Со всех точек зрения формы и условия жизни на дальних мирах должны от! шча. ься от земных, иначе смысл многообразия эволюции был бы нарушен Но в то же время основы жизни па всех мира,, едины Людям особенно трудно сочетать единство и многообразие
И. Уранов
4.2.1. Что такое жизиь? Много раз на страницах этой кнш и мы употребляли слово «жизнь». До сих пор мы пе пытались пояснить это понятие, считая, что каждый человек имеет какое-то собственное интуитивное иредст явление о жизни. По теперь, когда мы собираемся перейти к рассмотрению жизни в Космосе, нашего интуитивного представления о ней уже недостаточно. Для того чтобы судигь о распространенное ги и возможных формах жизни в Космосе, — а именно это нас интересует, — надо иметь ясное представление о природе жизни. И вот здесь мы попадаем в трудное положение, ибо, несмотря на несомненные успехи науки в изучении многообразных функций жизни, ее физико-химических основ и механизмов функционирования, у нас нет, как представляется, полного понимания феномена жизни. Я думаю, мнопте ученые ясно ощутили это, когда перед ними была поставлена практическая задача обнаружения жизни на Марсе в связи с осуществлением проекта «Викинг». Надо было решать, какую жизнь следует искать.
Когда мы произносим слово «жизнь», то имеем в виду какие-то живые существа или организмы. Само слово «организм» указывает на определенную стройную организацию исходных элементов, из которых он строится. Действительно, сложная организация — это один из отличительных признаков жизни. Можно сказать, что жизнь еегь высокоорганизованная форма материи. Но каков тот критический уровень организации, начиная с которого сложную систему можно рассма гривать как живую’ Очевидно, структурная сложность, сама по себе, недостаточна для характеристики жизни. Более того, структура живого организма существует лишь постольку, поскольку он функционирует, живет. Следовательно, живая система обладает способностью самостоятельно поддерживать свою внутреннюю структуру — самосохраняться. Это достигается в процессе обмена с окружающей средой. Обмен веществ, или метаболизм, — один из характерных признаков жизни. Живые системы обладают также способностью к росту и самовоспроизведению. Наконец, надо отметить огромную приспособляемость жизни, адаптацию ее к внешним условиям и, наряду с этим, способность к саморазвитию, к эволюции. Помимо обмена веществ, живые системы обладают способностью к обмену информацией с окружающей средой — способностью воспринимать, хранить и перерабатыва гь информацию, используя се для выработки сохраняюгцих реакций. На этой основе осуществляется способность живых систем к самосохранению и адаптация их к внешним условиям. Процесс самовосггроизведения, по сути, также является информационным процессом. Подчеркивая роль информации, В. С. Троицкий вместе с тем отмечает: «Опре-
2,4 Троицкий В. С Развитие внеземных цивилизации и физические закономерности / Проблема поиска вне )емиых цивилизаций — М Наука, 1981. С. 3-29. Цит. с 6.
Деление живого нельзя сводить ни к информации, ни к обмену веществ в отдельности. По-видимому, самую основную характеристику, объединяющую все при шаки, мы еще не знаем»214.
С другой стороны, возникает вопрос: присуши ли перечисленные свойства только живым системам? Н. Хоровиц отмечает[144], что кристаллы обладают высокой степенью упорядоченности, способностью к росту и могут воспроизводить самих себя. При этом у них обнаруживается ограниченная способность к мутациям. Она проявляется в том, что в регулярном расположении атомов в крис галле могут возникать дефекты. Некоторые минералы, обладающие слоистой структурой, как, например, глины, способны копировать дефекта! одного слоя в структуре следующего, что можно рассматривать как своеобразную генетическую память. На основании этих свойств кристаллов американский химикА. Г. Керне-Смит предположил, чго жизнь, вообще, началась с кристаллов С другой стороны, обычное пламя также способно к самовоспроизведению посредством искр и дальнейшему росту, а благодаря активному метаболизму оно может длительное время поддерживать себя (свойство самосохранения). То есть пламя обладает свойствами живой сущности. Добавим, что способность к саморазвитию, к эволюции также не является исключительным свойством жизни. Современные теории самоорганизации материи показывают, что саморазвитие является всеобщим свойством материального мира и может проявляться в различных формах при подходящих условиях. В связи с этим воз — никае! вопрос — существует ли принципиальное различие между живой и неживой природой? Один из крупнейших биологов XX века Дж. Холдейн считал, что жизнь и сознание в рудиментарной форме присущи материи, являются ее неотъемлемым свойством: «Мы не находим в том, что называем материей, никакого очевидного следа ни мысли, ни жизни. И потому эти свойства мы изучаем преимущественно там, где они обнаруживаются с наибольшей очевидностью. Но если современные перспективы науки верны, то следует ожидать, что они будут, в конце концов, обнаружены, по крайней мере в рудиментарной форме, во всей Вселенной»[145]. Ту же мысль подчеркивает и Тейяр де Шарцен: «В целостной картине мира наличие жизни неизбежно предполагает существование до нее беспредельно простирающейся преджизни»2 . При таком положении вещей между живой и неживой материей нет непроходимой грани. Дейст вительно, сущностью органической жизнь, ее важнейшим свойством является обмен Он осуществляется посредством сложнейших биохимических реакций. Но ведь химические реакции — пусть более простые — происходят и в неорганической природе. Где же та грань, которая отделяет «живое» от неживого? Говоря о жизни, мы прикасаемся к одной из тех тайн Природы, которые человечество еще не раскрыло. Не случайно некоторые ученые, вообще, отказываются рассматривать какое бы го ни было определение жизни. Так, С. Ф. Лихачев в работе «Основания SET1» характеризует жизнь как «неопределимое понятие, существующее как некоторое свойст во Вселенной»[146].
Важнейшей функцией жизни, о которой не было упомян) то выше, является психическая деятельность. Невозможно представить человека в отрыве, вне его психической деятельности, включающей мир эмоций, процессы мышления и сознания. Если структуру человеческого организма н его физиологические функции рассматривать как внешнюю сторону его жизни, то психическая деятельность будет соответствовать внутренней стороне жизни Хотя психическая активность наиболее выражена у высших форм жизни, какая го примитивная психожизнь должна быть присуща и самым простым формам жизни, составляя их внутреннее содержание. Тейяр де Шардеп рас прос гранил эту дихотомию «внешнее-внутреннее» с феномена жизни на мир неживой (предживой) природы, считая ее неотъемлемым свойством универсума. Ткань универсума, согласно Тейяру, — «двух сторонняя гго самой своей природе», она имеет как внешнюю, так и внутреннюю сторону. Поэтому у каждой вещи имеется не только внешнее, но и сопряженное ему нечто внутреннее. И если внутренней стороной жизни является сознание (Тейяр рассматривает его в наибо лее общем значении, как психику всякого рода от элементарных форм внутреннею восприятия до феномена человеческого мышления), то внутренней стороной преджизни является предсознание. В соответствии с этой концепцией Тейяр считает, что при образовании Земли с самого начала в земной материи была замкнута «некоторая масса элементарного сознания» (точнее надо бьг сказать — предсознания). И если возникновение жизни можно рассматривать как качественный скачок в процессе эволюции преджизии, то возникновение сознания есть качественный скачок в развитии предсознания. Как пред ставить себе этот скачок от предсознания, заключенного в преджиз ни, к сознанию, хотя бы самому элементарному’ Поскольку рудиментарное сознание существует всегда, еще до появления жизни и сознания, то, следовательно, речь идет о скачке между двумя уровнями, двумя ступенями одной сущности.
В будущем, по мнению Тейяра де Шардена, в рамах «расширенной физики» внутренняя сторона вещей будет принята во внимание в той же мере, как и внешняя сторона мира. «Мне каже гея, — пишет он, — иначе невозможно дать связное обьяснение всего феномена космоса в целом, к чему должна стремиться наука»[147]. Ни это дело будущего. Современная наука изучает внешнюю сторону универсума (к внутреннему она лишь робко подбирается). В частности, биология изучает’ внешнюю сторону жизни. Поэтому в дальнейшем, говоря о жизни, мы, по необходимости, будем иметь в виду (если не будет сделано специальных оговорок) именно внешнюю сторону жизни. Это ограничение надо принимать во внимание. Внешнее и внутреннее связаны между собой как форма и содержание. Следова1ельно, мы будем рассматривать мир форм. Рассмотрение естес гвенно начать с земной жизни.
