Где и из чего зарождается жизнь?

За последние несколько лет при исследовании радиоастрономическими методами газопылевых облаков в Галактике в них было обнаружено несколько типов органических соединений. Особенно отметим синильную кислоту, формальдегид, метиламин, спирты. (Все эти простые молекулы - ключевые исходные продукты для синтеза более сложных соединений, абсолютно необходимых для жизни, например, аминокислот - строительных блоков белка.) Такое открытие тем более удивительно, что раньше в газопылевых облаках предполагалось лишь присутствие водорода и некоторого числа двухатомных соединений. Поскольку эти облака (или их фрагменты) отождествляются как районы зарождения звезд и планетных систем, то подобные результаты наблюдений представляют исключительный интерес.

После открытия органических молекул в газопылевых облаках межзвездные пылинки, на которых могут концентрироваться эти молекулы, стали называть семенами жизни. Совсем недавно знаменитый английский астрофизик Ф. Хойл выдвинул идею о том, что в глубинах Космоса жизнь может зарождаться именно на межзвездных пылинках. Более того, Ф. Хойл и его соавтор Н. Викрамсингх связывают эпидемии гриппа на Земле с внесением возбудителей этой инфекции из Космоса. Правда, Хойл деликатно обходит вопрос о том, как возникает жизнь на межзвездных пылинках.

Еще раньше высказывались мысли о том, что жизнь способна развиваться на кометах и астероидах. Но посмотрим, может ли действительно возникнуть жизнь в результате химических процессов в холодных газопылевых облаках?

Сравнительно простые молекулы, такие, как формальдегид и синильная кислота, там есть. Они возникают из льдов простых газов, таких, как пары воды, метан, аммиак, на поверхности пылинок. Что же потом?

Реакции образования более сложных полимеров идут при низких температурах очень медленно. Кроме того, из-за очень низкой температуры на пылинках нет жидкой воды, которая необходима для всего живого. Да и межзвездные пылинки очень малы, меньше микрона, даже нормальная бактериальная клетка больше. Нет, для жизни нужен комфорт, а здесь и холодно и «тесно».

Где и из чего зарождается жизнь

В метеоритах находят уже более сложные соединения углерода - аминокислоты. Казалось бы, всего один шаг до живого. Но нет. Метеориты тоже своего рода эволюционный тупик, поскольку у них нет ни гидросферы (хотя немного воды в химически связанном виде все-таки есть), ни атмосферы. Что же тогда остается? Только планеты?

Только планеты.

Попробуем разобраться почему. Для этого нам придется посмотреть, какие природные факторы критична для жизни. Естественно, сначала мы будем пока говорить о том, что ближе: о нашей, земной, жизни.

Хорошо известно, что так называемые термофильные, (теплолюбивые) формы микроорганизмов существуют в горячих вулканических источниках, температура которых достигает в некоторых случаях 95-98 градусов Цельсия. Механизмы, которые устраняют повреждения в клетках и повышают их устойчивость к высокой температуре, до конца непонятны, да у нас с вами нет необходимости вдаваться в детальный анализ биохимии термофилов. Ясно, что эволюция выработала защитные механизмы. Однако верхний температурный предел жизнедеятельности организмов, безусловно, есть, и мы не допустим серьезной ошибки, если установим его около 100 градусов Цельсия.

В том случае, если жизнь уже существует, нижняя температурная граница не столь критична. Однако мы акцентируем свое внимание на проблеме зарождения жизни, и нам необходимо учитывать скорости химических реакций. Поскольку большинство реакций проходит в жидкой фазе, то для нормальной жизнедеятельности автоматически получается и нижняя температурная граница около 0 градусов по шкале Цельсия.

Итак, для зарождения жизни мы получаем довольно узкий температурный интервал, всего около 100 градусов. Причем важно, что стабильность температур должна сохраняться очень долгое время без заметных перепадов.

Где же могут быть такие условия? Только на планетах, имеющих атмосферу. Именно атмосфера - фактор планетарного масштаба, исключающий резкие температурные перепады. Например, на Луне, лишенной воздуха, перепады температуры ночью и днем велики: от + 110 до -120, более двухсот градусов, а па Венере и Земле они незначительны.

Поскольку именно в атмосфере, гидросфере и на поверхности раздела фаз происходит синтез органических молекул, то вполне понятно, что для прохождения реакций синтеза на планетах должны быть какие-нибудь источники энергии.

