать и другие «химии» и иные формы жизни, недоступные нашему воображению. Если они где-то реализуются в Космосе, то температурные границы жизни расширяются от температур, близких к абсолютному нулю, до температуры кипения свинца, а может быть, и более высокой.

Надо, впрочем, подчеркнуть, что большинство современных ученых (в частности, академик В. А. Энгель-гардт) считают, что жизнь может существовать только на белковой, углеродной основе. По мнению члена-корреспондента АН СССР В. Л. Рыжкова (Населенный Космос. М., Наука, 1972, с. 29), «как ни близок кремний углероду, многие свойства делают его непригодным для замены им углерода в живых телах... Даже простейшие ароматические соединения кремний образует с очень большим трудом».

Академик А. А. Имшенецкий резонно полагает (В. Фирсов. Жизнь вне Земли. М., Мир, 1966, с. 15 (предисловие)), что «наше отношение к данной проблеме определяется чисто практическими задачами. Для поисков жизни в Космосе должны быть разработаны методические подходы. Было бы совершенно нелогичным начинать поиски жизни, принципиально отличающейся от земной как по химическому составу, так и по характеру основных энергетических и конструктивных процессов, протекающих в клетках».