4.2.2. Земная жизнь. Жизнь на Земле предстает перед нами как поразительное многообразие различных царств opi апиьмов, прежде всего растительных и животных, их популяций и видов[148], связанных между собою множеством тончайших связей, благодаря которым биосферу Земли можно рассматривать как единую сложную систему. Эта «живая пленка», покрывающая земной шар тонким слоем, приблизительно в тысячную долю его размеров, необычайно сктивна, она оказывает решающее влияние на формирование наружных слоев Земли. По оценкам В. И. Вернадского, верхние слои земной коры (глубиною в несколько километров) на 99% преобразованы земными организмами. А что касается атмосферы, то ее состав также в значительной мере определяется процессами жизнедеятельности. Если бы какие — то внеземные цивилизации исследовали
нашу планету, они неизбежно должны были бы столкнуться с преобразующим фактором земной жизни. Общая масса «живого вещества» на Земле составляет Ю12 т, а с учетом ископаемого органического вещества (уголь, сланцы нефть, газ и др.), представляющего собой остат ют ранее существовавших организмов, эту величину надо увеличить, по крайней мерс, на несколько порядков, что составляет хотя и малую, но уже заметную долю полной массы Земли.
|
Ядрышко
Рис. 4.2.1. Строение живой клетки
|
|
-Оболочка ядра | Гранулярный
• ндоплазматический ретикулум
|
|
С прикрепленными к нему рибосомами Поверхностная мембрана
|
|
Подсистем, связанных между собой энергетическими и информационными связями. Простейшей ячейкой живого вещества является клетка. Крупные организмы содержат многие триллионы клеток (так, в организме новорожденного человека содержится 2 • 1012 клеток). Клетка — такая же элементарная крупинка жизни, как атом — элементарная крупинка неживой (неорганизованной) материи. Именно с клетки начинается жизнь. И хотя существование вирусов ставит определенную проблему в этом плане, все же именно обра зование клетки отмечает тот рубеж, тот качественный скачок, кото рый отделяет живую систему от предживой. Что же представляет собой живая клетка?
|
Характерной особенностью живого вещества на Земле является то’, что оно состоит из отдельных организмов, каждый из которых представляет обособленную систему со своей собственной структурой, поддерживаемой в процессе метаболизма. В то же время все организмы на Земле так тесно переплетены между собой, что всю систему земной жизни можно рассматривать как единый «сверхорганизм». Земные организмы, в свою очередь, состоят из различных
Строение клетки показано на рис. 4.2.1. Клетка отделяется от внешней среды (в том числе от других клеток) с помошью тонкой оболочки — клеточной мембраны, толщиной не более 10~6 см. Внутренняя среда клетки представляет собой водный раствор различных органических веществ, в сочетании с некоторыми минеральными солями. Эту внутреннюю среду кле/ки (внутриклеточный бульон) называют протоплазмой. В клетках всех организмов, за исключением некоторых простейших (прокариотов), в центре клетки расположено ядро, а окружающая его часть протоплазмы называется цитоплазмой. И ядро, и цитоплазма имеют сложное строение. В ядре расположены хромосомы, содержащие молекулы ДНК, в них заключена наследственная информация организма. В цитоплазме выделяются тонкие волокнистые структуры — митохондрии, в которых протекают химические реакции, обеспечивающие клетку энергией. Кроме того, там содержатся многие другие структуры, называемые органеллами или органоидами, выполняющие различные функции. Полностью структурная организация живой клетки еще не изучена, так как постоянно обнаруживаются все новые и новые компоненты, и, как стгмечает Н. Хоровиц, конца этому не видно. Имея в виду сложную структуру клетки, Тейяр де Шарден характеризует се как «триумф множества, органически собранного в минимуме пространства»[149]. Необходимость в такой сложной структуре станет понятной, если принять во внимание, что клетка представля ет собой миниатюрную, но прекрасно отлаженную автоматически действующую химическую фабрику, в которой протекают разнообразнейшие биохимические реакции. И если внешняя красота природы, красота жизни вызывает восхищение, то и внутренняя i армо — ния клет ки поражает.
Вся физиология живых ор1анизмов: переработка и усвоение нищи, процессы дыхания, образование новых клеток и клеточных компонентов, сокращение мышц, передача нервных импульсов и множество других функций — все это связано с химическими превращениями, протекающими в живых клетках[150]. Земная жизнь основана на соединениях углерода. Здесь природа использовала уникальную способность атомов углерода образовывать д чинные и устойчивые молекулярные цепи, из которых строятся молекулы сложных органических веществ. Именно такие сложные органические молекулы образуют живую клетку. Мир клетки — это мир гигантских молекул Помимо углерода, в их состав входят водород, кислород и азот, а также в меньшем количестве фосфор (и сера).
По своим функциям и составу органические вещества живой клетки разделяются на четыре основных класса: белки, нуклеиновые кислоты, жиры (линиды) и углеводы (к последним относятся сахара, клетчатка и крахмал). Все они, в той или иной степени, участвуют в построении клеточных структур и, кроме того, выполняют разнообразные функции в процессах жизнедея гельности Углеводы и жиры служат для организма «топливом», их молекулы являются источником энергии для протекающих в клет ках биохимических реакций. Белки выполняют очень разнообразные функции. Прежде всего они являются катализаторами всех важнейших химических реакций, в том числе синтеза самих белков. Такие белки — кагализаторьг называются ферментами. В конечном итоге, они контролируют весь тот сложный комплекс процессов, который характеризует жизнедеятельность клетки и благодаря которому она постоянно воспроизводит себя как самосохраняющаяся, устойчивая система Помимо этих функций, необходимых для существования самой клетки, у многоклеточных организмов в клетках вырабатываются белки, которые играют специфическую роль, принимая участие в жизнедеятельности друг их клеток данного орг анизма Так, например, гемоглобин, содержащийся в эритроцитах крови, пере носит кислород от орг анов дыхания к клеткам тканей и участвует в ггереносе углекислого газа к органам дыхания. Белки-гормоны, вырабатываемые в клетках эндокринных желез, оказывая целенаправленное влияние на деятельность клеток других органов и тканей, тем самым, участвую т в регуляции всех жизненно важных процессов в организме. Иммуноглобулины, содержащиеся в плазме крови, обл гдают защитными свойствами и участвуют в создании иммунитета организма. Перечисленными примерами функции белков в организме не исчерпываются. Нуклеиновые кислоты хранят и передают генетическую информацию, в которой записана программа функционирования каждой клетки, они управляют" процессом синтеза белков в клетке
По своему строению молекулы живого вещества относятся к полимерам, они состоят из чередующихся групп атомов (мономеров), связанных между собой в длинные цепи. Мономеры являются, своего рода, строительными блоками этих молекул. К наиболее важным мономерам относятся: аминокислоты, нуклеотиды, сахара и жирные кислоты. Из аминокислот образуются белки, из нуклеоти дов — нуклеиновые кислоты, из Сахаров — углеводы, из жирных кислот — липиды.
Молекула белка состоит из одной или нескольких цепочек аминокислот — полипенгидных нигей. В состав одной ниш типичного белка входят сотни аминокислот. Каждый белок отличается от другого набором аминокислот и порядком их расположения в полипеп — гидной цепи. В природе существует мнсжесгво аминокислот, но только 20 из них (не считая редких исключений; участвуют в построении белков для всех живых организмов на Земле. Обычно в каждой белковой молекуле имеются все 20 аминокислот. Почему природа использовала только 20 аминокислот из множества возможных, остается неизвестным (может быть, для того, чтобы не усложнять генетический код?). Но и этих двадцати различных «кирпичиков» достаточно, чтобы построить великое множество различных белков. Цаже для сравнительно простых молекул, содержащих, скажем, 100 аминокислот, можно построить 20100 различных вариантов, т. е. 20|и0 различных белков! Это невообразимо большое число, намного превышающее полное число атомов в наблюдаемой области Вселенной. Фактически, природа не использует все эти возможности: земные организмы синтезируют не более 100 тыс. типов белковых молекул, но и эта величина характеризует чрезвычайное многообразие белковых соединений, входящих в состав живых организмов.