Итак, планеты, да еще планеты с атмосферами. Кстати, атмосфера выполняет еще одну очень важную функцию: она защищает хрупкие органические молекулы от разрушительного действия ультрафиолетового излучения родительской звезды. Например, у нас на Земле жизнь вряд ли была бы возможна, если бы в атмосфере не было озонового экрана. Именно этот экран задерживает наиболее опасную часть излучения Солнца.

Условимся называть планеты, где жизнь типа земной в принципе может существовать, «зелеными планетами». На таких планетах должна быть атмосфера, гидросфера и довольно комфортная мягкая погода. Но как долго все это должно существовать? Тысячу, миллион, миллиард лет?

Возраст Земли - около 4,5 миллиарда лет, и палеонтологи утверждают, что 3,5 миллиарда лет тому назад на Земле уже была жизнь. А сколько живут звезды? Ведь известно, что некоторые из них взрываются. Это так называемые новые и сверхновые звезды. Ясно, что, если звезда взорвется, около нее не останется ничего живого. Существует общее правило в астрофизике: чем звезда горячее, тем меньше срок ее жизни. Поэтому «зеленые планеты» могут быть только около долгоживущих не очень горячих звезд, и тогда в сфере нашего рассмотрения останутся лишь звезды с временем жизни не менее миллиарда лет, то есть звезды спектральных классов F, G, К, М.

Здесь, однако, существенным фактором является тепловой поток, достигающий поверхности планеты, поскольку все мы не любим, когда слишком холодно. Например, энергия излучения М-карлика составляет лишь около 5 процентов энергии звезды типа Солнца. Но если планета в системе М-карлика находится недалеко от звезды, там будут вполне комфортные условия для жизни.

Эволюция органических соединений может достигать высокого уровня лишь на планетах. Действительно, в газопылевых образованиях концентрации вещества слишком низки, около 1 атома в кубическом сантиметре, чтобы с эффективностью шли реакции образования биополимеров. Нельзя, правда, исключить возможность синтеза простых аминокислот и в газопылевых облаках, и в атмосферах инфракрасных звезд. Что касается комет, то в лабораторных условиях, воспроизводящих «кометную» обстановку, ученые продемонстрировали возможность образования достаточно сложных органических молекул,

а в метеоритах аминокислоты содержатся в заметных количествах. Тем не менее для всех процессов усложне-1Я необходимы достаточно высокие концентрации материала, и именно поэтому все перечисленные объекты являются своего рода эволюционными тупиками. Итак все-таки планеты.

Где и из чего зарождается жизнь-2

Сколько же «зеленых планет» в нашей Галактике?

Если считать, что системы типа нашей солнечной1 не исключение, тогда только в нашей Галактике планет, пригодных для жизни, может быть более миллиона.

А могут ли быть планеты без звезд? В принципе да. На таких планетах за счет их внутреннего тепла тоже 22 могла бы существовать жизнь, аналогичная простейшим формам нашей земной жизни, например, бактерии.

«Но почему автор все время толкует нам только о земной жизни? - спросит наиболее нетерпеливый читатель. - Что за антропоцентризм, что за узость подхода? Это же самый настоящий водно-углеродный шовинизм».

Да. Именно так. Нам необходимо тщательно разобраться с этим непростым вопросом, поскольку от его решения зависит слишком многое.

Лет десять назад астрофизик Ф. Хойл опубликовал научно-фантастический роман «Черное облако» о контакте жителей Земли с высшим космическим разумом. Но задача нашей книги другая. Мы не будем строить спекулятивные схемы экзотических форм жизни, начиная от космического сверхорганизма Хойла и кончая излюбленной в научно-фантастической литературе кремниевой жизнью; мы будем стоять на несколько другой позиции и строить гипотезы, основанные на научных фактах.

Так почему же все-таки углерод и вода составляют основу жизни?

Еще в 1913 году биохимик из Гарвардского университета, Л. Гендерсон, издал книгу «Пригодность окружающей среды». Автор пришел к выводу, что все живое должно состоять из воды и углерода, поскольку сам Л. Гендерсон состоит из воды и углерода. Аргумент, конечно, сильный, но попробуем посмотреть на эту задачу более серьезно.

Все известные на Земле живые организмы, а также ископаемые формы жизни в определенном смысле химически одинаковы: белки, нуклеиновые кислоты, жиры, сахара и ряд других биологически важных молекул, построенных из ограниченного круга элементов. Это так называемые абсолютные органогены, среди которых Центральное место занимает углерод. В число абсолютных органогенов входят также кислород, азот, фосфор, водород, сера, калий, кальций и магний.