Свойства белков определяются не только их составом, но и строением, структурой белковых молекул. Полипептидпые нити в белковых молекулах свернуты в сложные трехмерные структуры (кон — фоомации), напоминающие спутанный глубок ниток. Специфические свойс тва белка зависят от характера этой трехмерной структуры. Если разрушить ее, оставив сами аминокислотные цепочки неповрежденными, белок перестает функционировать. Однако такой денатурированный белок обладает способностью при определенных условиях восстанавливать свою трехмерную структуру. При этом и функции его вновь восстанавливаются. Трехмерная конфигурация белковой молекулы определяется последовательностью аминокислот в полипептидной цепи. А эта последовательность кодируется соответствующим геном (см. ниже). Синтез белков в клетках осуществляется с помощью нуклеиновых кислог ДНК и РНК. Чтобы понять, как это происходить, рассмотрим строение их молекул.
На рис. 4.2.2. изображена схема молекулы ДНК. Молекула состоит из двух нолинуклеотидных нитей, закрученных одна вокруг другой наподобии винтовой лестницы, образуя знаменитую двойную спираль молекулярной биологии Нити построены из большого числа нук теотидов. Каждый нуклеотид состоит из сахара дезок — сирибозы (Д), фосфатного остатка (Ф) и одного из четырех азотистых оснований: аде — нина (А), гуанина (Г), цитозина (Ц) и тими — на (Т). Поскольку две первые составляющие (Д) и (Ф) у всех нуклеогидов одинаковы, они отличаются друг от друга только азотистыми основаниями. Остов каждой нити образую, чередующиеся блоки (Д) и (Ф). К молекулам сахара (Д) прикреплены азотистые основания, при этом каждое основание одной нити соединяется со строго определенным основанием другой ниш, образуя мосты или перемычки между нитями. Аденин всегда соединяется с тимином (А-Т), а гуанин — с цитозином (Г — Ц). Последовательность расположения нуклеотидов в поличуклеотидной нити или, иными словами, последовательность азотистых оснований (например: ГГТАТТГТЦ…) составляет содержание генетической информации. Генетическая информация кодируется последовательностью нуклеогидов точно так же, как информация, содержащаяся в письменном тексте, кодируется последовательностью букв. Заметим, что последовательность нуклеотидов в одной цепи ДНК полностью определяет их последовательность в другой цепи, поскольку азотистое основание каждого типа одной цепи может соединяться только с вполне определенным основанием другой цепи.
|
Рис. 4.2.2. Схема строения молекулы ДНК
|
Каким же образом последовательность нуклеотидов в молекуле ДНК кодирует последовательность аминокислот в синтезируемых молекулах белка? Очевидно, каждый отдельный нуклеотид не может использоваться в качеств" элемента кода, так как имеется всего 4 разных типа нуклеотидов, а число кодируемых аминокислот равно 20. Следовательно, должны использоваться комбинации нуклеотидов, отличающиеся типом и порядком расположения входящих в
них азотистых оснований. Если в каждую кодовую группу включить по два нуклсотида, то число возможных комбинаций (из четырех нуклеот идов по два) будет равно 16; этого недостаточно для кодирования 20 аминокислот. При включении в кодовую группу трех нуклеотидов получим 64 различные комбинации: AAA, ААГ. ААТ, ААЦ, . ЦЦЦ Этого уже вполне достаточно и даже с избытком. Природа использовала именно этот простейший трехзначный код: каждая аминокислота кодируется сочетанием трех последовательно расположенных нуклеотидов, образующих кодон. Так, кодон ГГТ кодирует аминокислоту глицин, АТТ кодирует изолейцин, ГТЦ кодирует валин и т. д. Веет имеется 64 кодона, из них 61 кодон используется для кодирования аминокислот, а три кодона, так называемые «стоп-кодоны», определяют окончание синтеза полипеп — тицнпй цепи. Поскольку число кодонов превышает число аминокислот, то для кодирования одной аминокислоты могут использоваться несколько кодонов (например, глицин кодируется четырьмя кодонами: ГГТ, ГГЦ, ГГА и ГГГ), но при этом каждый кодон всегда кодирует только одну строго определенную аминокислоту. Последовательность кодонов, которые кодируют полипептидную цепь какого-то белка, образует ген. Таким образом, каждый ген, представляющий собой определенный участок молекулы ДНК, соответствует определенной полипептидной цепи. Всего в хоомосомах клетки содержатся сотни тысяч генов, при этом типичный ген содержит несколько сотен кодонов. Все живые организмы, все формы жизни на Земле — от чростейшей баюерии до человека — используют оцин и тот же генетический код. Это говорит о единстве и общем происхождении всех форм земной жизни.
Молекула ДНК хранит программу синтеза всех белков, используемых живыми организмами, но сама она непосредственно не участвует в синтезе белка. Синтез осуществляется с помощью молекул рибонуклеиновой кислоты РНК. Молекулы РНК по своему строению очень похожи на молекулы ДНК, только в состав их вместо дизоксирибозы входит дру! ой сахар — рибоза, а вместо тимина — другое азотистое основание: урацил. В синтезе белка участвуют три вида РНК: матричная (или информационная), транспортная и ри- босомальная. На первом этапе синтеза белка в ядре клетки вблизи соответ ствующего участка ДНК ст рои тся молекула матричной РНК, последовательность нуклеотидов в которой точно соответствует копируемому участку ДНК (с заменой тимина на урацил). Таким образом, информация, содержащаяся в ДНК, переписывается на молекулу матричной РНК, этот процесс называется транскрипцией. Затем начинается второй этап — трансляция, в ходе которого последовательность нуклеотидов матричной РНК переводится в последовательность аминокислот в синтезируемом белке. Эта фаза протекает в рибосомах, являющихся теми «цехами» клеточной фабрики, где осуществляется сборка белковых молекул. Поступившая в рибосому матричная РНК входит во взаимодействие с рибосомаль — ной РНК и с ее помощью може г перемещаться относительно рибосомы, наподобие магнитной ленты в лентопротяжном механизме. Перемещение происходит дискретными шагами на величину одного кодона. В фиксированном положении около места сборки останавливается определенный кодон матричной РНК. Сюда прибывают транспортные РНК, каждая из которых несет на себе соответствующую аминокислоту. Та РНК, антикодон которой соответствует кодону матричной РНК, прикрепляется к нему, несомая сю аминокислота соединяется с концом строящейся полипептидной цепи, после чего транспорт нал РНК отщепляется от матричной и отправляется за новой аминокислотой. Матричная РНК перемещается на один шаг, и к месту сборки подходит другой кодон; к нему прикрепляется новая транспортная РНК вместе с несомой сю аминокислотой и т. д. Так в клетке реализуется очень тонкий процесс сборки белковых молекул по программе, записанной в ДНК.
Но это еще не все! Ведь в живой клетке синтезируется множество различных белков. Следовательно, полная программа должна содержать подпрограмму, определяющую порядок работы, когда те или иные гены активизируются в определенной последовательности. Особенно это относится к многоклеточным организмам, у которых в различных клетках вырабатываются разные белки и, следо вательно, в разных клетках должны быть активированы разные гены. Активация тех или иных генов осуществляе тся с помощью особых фермент ов. Именно ферменты помогаю т спирали ДНК раскрутить ся и определяют, какая часть записанной в ней информации будет передана в РНК. Синтез молекул нуклеиновых кислот, как и синтез белковых молекул, зависит от активности множества ферментов, но сами эти ферменты синтезируются по программам, записанным в ДНК. Следовательно, нуклеиновые кислоты и белки образую г взаимосвязанную систему, определяющую функционирование живой клетки. Недаром земную жизнь называют белково-нуклеиновой.
Конечно, сами по себе белки и нуклеиновые кислоты еще не образуют живую систему. Для того чтобы клетка могла функционировать, чтобы могли протекать те множества реакций, которые характеризуют метаболизм клетки, процесс ее жизнедеятельности — необходимо иметь, помимо генетического аппарата, исходное сырье, растворитель и источник энергии. Исходное сырье доставляется в клетку в процессе питания. Растворителем служит вода, на долю которой приходится подавляющая часть вещества клетки (в теле человека 70% по массе). Поэтому земную жизнь называют также водно-углеродной. Источником энергии, как уже говорилось выше, яе Ляются утеводы.
Ушеводы образуются в растительных клетках в процессе фотосинтеза. При этом в качестве сырья используются у1лекислый газ и вода, поступающие в клетку из окружающей срсды Под дейст вием солнечного света из молекул углекислого газа и воды образуется молекула сахара гексозы и молекулы кислорода, которые выделяются в окружающую среду:
Бсо2 + бн2о W ) с6н12о6 + 602.
Энергия солнечного света переходит в энергию химических связей образующейся молекулы углевода. Часть образующихся молекул гексозы используется в качестве исходного материала для био синтеза других органических соединений в растениях, часть при соединении с кислородом (внутриклеточное дыхание) образует углекислый газ и воду:
С6Н[206 + 607 —» 6С02 + 6Н20 + энергия.
Продукты дыхания (углекислый газ и вода) выводятся из клетки, а освобождающаяся энергия, содержавшаяся в химических связях гексозы, используется в протекающих в клетке биохимических реакциях. Таким образом, возникающие в процессе фотосинтеза углеводы являются одновременно и исходным сырьем, и источником энергии для дальнейшего биосинтеза. Так как только часть образующихся углеводов расходуется при дыхании, то общее количе сгво кислорода, выделяемое растениями в процессе фотосинтеза, превышает количество кислороде, поглощаемого ими при дыхании. Избыток кислорода используют для своего дыхания животные. В клетки животных организмов и в те клетки растений, которые не участвуют в фотосинтезе, углеводы поступают в процессе питания. Избыток энергии, освобождающейся в клетке, аккумулируется в молекулах липидов и расходуется организмом по мере необходимое! и
Существенную роль в жизнедеятельности клетки играют клеточные мембраны. Они не только индивидуализируют клетку, отделяя ее от окружающей среды, не только разделяют внутриклеточные структуры, но благодаря избирательной проницаемости регулируют в клетке концентрацию солей, Сахаров, аминокислот и других продуктов обмена.
Лишь в том случае, когда имеются все необходимые компоненты: исходное сырье, растворитель, источник энергии и управляющая система (генетический аппарат), локализованные во внутренней среде, — лишь в этом случае может начать функционировать живая система. При отсутствии одного из компонентов живая система не может быть реализована. Это хорошо иллюстрируется на примере вирусов. Вирусы состоят из нуклеиновых кислот, окруженных белковой оболочкой. Они не могут самостоятельно жить и размножаться вне клетки. Только внедрившись в клетку и используя ее компоненты, ее внутреннюю среду, имеющееся в ней сырье и источники энергии, вирус получает способность размножаться, копируя собственную структуру, т. е обретает черты живой системы. В цепочке, ведущей от предживого к живому, вирусы представляют собой системы, непосредственно примыкающие к живому. Тейяр де Шарден классифицировал их как субживые. Но это еще не жизнь! Жизнь, как уже отмечалось выше, начинается с клетки. Именно клетка образует простейшую живую систему, способную функционировать самостоятельно, поддерживая свою внутреннюю структуру, расти, размножаться и эволюционировать.
Возникает допрос: каким образом информация, управляющая жизнедеятельностью клетки, записывается в генах? При образовании новых клеток, в процессе клеточного деления, каждая молекула ДНК разделяется на две половины по всей своей длине. Затем каждая половина формирует себе другую половину из имеющихся в окружающей среде молекул нуклеотидов. При этом, в силу взаимных связей, присущих азотистым основаниям (А-Е), (Г-П), новые основания присоединяются к старым в той же последовательности, которая была у недостающей половины. Таким образом, каждая половина молекулы ДНК точно воспроизводит вторую половину, так что возникают две двойные спирали, полностью идентичные родительской молекуле. При делении клетки одна из двух образовавшихся спиралей переходит к одной дочерней клетке, а другая —- к другой. В результате дочерние клетей получают генетический аппарат ДНК от родительской клетки, а вместе с ним — программу сборки белковых молекул, позволяющую поддерживать жизнедеятельность вновь образующихся клегок.
При формировании нового организма из зародыша источником генетической информации является ДНК оплодотворенной яйцеклетки, т. е. в конечном итоге — гены родителей. Зафиксированная в них программа жизнедеятельное! и клеток копируется и в готовом виде передается по наследству следующему поколению. Это очень важно, ибо, если бы каждому орг анизму приходилось заново строить для себя программу синтеза необходимых ему белков, т. с. выбирать, в какой последовательности надо соединять аминокислота, чтобы получить нужные белки, — он не смог бы выжить. Итак, генетическая информация переходит от родителей к потомкам на протяжении многих поколений. Естественно спросить: где же первоисточник этой информации, каким образом исходно возник действующий в живой клетке механизм матричного копирования? Но это уже относится к проблеме происхождения жизни.
Итак, генетическая информация на клеточном уровне состоит из закодированной в ДНК комбинации программ, управляющих синтезом большого числа ферментов и других белковых молекул. Но когда мы рассматриваем организм в целом, содержание генетиЧеской информации этим не исчерпывается. Полная npoi раммг. развития организма из зародыша должна содержать не только программу жизнедеятельности каждой клетки, какие бы функции в организме она не выполняла, но и программу дифференциации клеток, построения различных тканей и органов. Как происходит дифференциация, каким образом строится целый opi анизм — это пока не совсем понятно. Не известно даже, как строится отдельная клетка, ведь одно дело сформировать механизм синтеза белков, а другое дело — сконструировать сложную и тонкую структуру клетки с ее многочисленными органеллами. Тем более это относится к многоклеточному организму. Ясно, что программа его построения генетически закодирована, об этом свидетельствует тот факт, что любые изменения в структуре ДНК сказываются на строении организма во всех последующих поколениях. Известно также, что при реализации этой программы важную роль играют ферменты, которые запускают, активизируют или останавливают те или иные процессы. Однако полностью механизм формирования организма, природа действующих здесь управляющих сигналов остаются неизвестными. Это предмет интенсивных биологических исследований. Расшифровав генетический код, наука проникла в одну из сокровенных тайн живой клетки, но до полного понимания феномена жизни пока еще далеко. Возможно, для этого придется обратиться к внутренней стороне жизни, связанной с более тонкими планами бьпия материи.
Механизм воспроизведения, заложенный в ДНК, не только обеспечивает устойчивость организма, сохранение его структуры на протяжении многих поколений, но этот же механизм содержит в себе возможность изменения, развития и, тем самым, создает почву лтя эволюции видов. Как это происходит? Под влиянием внешних факторов, например жесткой радиации или различных химических соединений, могут происходить изменения в структуре ДНК. Такие изменения называются мутациями, Мутации приводят к изменению в последовательности расположения нуклеотидов вдоль цепи ДНК, а следовательно, к изменению последовательности аминокислот в синтезируемой полипептлдной цепи, т. е. к синтезу измененного белка. При действующем механизме передачи наследственной информации с помощью ДНК эти изменения переходят к последующим поколениям организмов. Большинство мутапий либо вредны, либо бесполезны для организма, и в процессе естественного отбора они отсеиваются, так как продолжают развитие только те организмы, у которых мутации оказались полезными. Обычно полезные мутации проявляв >тся не сразу Мутантные организмы могут длительное время существовать в виде небольшого включения в популяцию. Но когда происходят резкие изменения внешних условий, неблагоприятные для всей популяции, проявляется преимущество мутантных организмов. Этот механизм хорошо иллюстрируется на примере распространения новых форм насекомых под влиянием широкого применения токсических веществ Так, у некоторых насекомых возник мутантный фермент, разрушающий ДДТ. Очеьидно, применение этого препарата приводит к вымиранию немутантных особей, в результате сохраняется и получает развитие мутантная форма, нечувствительная к ДДТ То же самое относится к появлению бактерий, устойчивых по отношению к тем или иным антибиотикам.