Все химические реакции в клетках идут в водном растворе, причем именно в воде реализуются тысячи биохимических процессов, поддерживающих жизнедеятельность организма.

Но почему же именно углерод и вода играют столь уникальную роль в химии живого? Быть может, на Земле существовали другие формы жизни, построенные на иной химической основе, которые впоследствии были уничтожены углеродной жизнью? Возможны ли в принципе «другие химии» жизни? Эти вопросы имеют философское и научное значение.

Модели живых систем, основанных не на водно-углеродной основе, разрабатывались в последнее время довольно широко. В первую очередь здесь нужно отметить жизнь на основе аммиака, кремния и галогенов. Мы сначала изложим основные принципы этих псевдожизней, а затем проанализируем соотношения между гипотетическими живыми системами и углеродными формами жизни.

Обычно в качестве возможного заменителя углерода рассматривается кремний. Действительно, между этими двумя элементами очень много общего. В периодической системе элементов они находятся в одной группе, обладают одинаковой валентностью. Поэтому «кремниевая жизнь» обсуждается весьма часто не только в научно-фантастической литературе, но и на страницах научной печати.

По поводу возможности существования жизни, основанной на кремнии, существуют полярные точки зрения. Так, например, английский астроном-любитель В. Фирсов в своей книге «Жизнь вне Земли» утверждает, что кремниевая жизнь может быть широко представлена во Вселенной.

Тем не менее сходство кремния и углерода не дает достаточных оснований для построения гипотетических живых систем, содержащих в качестве основного звена кремний. Против кремниевой жизни можно выдвинуть ряд серьезных аргументов.

Американский химик Д. Уолд в своей превосходной работе «Почему живое вещество базируется на элементах второго и третьего периодов периодической системы» обращает внимание на то, что связь между атомами кремния (мы будем их называть в дальнейшем кремний, кремниевые связи) неустойчива в присутствии воды, аммиака или кислорода. Это очень сильное возражение против кремниевой жизни.

Кларк, или относительная распространенность кремния в земной коре, почти на два порядка выше кларка углерода. Тем не менее кремний не играет практически никакой роли в биохимии живого. Казалось, для природы было бы гораздо легче сконструировать жизнь на основе более доступного элемента. Однако в этом случае природа не пошла по принципу экономии, и у нее были веские причины. Кремний обладает рядом характерных химических свойств, которые делают его совершенно непригодным для построения сложных биологических молекул, работающих в клетке.

Так, все соединения кремния с водородом неустойчивы при нормальных температурах, и, наоборот, соединения, построенные на основе связей кремний - кислород (это просто хорошо всем известный песок), весьма устойчивы в термическом отношении до очень высоких температур.

Заметим также, что в настоящее время неизвестны кремнийорганические соединения, являющиеся аналогами молекул, содержащих углерод, кислород и водород: альдегидов, кетонов, карбоновых кислот, сложных эфиров и аминов. Это обусловлено неспособностью кремния образовывать двойные и тройные связи, столь характерные для органической химии; поэтому кремний образует жесткие полимеры с кремний-кислородными связями.

Вышеперечисленные свойства кремния {а также аргументы, приведенные Уолдом) делают весьма маловероятным использование такого элемента в качестве основы для построения жизни. Правда, американский химик из Беркли, Г. Пиментел, считает, что при низких температурах кремниевая «псевдожизнь» может развиваться более успешно, чем углеродная. Однако требуются неводные растворители, а это обстоятельство снова уводит нас в сферу спекуляций. Фирсов предлагает в качестве возможных замен воды как универсального растворителя на сульфиды фосфора и такое абсолютно неизученное соединение, как Н₃PS₄-серный аналог ортофосфорной кислоты, получающийся из фосфористого водорода и H2S. Мне кажется, что это все маловероятно в силу некоторых общих соображений астрофизического плана. Ведь вода - одно из самых распространенных соединений в Космосе.

Рассмотрим теперь модель так называемой «жидко-аммиачной жизни», которая также довольно часто предлагается как возможная форма существования внеземных живых систем.

Гипотетическая аммиачная биохимия, или, как ее еще называют, химия Франклина, получается простой заменой кислорода в органической молекуле на имино-группу (= NH). Сера в соединении остается или также замещается на азот, а вместо воды в качестве универсального растворителя используется аммиак.

Где и из чего зарождается жизнь-3

Рассмотрим некоторые свойства аммиака подробнее.