Подчеркнем некоторые особенности земной жизни. Прежде всего несмотря на чрезвычайное многообразие форм жизни на макроскопическом уровне, — на молекулярном уровне выявляется их полное единство Все живые организмы используют одни и те же 20 аминокислот (из тысячи возможных) для синтеза белковых молекул, у всех организмов этот процесс программируе гея с помо — щыо молекул ДНК, состоящих из одних и тех же четырех видов нуклеотидов, при этом используется универсальный генетический код, устанавливающий соответствие между тройками оснований в молекуле ДНК и аминокислотами в синтезируемой полипептидной цепи. Все многообразие форм живых организмов определяется, в конечном и юге, последовательностью расположения азотистых оснований в молекуле ДНК.
Другой важной особенностью является пространственная асимметрия молекул живог о вещесгва. Дело в том, что некоторые органические соединения, в том числе аминокислоты, могут существовать в двух формах, отличающихся одна от друг ой ориен тацией огдельных группировок атомов в их молекулах: группировка атомов одной формы является зеркальным отображением соответствующей группировки другой формы. Эти формы получили название «левой» и «правой» Так, существуют «левые» и «правые» аминокислоты. По своим химическим свойствам они совершенно идентичны, но поскольку их невозможно совместить, то при синтезе белков они не мог ут заменять друг друга. Если синтез происходит в лаборатории, то все1да в одинаковом количестве присутствуют как «левые», так и «правые» формы. Но белки, входящие в состав живых организмов, относятся только к «левой» форме. Как возникла подобная асимметрия живой субстанции на Земле — этот вопрос остается пока агкрытым. Но как бьг так ни было, всеобщая «левая асимметрия» также свидетельствует о единст ве всех форм земной жизни.
Основная функция живого организма (в отсутствие размноже ния) состоит в поддержании обмена веществ. Кроме того, в орга низме происходит энергетический обмен и обмен информацией между различными подсистемами. Можно сказать, что жизнь есть обмен. В процессе обмена вещество, из которого состоят живые организмы, постоянно обновляется. Одни атомы и молекулы заменяются другими, но ст рукгура жиього организма, его организация, несмотря на эту замену, сохраняется. Именно структура (а не субстанция) организма оказывается наиболее устойчивой; в этом смысле именно она характеризует живой организм в целом, ег о сущ ность Стоит задуматься над таким вопросом. Атомы, из которых состоит тело человека, не стареют и не болеют. Что же стареет в человеке, если атомы его обновляются полностью в течение семи лет? Если материя сама по себе не болеет и не стареет, значит, «расстраивается» структура организма — то, что заставляет все эти атомы работать согласованно. Структура оказывается важнее субстан ции. Это обстоятельство необходимо учитывать при рассмотрении различных форм жизни в космосе.
Наконец, последнее. Основное направление естественных процессов в неживой природе состоит в том, что сложные, упорядоченные структуры постепенно разрушаются, беспорядок возрастает, системы стремятся перейти в наиболее вероятное состояние максимального беспорядка (хаоса). Жизнь, напротив, поддерживает и воспроизводит порядок, создаст сложные упорядоченные структуры (строит полимеры из сравнительно простых молекул, постоянно воспроизводит структуру живой клетки и всего организма). Несмотря на то, что эти структуры представляют собой чрезвычайно маловероятное состояние вещества, жизнь на Земле на протяжении миллиардов лет сохраняет и воспроизводит эти структуры. Более того, в процессе эволюции жизни создаются все более сложные, более упорядоченные формы. Может быть, именно эта «антиэнтропийная» функция составляет главное существо жизни. Два процесса постоянно сосуществуют в природе: созидание и разрушение. Жизнь олицетворяет созидательную функцию Природы.
4.2.3. Происхождение жизни иа Земле. Чтобы судить о распространенности жизни в Космосе, важно уяснить, как возникла жизнь на Земле. Длительное время господствовали представления о непрерывном самопроизвольном возникновении живых организмов из неживой материи — теория самозарождения.
Считалось, что черви, насекомые, жабы и другие существа возникают нз грязи и гниющих продуктов, а мыши, например, рождаются из пшеничных зерен. Эти представления, кажущиеся нам сегодня верхом наивности, были основаны на наблюдениях (разумеется, неправильно не толкованных) и просуществовали около 2 тысяч лет, со времен Аристотеля вплоть до эпохи Возрождения, когда точными опытами (Франческо Рнчи н др.) была доказана нх полная несостоятел1 иость[151].
Вновь эта идея возродилась после открытия микроорганизмов (XVII век; Считалось, что микроорганизмы представляют собой проме жуточное звено между живой и неживой природой и могут самопронэ вольно возникать нз неживого. Специально поставленные опыты с нагреванием питательной среды показали, что уничтоженные при кипячении микроорганизмы через несколько дней возрождались вновь. Обнаружить методическую oi пибку в этих опытах удалось не сразу. Дискуссия о возможности самозарождения жнзин на уровне мнкрооргаииз — Мов длилась целое столетие. В нее были вовлечены такие крупные уче ные, как Ж JI. Гей Люссак, Г. Гельмгольц, Дж Тиндаль и др. И только блестяще поставленные эксперименты Луи Пастера позволили поставить точку в этом вековом споре. Пастер доказал, что причиной, вызывающей рост микроорганизмов в стернльиом бульоне, являются те же самые микроорганизмы, переносимые частицами пыли. Тем самым, он показал, что в мире микробов, как и среди высших организмов, любая форма жизни ведет свое происхождение от родительской формы. Тогда как же появились первые организмы на Земле?
Исследование земных пород показывает, что чем дальше продвигаемся мы в глубь геологической истории, тем более простые организмы встречаются в земных породах. Древнейшие породьг содержат лишь следьг прост ейших микроорганизмов, а еще более древние породы не несут никаких следов жизни. Значит, жизнь на Земле появилась в какой-то момент ее истории. По всем данным это случилось вскоре после сформирования Земли как самостоятельного небесного тела, вероятно, в первые сотни миллионов лет. Как это произошло? Теория биологической эволюции позволяет представить, как из более простых организмов возникли более сложные, но она не даст ответа на вопрос о происхождении жизни. Существует два различных подхода, две точки зрения на эту проблему. Согласно одной из них, жизнь занесена на Землю из Космоса; согласно другой, она возникла в процессе химической эволюции на первобытной Земле.
Идея заселения Земли из Космоса возникла под впечатлением крушения теории самозарождения. Поскольку тщательными экспериментами было установлено, что мертвая материя, сама по себе, не может превратиться в живую[152], то это наводило на мьгель, что жизнь никогда и нигде не возникает, она существует вечно, наподобие материи или энергии. «Зародыши жизни», блуждая в мировом пространстве, время от времени попадаю г на подходящую по условиям планету и там они дают начало биологической эволюции. Таких взглядов придерживались, в частности, крупнейшие естествоиспытатели XIX века Г. Гельмгольц и У. Томсон. «Жизнь порождается только жизнью и ничем, кроме жизни», — говорил У. Томсон[153]. Он считал, что во Вселенной существует множество населенных миров, которые время от времени разрушаются, а их обломки рассеиваются в пространстве. Поэтому существует бесчисленное множестве» метеоритов, несущих семена жизни. Попадая на подходящие планеты они становятся естественной причиной возникновения на них жизни. Отметим, что спустя почти 100 лет, в 60-х годах XX века, в связи с исследованием углистых хондритов среди специалистов разгорелась жаркая дискуссия по поводу обнаружения в них внеземных микроорганизмов.
В начале XX века представления об «опылении» планет из Космоса были развиты и тщательно разработаны известным шведским химиком Сванте Аррениусом (1859-1927). Он считал, что споры бактерий могут уноситься с поверхности обитаемой планеты под действием электростатических сил, а затем выталкиваться за пределы планетной системы силой светового давления. Блуждая в космическом пространстве, споры могут осесть на поверхность более массивных пылинок. Это дает им возможность при прохождении вблизи какой-то звезды преодолеть ее световое давление и проникнуть во внутренние области планетной системы, где пылинка со спорами может быть захвачена одной из планет. Таким образом, живая материя может переноситься через межзвездное пространство от звезды к звезде, от одной планетной системы к другой. Споры легко переносят холод космического пространства, им не страшен и господствующий там вакуум. Свою теорию Аррениус назьал панспермией. На основании этой теории он считал, что все живые существа во Вселенггой должны быть химически родственны.
Теория панспермии опирается на представления о вечности жизни. Во времена Гельмгольца, Томсона и Аррениуса эти пред ставления казались вполне естественными, ибо Вселенная в целом считалась вечной и неизменной. Отдельные миры в ней возникали и разрушались, но сама Вселенная вечно оставалась такой, как она есть, и в ней вечно (на тех или иных мирах) могла существовать жизнь. Однако исходя из современных представлений об эволюции горячей Вселенной и ее возникновении из сингулярного состояния, жизнь (по крайней мере, в ее молекулярной форме) не могла существовать в ранней Вселенной, когда не было ни атомов, ни молекул. Следовательно, если даже теория панспермии может объяснить происхождение жизни на той или иной планете (например, на Земле), она оставляет открытым вопрос о том, как же первоначально возникла жизнь во Вселенной — на каких-то пер — вомирах, откуда она начала потом свое распространение Ниже мьг еще вернемся к этому вопросу.
Друюя трудность, с которой сталкивается теория панспермии, связана с неблагоприятными факторами космического пространства: ультрафиолет (УФ), жесткая (рентгеновская) радиация и кос мические лучи. Во времена Аррениуса эти факторы были плохо известны или неизвестны вовсе. Современные данные показывают, что незащищенные споры вряд ли выдержат путешествие через меж звездное пространство, хотя их приспособительные способности полностью не изучены (например, на Земле были обнаружены бактерии, выдерживающие дозу радиации в миллион рентген). Наиболее опасно, по крайней мере для земных микроорганизмов, ультра фиолетовое излучение. Дж. Гринберг и П Вебер провели эксперименты, в которых они подвергали споры Bacillus subtilis УФ-облучению в вакууме при температуре подложки 10 К На основе этих экспериментов было найдено, что в условиях межзвездной среды 90 % незащищенных спор должно погибнуть в течение 150 лет. Отмстим, что этого времени вполне достаточно, чтобы оставшиеся 10 % могли покинуть плане гную систему. Кроме того, УФ-излучение легко экранируется, поэтому микроорганизмы могут сохраняться даже на поверхности очень малых частиц космичес кой пыли. Защита спор оболочкой из межзвездных пылинок, как считают Гринберг и Вебер, значительно повышают их шансы на выживание, особенно на наиболее опасном участке подлета к звез де. Но соединение споры с част ицами космической пыли (оседание на эти частицы), согласно Аррениусу, как раз и является необходимым условием для преодоления светового давления и проникновения на поверхность «опыляемой» планеты. Поэтому возможность переноса микроорганизмов с помощью метеорных частиц не следует сбрасывать со счета. Выть может, какую то роль в этом процессе могут сыграть также метеоры и кометные ядра, блуждающие в межзвездном пространстве. Во внутренних частях этих достаточно массивных тел живые организмы надежно защищены и от ионизирующей радиации, и от УФ излучения. Основная проблема, по мнению академика А. А. Имшенецкого, состоит в возможности очень длительного сохранения клеток в состоянии глубокого анабиоз? Некоторые косвенные соображения, полагает он, такие как «старение белка», отсутствие абсолютно герметичных оболочек клеток и др., делают подобный анабиоз маловероятным Этот вопрос оста ется пока открытым.
Существуют, однако, данные, указывающие на то, что жизнь не была занесена на Землю из Космоса. Дело в том, что, помимо основных элементов, таких как водород, углерод, азот, фосфор, сера и др., в состав земных организмов входят в совершенно ничтожном количестве так называемые «следовые» элементы: молибден, марганец, кремний, фтор, медь, цинк и др. Так вот, концентрация этих следовых элементов в бактериях, грибах, растениях и сухопутных животных тесно коррелирует с их концентрацией в морской воде. По мнению Д. Голдсмита и Т. Оуэна, это указывает на то, что жизнь на нашей планете возникла в земных морях, а не была занесена из Космоса, где относительное содержание следовых элементов могло быть совершенно иным.
Критикуя теорию панспермии, Тейяр де Шарден писал: «Зачем искать какие-то непонятные оплодотворяющие начала для нашей планеты в космическом пространстве? Сама молодая Земля по сво ему первоначальному химическому составу в целом и есть ют чрезвычайно сложный зародыш, который нам нужен. Если можно так выразиться, Земля несла в себе преджизнь врожденно…»226. Каким же образом из этого зародыша развилась жизнь, как возникла она из неживой (прдцживой; материи? Имея в виду химический состав земной жизни, этот вопрос можно свести к следующему: каким образом на Земле возникли сложные органические молекулы и как они смогли сформироваться в живые системы? Изучением этой проблемы и занимается теория химической эволюции.
Прежде всего возникает вопрос: почему живые организмы не образуются из неживой материи в настоящее время’ Один из самых простых доводов состоит в том, что уже развившаяся на Земле жизнь не дает возможность новому зарождению жизни, так как микроорганизмы и вирусы, по образному выражению И. С. Шкловского, «буквально съедят первые ростки новой жизни». Фактически, до этого дело не доходит, так как условия на современной Земле исключают возникновение на ней жизни. На это обратил внимание А. И. Опарин (1894-1980) еще в 1924 г.; он указал, что синтезу органических веществ пре. ытствует свободный кислород, имеющийся в избытке в земной атмосфере, поскольку он активно вступает в реакцию с углеродными соединениями, окисляя их до углекислого газа. Последующие лабораторные эксперименты подтвердили, что в богатой кислородом среде не могут спотанно возникать химические соединения, входящие в состав живых организмов. Каковы же были условия на первобытной Земле и в какой мере они способ-
22,1 Тейяр де Шард°.н Указ соч, с. 66-67.
Ствовали происхождению жизни? В этом вопросе нет полной ясности. Существует несколько различных моделей первобытной атмосферы Земли.
Одна из первых моделей была разработана в 1950-х годах известным американским геохимиком и планетологом Гарольдом Юри (1893-1981). Исходя из общей картины формирования Солнечной системы, он полагал, что состав первичной атмосферы Земли должен соответствовать составу того It рого, т л а н етно го облака, из которого образовалась Солнечная система. Поскольку самым обильным элементом в проюпланетном облаке был водород, то атмосфера Земли должна была состоять в основном из простейших соединений водорода с другими наиболее обильными элементами: молекулярного водорода Н2, воляного пара Н20, метана СН4 и аммиака NH3. Такой состав имеют нынешние атмосферы нланет — гш антоь На Земле свободный водород в дальнейшем улетучился в межпланетное пространство, однако в первичной атмосфере он присутс гвовал в большом количестве. Такую атмосферу, содержащую большое количеово водорода, называют восстановительной. Представление о восстановительном характере первобытной атмосферы получило широкое признание. Еще раньше Опарин высказал предположение, что химические реакции в восстановительной атмосфере должны были привести к образованию сложных органических соединений, на основе которых возникли первые живые существа.