При нормальном давлении аммиак существует как жидкость в очень узком интервале температур от -77,7 до -33,4 градуса Цельсия. Критической температуре + 132,4 градуса, то есть температуре, выше которой нельзя получить аммиак в виде жидкости, соответствует давление 120 атмосфер. Скрытые теплоты у аммиака равны 332 калориям на грамм для парообразования и 84 калориям на грамм для плавления. По этим параметрам аммиак похож на воду.

Авторы моделей «аммиачной жизни» утверждают, что в полностью безводных условиях аммиачные формы белков будут действовать как ферменты-катализаторы столь же хорошо, как и в обычных водных средах. Это предположение выглядит сомнительно, так как скорее всего в жидком аммиаке белки-ферменты из-за изменения их структуры не смогут «работать». Кроме того, если исходить из требования нормальных скоростей химических реакций, необходимо сильно повысить точку кипения аммиака (скажем, до 100 градусов), что соответствует более высоким давлениям около 60 атмосфер.

Очень трудно представить себе, что при выбранных значениях давления и температуры могут где-либо существовать полностью безводные условия. Но как только мы переходим к водным растворам аммиака, аммиачные аналоги белков оказываются в сильно щелочной среде и перестают работать как ферменты.

Для регулировки деятельности клеточных мембран в аммиачной химии предлагаются такие экзотические соединения, как хлористый цезий или хлористый рубидий. Из-за малой космической распространенности цезия и рубидия подобная схема может представлять интерес только для умозрительных построений.

Таким образом, «аммиачная жизнь» с точки зрения общих физико-химических соображений кажется весьма маловероятной.

Еще более экзотичные варианты связаны с использованием галогенов вместо водорода (галоген-углеродная форма). В этом случае используется хлор или фтор, так как атомы брома и йода имеют слишком большие размеры.

Каковы же должны быть условия на планете, богатой галогенами? Атмосфера на такой планете должна содержать большие количества фтора и хлора, а гидросфера может состоять из соляной или плавиковой кислоты. Не говоря уже о том, что все минералы неустойчивы в присутствии плавиковой кислоты, возникновение подобных систем исключено в силу одного простого соображения. Жизнь существует на Земле на поверхности очень тонкого (по сравнению с радиусом Земли) слоя - земной коры. Казалось бы, химический состав живых систем должен быть хоть в какой-то степени похож на химический состав экологической ниши обитания - коры. Но нет. По своему химическому составу живое вещество гораздо ближе ко Вселенной, чем к земной коре. Это обстоятельство служит косвенным доказательством принципа универсальности построения живых систем в различных участках Вселенной.

По всей видимости, именно абсолютные органогены способны в процессе эволюции образовывать живые системы. Концентрации хлора и фтора во Вселенной исключительно малы по отношению к водороду (одна десятимиллнонная и одна стомиллионная доля соответственно) . Вот почему подобные модели выглядят весьма неубедительно. Непонятно, зачем и где будет происходить замена водорода на галогены?

Хорошо известно, что именно водород является основным элементом Вселенной. И поэтому, рассматривая нормальные содержания элементов во Вселенной, мы приходим к идее водно-углеродного шовинизма.

Следует подчеркнуть, что формальные замены углерода на кремний, водорода на галогены и так далее малопродуктивны в плане построения некой новой химии жизни. Мы, по-видимому, никогда не сумеем подобрать элемента, способного лучше углерода образовывать макромолекулы, и растворителя более универсального, чем вода. Кроме того, абсолютные органогены являются наиболее «доступными» элементами в Космосе.

Бесспорно, нельзя полностью исключить химические флуктуации во Вселенной, и теория подсказывает нам такие возможности. Однако наблюдательные данные астрономии (я имею в виду органические молекулы в Космосе) служат серьезной поддержкой того положения, что если где-либо еще, кроме Земли, во Вселенной и существует жизнь, то в основе ее должна лежать химия углерода.

А это значит, что жизнь-то во Вселенной должна быть похожей в целом на нашу. Это очень серьезный вывод, и сделан он в достаточно категоричной форме, хотя в предыдущей фразе я не употреблял слов «обязательно» и «только». Но ведь он сделан после довольно тщательного анализа, с использованием арсенала современной физики и химии. И этот вывод не накладывает никаких ограничений на возможность существования форм жизни, внешне отличающихся от земной.

Ведь даже с чисто философских позиций трудно считать, что наша форма жизни уникальна. Во Вселенной нет уникальных явлений и объектов. Об этом говорилось на Бюраканской конференции. Еще раньше эту мысль высказывали древние философы.