Чтобы проверить это предположение, Г. Юри и его аспирант С. Миллер поставили свой знаменитый опыт, который положил начало экспериментальному исследованию процесса происхождения жизни. В колбе воды над столом они поместили смесь газов, соответствующую составу первичной атмосферы: Н2, Н20, СН4, NH3; через эту смесь пропускался электрический разряд, который служил источником энергии. Через несколько дней в колбе с водой были найдены органические вещества. Химический анализ смеси дал волнующий результат — среди продуктов реакции оказались биологически важные соединения, в том числе четыре аминокислоты, входящие в состав белков — глицин, аланин, аспаргиновая и глутами — новая кислота. В дальнейшем анало1 ичные эксперименты были проведены многими другими исследова. елями. Использовались различные источники энергии: УФ излучение, ударные волны, радиоактивный распад. Во всех случаях возникали биологически активные соединения, включая аминокислоты. При использовании в каче — ствс ис гочника энергии УФ-излучения наибольший выход аминокислот был получен, когда в смесь., предложенную Юр и, добавляли сероводород (H2S). В этих экспериментах были получены также простейшие жирные кислоты: уксусная, муравьиная и пропионова!. Важнейшими промежуточными продуктами синтеза являются цианистый водород (HCN) и формальдегид (НСНО). В серии последующих реакций цианистый водород образует азотистые основания, а формальдегид — сахара. Таким путем были сит езированы четыре основания РНК (аденин, гуанин, цитозин, урацил) и различные сахара, включая рибозу, которая входит в состав РНК; однако до сих пор не удалось синтезировать тимин, входящий в состав молекулы ДНК вместо урацила.
Эти успехи в какой то мере были поколеблены, когда появились новые данные о составе первичной атмосферы. Основанием для пересмотра модели Юри послужило исследование распространенности инертных газов: неона, аргона, криптона и ксенона. Оказалось, что относительное обилие этих газов (по отношению к другим элементам) на Земле в миллионы раз меньше, чем на Солнце. Поскольку они не вступают ни в какие соединения и достаточно тяжелы для того, чтобы улетучиться из земной атмосферы (крип тон и ксеьон, например, тяжелее железа), то их обилие на Земле сейчас должно соответствовать их обилию в протопланетном облаке — если бы первичная атмосфера Земли сформировалась из него. Но так как этого нет, так как обилие благородных газов намного меньше, то ясно, что земная атмосфера не могла быть «захвачена», не могла образоваться непосредственно из протопланетног о облака.
О л на из альтернативных моделей исходит из того, что первичная атмосфера образовалась из твердого вещества, богатого летучими элементами (водород, кислород, углерод, азот), которые присутствовали в нем в связанном виде, в составе молекул, содержащих эти элементы. По своему составу такое вещество напоминает вещество некоторых метеоритов и комет, еще сегодня существующих в Солнечной системе. При формировании Земли, на заключительной стадии ее образования, частицы вещества, богатого летучими элементами, сталкиваясь с Землей и нагреваясь при соударении, теряли летучие элементы. Так могла образоваться слабо восстановительная атмосфера, содержащая войной пар (Н20), азот (N2), окись углерода (СО) и углекислый газ (С02), а также небольшое количество водорода Н2. Геологические данные свидетельствуют в пользу такой слабо восстановителт ной первичной атмосферы.
Наконец, еще одна модель исходит из того, что Земля сформи ровалась, вообще, без всякой атмосферы только из твердых матери алов. Атмосфера возникла позднее, вследствие дегазации, т. е. выделения газов из земной коры, разогретой за счет распада коротко живущих радиоактивных изотопов. Этот процесс должен был привести к формированию такого же состава атмосферы, как и в предыдущей модели: Н20, N2, СО, С02. Что касается водорода, то земное тяготение не в силах удержать его и он со временем улетучивается из атмосферы.
Новые модели первичной атмосферы не закрывают пугь к синтезу органических соединений Эксперименты показали, что и в слабо восстановительной атмосфере, содержащей мало свободного водорода, также могут возникать сложные орг анические молекулы. В некоторых экспериментах водород, вообще, не включали в смесь газов. В одном из таких экспериментов было получено 12 аминокислот (из тех 20-ти, что входят в состав белковых молекул). Таким образом, многочисленные эксперименты но абиогенному синтезу продемонстрировали возможность образования основньгх классов биологически важных соединений — мономеров, которые служат строитель — ньгми блоками для пост роения более сложных молекул (гголимеров). При этом, как выяснилось, совершенно не обязательно, чтобы процесс проходил в чрезвьгчайно бог атой водородом (сильно восстановительной) среде, которая соответствует опытам Миллера-Юри. Достаточна и слабо восстановительная атмосфера, лишь бьг она не была окислительной. То есть наиболее существенное требование состоит в отсу. сгвие свободного кислорода в атмосфере. В богатой кислородом атмосфере не могут самопроизвольно синтезироваться органические соединения, входящие в сосгдв живых организмов. Впрочем, существуют, по крайней мере, два источника органических соединений, которые не зависят от состава атмосферы.
Один из них был указан советским биофизиком Л. М. Мухиным — это подводные вулканы. Они поставляют одновременно и исходное сырье, и энергию, необходимую цля синтеза органических соединений. В зоне действия подводного вулкана выделяется большое количество таких газов, как: СО, СН4, NHS, С02, Н20, Н2, H2S и др. Реакции, ггроходящие между ними в условиях высоких температур и давлений, приводят к образованию цианистого водорода и формальдегида, которые являются предшественниками биологически важных органических веществ (мономеров). Образу ющиеся в процессе извержения твердые частицы могут высгупап> в роли катализаторов, а в дальнейшем они способствуют полимеризации образующихся органических соединений (см. ниже). Действующий в районе подводных вулканов механизм образования сложных соединений не зависит от состава атмосферы.
Еще один не зависящий от атмосферы источник возвращает нас в Космос — это кометы и метеоры. В составе комет имеются простейшие углеродные соединения, такие как СН, CN, СО, С02, а также вода, аммиак, цианистый водород, т. е. как раз те вещества, которые являются исходными для синтеза более сложных органических соединений. При столкновении кометных ядер с первобытной Землей эти вещесгва могли поступать в атмосферу и на поверхность, 0601 ащая их первичными органическими соединениями. Не исключено, что в составе комет есть и более сложные соединения, включая аминокислоты. В. Г. Фесенков рассматривал столкновения Земли с кометами, как один из важнейших источников поступления органических соединений. К сожалению, его работы в то время (1950-1960-е годы) не привлекли должного внимания. Но спустя несколько десятилетий этот механизм стал активно изучаться многими исследователями. По оценкам Дж. Гринберга и В. Схутте (1984 г.), ядро массивной кометы, столкнувшись с Землей, может внести на се поверхность такое количество органической материи, которое по порядку величины сравнимо со всей нынешней земной биомассой. Это могло бы (отмечают они) вызвать вспышку химической активности и послужить толчком к зарождению жизни.
Среди метеоритов наибольший интерес, применительно к обсуждаемой проблеме, представляют так называемые углистые хонд — риты. Это класс каменных метеоритов, отличающихся повышенным содержанием углерода. Еще в первой половине XIX века в составе углистых хондритов были обнаружены органические вещества. Природа их длительное время оставалась неизвестной, так как всегда очень трудно отделить органические соединения, входящие в состав самого метеорита, от «загрязнений», приобретенных при его полете в атмосфере, ударе о поверхность и, наконец, при сборе образцов метеорита. Поэтому сообщениям об обнаружении органических соединений в метеоритах обычно не придавалось большого значения. Интерес к этой проблеме возрос после того, как в 1960 г. Мелвин Кальвин и Сьюзен Вон доложили об обнаружении в метеорите Мюррей (упавшем в 1950 г. в штате Кентукки, США) довольно сложных органических соединений — высокомолекулярных парафиновых углеводородов, похожих по составу на нефть а также вещества, напоминающего цитозин. Эта работа вызвала очень жаркую дискуссию. В 1961 г. цругая группа американских ученых исследовала метеорит Оргейль (упавший во Франции в 1868 г.), в котором ранее было обнаружено вещество, похожее на углеводороды. Они подтвердили этот результат и показали, что некоторые углеводороды содержат цепочки из 29 атомов. Несмотря на то, что сами исследователи исключали возможность «загрязнения» земными образцами, вопрос оставался открытым.