Ну а как же знаменитые киборги - синтез машины и разума - или уже упоминавшееся плазменное облако Ф. Хойла?

К сожалению, законы физики исключают возможность стабильного существования таких плазменных образований.

Но не будем все-таки слишком категоричны, оставим хоть немного места для фантазии и чуть-чуть помечтаем... Ведь человечество молодо, и то, о чем мы сейчас говорим, отражает лишь сегодняшний уровень знания. А разве возьмется кто-либо утверждать, что все познано человеком?

Поэтому «...превращение (людей. - Л. М.) в кибернетические существа сулит ряд преимуществ. Человек сентиментально привязан к своей биологической оболочке, и большинство культурно-консервативных людей не захотят расстаться со своим телом, имеющим ряд различных, хорошо известных преимуществ. Но будут и другие, которых привлечет возможность некоторых усовершенствований, например, бессмертие, колоссальный разум...».

Что это - отрывок из научно-фантастического романа? Очень похоже на А. Азимова, не правда ли?!

Но нет. Это высказывание его близкого друга, крупнейшего математика М. Минского, который считает, что создание искусственного разума, а следом за ним и киборгов - дело вполне реальное уже для XX столетия. Один из аспирантов Минского построил машину, которая стоит никак не ниже уровня развития ребенка. Она (машина) умеет общаться с людьми, причем весьма своеобразно. В программу этой машины заложены понятия маленького механического мира: идея, что. одно твердое тело может опираться на другое, нечто может находиться в ящике справа, слева, есть шары, кубы и т. д. Машина обсуждает с человеком этот мир.

Человек через печатающее устройство спрашивает:

- Что находится в этом ящике?

Машина, живущая в мире игрушек, отвечает:

- Синяя пирамида и синий куб.

- Сколько кирпичиков недостает в ящике?

- Четырех, - говорит машина.

- А есть ли среди них хотя бы один, более узкий, чем тот, который я просил тебя подобрать?

- Да, красный куб.

Подслушав этот разговор, любой человек сказал бы, что беседует отец с ребенком.

- Есть ли в ящике шпиль? - продолжает спрашивать машину человек.

- Но я не знаю, что это такое, - отвечает машина. Человек объясняет ей, и после этого просит машину

построить шпиль, и машина своими механическими руками строит его.

Все это произошло в 1970 году в Массачусетсом технологическом институте.

А что может случиться через 50-100 лет?

Вполне возможно путешествие во времени. Для этого всего-навсего нужно найти электрически заряженную «черную дыру». Условия полета могут оказаться приемлемыми. За короткое время расширения «белой дыры» наблюдатель на космическом корабле увидит все прошлое нашей Вселенной и все будущее во время погружения в глубь «черной дыры».

«Опять фантастика», - скажет читатель. Да нет же. Это серьезнейшая работа блестящего советского астрофизика Н. Кардашева, который твердо уверен, что жизнь существует в загадочных квазарах в центре нашей Галактики.

Но неужели и там вода и углерод?

Очень может быть. Температура некоторых участков этого объекта близка к нашим комнатным, и углеродная жизнь в принципе могла бы там существовать, если бы не чудовищные потоки жесткого рентгеновского излучения.

А что, если жизнь приспособится когда-нибудь к такому излучению?

Все может быть... Может быть, когда-нибудь, когда Солнце станет слишком горячим, мы с вами будем вынуждены переселиться на квазары или другие планетные системы. Быть может, мы полетим в будущее или установим связь с таинственными фридмопами - замкнутыми мирами, имеющими для внешнего наблюдателя массу и заряд элементарных частиц. Пусть это фантастика, но это не лженаука.

Ясно одно: для того чтобы все это осуществить, необходимо настойчиво и кропотливо вести диалог с окружающей нас природой.

Конечно, из всех вариантов, предложенных мною, переселение на другие планетные системы выглядит наиболee простым делом (по сравнению, к примеру, с путешествием в будущее). Но даже для обсуждения подобной возможности мы должны быть уверены, что другие планетные системы существуют. Чуть выше говорилось о планетных системах около различных звезд почти как о доказанном факте. Но это не так. Наблюдательные чанные, как говорят астрономы, о других планетных системах отсутствуют, и, поскольку наша книга называется «Планеты и жизнь», нам надо очень внимательно разобраться как возникают планеты, как на некоторых из них образуется тонкая газовая оболочка, называемая атмосферой, как получаются океаны и что же, наконец, происходило на Земле 4 миллиарда лет назад, когда она была безжизненной.