Проблему удалось решить лишь после того, как в 1970-х годах был исследован с применением более совершенных аналитических методов метеорит Мерчисон, упавший в Австралии в 1969 г. В составе этого метеорита было обнаружено 16 аминокислот; из них только 5 относятся к числу тех, из которых конструируются белковые молекулы, а остальные 11 относятся к тем аминокислотам, которые не входят в состав живых организмов на Земле. Впоследствии число обнаруженных аминокислот было доведено до 50 и оказалось, что только 8 из них входят в состав белковых молекул. Далее, как показал анализ, в метеорите Мерчисон в одинаковом количестве встречаются и левые, и правые молекулы. Все это указывает на небиологическое (а значит, внеземное) происхождение аминокислот в метеорите Мерчисон. В нем были найдены также азотистые основания: аденин, гуанин, урацил и другие углеродные соединения. Исследование изотопного состава показало, что отношение изотопов углерода |2С и |3С отличается от их отношения в земных организмах, что также свидетельствует о внеземном происхождении углеродных соединений в этом метеорите. Впоследствии аминокислоты были обнаружены также в метеорите Мюррей. Кроме того, в углистых хондритах были найдены жирные кислоты и другие биологически важные молекулы.
Таким образом, дискуссия об ор1анических соединениях в метеоритах (очень острая в первые годы становления проблемы SETI) завершилась признанием их абиогенного, внеземного происхождения. Однако к моменту, когда это было установлено, острота проблемы уже спала. Это связано с обнаружением методами радиоастрономии органических молекул в межзвездных газопыле — вых облаках (см. п. 2.1.4); среди них: аммиак, цианистый водород, формальдегид, ацетальдегид, цианоацетилен и вода, т. с. тс молекулы, которые в лабораторных опытах по моделированию химической эволюции рассматриваются как предшественники аминокислот, нуклеотидов и углеводов. Эти Oticdi тгия, в сочетании с обнаружением органических веществ в кометах и метеоритах, свидетельствуют о том, что повсюду во Вселенной (по крайней мерс, в нашей Галактике) в широких масштабах происходит синтез биологически важных соединений, в том числе основных мономеров генетической системы. Как подчеркивает Н. Хоровиц, этот процесс представляет собой явление космического масштаба. Поэтому не исключено, что органические соединения (по крайней мере, часть из них), которые легли в основу первых живых организмов, имели внеземное происхождение. Вещество метеоритов и комет, падавших на первобытную Землю, могло послужить источником органических молекул и, тем самым, ускорить процесс химической эволюции на Земле Так или иначе, но образование основных строительных блоков биохимии, в свете современных данных, не представляет собой серьезную проблему. Но это лишь первый uiai на пути к жизни. Следующий шаг должен состоять в полимеризации — образовании полимеров, молекулы которых входят в состав живой клетки.
Этот процесс, по видимому, протекал в первобытном океане, который представлял собой довольно насыщенный раствор орга нических соединений (первичный бульон), а также в более мелких водоемах. Но как это происходило? При синтезе полимеров на каждом этапе к растущей цепи присоединяется очередной мономер. При этом потребляется определенная энергия и выделяется молекула воды. В живой клетке специально вырабатываются богатые энергией молекулы, и, кроме того, весь процесс протекает под контролем соответствующих белков-ферментов, которые не только ускоряют реакции, но и устраняют ненужные молекулы В «первичном бульоне» отсутствовали ферменты, под действием которых могли синтезироваться нуклеиновые кислоты, и отсутствовали эти кислоты, которые управляют синтезом белков ферментов. При этом необходимые для синтеза молекулы составляли только часть (и вероятно, не очень значительную) общего количества растворенных органических соединений. Как при этих условиях могли образоваться первые полимеры — остается не ясным.
Как ни странно, важную роль в этом процессе могла сыграть обыкновенная г лина, имеющаяся у берегов и на дне водоемов. Частицы глины обладают высокой абсорбционной способностью, что позволяет, с одной стороны, увеличивать концентрацию оседающих на них органических соединений, а с др5 той, — удалять лишние молекулы, в том числе образующиеся прч полимеризации молекулы воды. Кроме того, структура атомных решеток в глинистых минералах могла бы послужип> в качества матриц д, тя упорядочения органических молекул Действительно, эксперимент ы показали, что некоторые глинистые минералы способствуют полимеризации, помогая высграивап> в цепочки отдельные мономеры. И все же образование полимеров в первобытных водоемах остается пока одной из величайших загадок.
Следующая проблема — образование внутренней среды живой клетки. Если в растворе каким-то образом сформировались органические полимеры, то при достаточно высокой концентрации они, как показывают исследования, будут объединяться в крупные молекулярные агрегаты, насчитывающие сотни тысяч молекул. Такие агрегаты выделяются из раствора в виде коацерватных капель. При наличии подходящих молекул коацерватные капли окружаются мемЬраной. В результате образования коацерватных капель в первобытном океане в них могли сконцентрироваться почти все присутствующие в океане белковые молскуло1 и другие полимеры, а в окружающей среде остаться только сравнительно простые низкомолекулярные соединения. По мнению академика А И. Опарина, коацерватные капли могли послужить прообразом живой клетки. Внутри таких капель протекают простые хими ческие реакции. При этом они обладают способностью улавливать и впитывать необходимые вещества из окружающего их низкомолекулярного раствора. В этой способности Опарин видит зачатки обмена веществ, характерного для живой клетей. Возможно, образование коацерватных капель, действительно, сыграло определенную роль на пути формирования жизни, и все-таки коа- церватная капля — это еще не клетка с ее очень тонкой структурой и организацией. Чтобы из коацервагной капли сформировать клет ку. в нее, образно говоря, надо вдохнуть душу. Прежде всего надо создать и поместить внутри клаки прекрасно отлаженный механизм наследст венности. Каким образом появился этот механизм — остается совершенно неясным Если бы даже каким-то чудом в первобытном океане возникла настоящая молекула ДНК, вполне подобная современной, она была бы совершенно беспомощна; ведь, как мы уже не раз отмечали, молекула ДНК функционирует лишь при наличии белков-ферментов. Мы уже не говорим о необходимости иметь в дополнение к ДНК несколько видов РНК и такие клеточные структуры, как рибосомы. Возникновение механизма наследственности, по-видимому, является центральной проблемой происхождения жизни на Земле.
И. С. Шкловский выделяет в этом процессе следующие этапы:
1) эголюция малых молекул (образование мономеров);
2) образование полимеров;
3) возникновение каталитических функций;
4) самосборка. молекулы;
5) возникновение мембран и доклеточная организация,
6) возникновение механизма наследственности;
7) возникновение живой клетки.
В настоящее время мы достаточно ясно представляем себе только первый этап и в какой-то мерс приблизились к пониманию второго. Все остальное остается совершенно неясным. Несмотря на казалось бы большие успехи, нау ка все еще очень далека от понимания процесса происхождения жизни. Складывается впечатление, что чем больше мы узнаем о гайнах живой клетки, тем меньше понимаем, как могло возникнуть это чудо природы Крупнейший россий ский ученый академик Б. И. Вернадский подчеркивал, что отсутствие перехода от неживого вещест ва к живому — это не гипотеза и не теоретическое построение, а обобщение, основанное на эмпи рических данных. Он считал, что жизнь во Вселенной существует вечно и привнесена на Землю из Космоса.
В последнее время под влиянием отмеченных трудностей интерес к панспермии возрождается вновь. При этом, наряду с анализом классическо1 о варианта теории, предложенного Аррениусом, была выдвинута идея о направленной панспермии, согласно кото рой жизнь занесена на Землю нз Космоса, но не случайно, а в результате сознательной деятельности высокоразвитых внеземных цивилизаций. Наиболее полно эта идея была обоснована Ф. Криком и Л. Оргелом в 1973 г., хотя и раньше подобные мысли высказывались другими учеными, например, Дж Холдейном, а еще раньше К. Э. Циолковским[154]. В отличие от своих предшественников, которые исходили из общих умозрительных соображений. Крик и Оргел пытались обосновать гипотезу панспермии с биологических позиций. Одним из важнейших аргументов в пользу направленной панспермии они считают универсальность генетического кода Ведь в условиях спонтанною возникновения жизни путем химической эволюции множества молекул можно ожидать образования opi аниз — мов с различными системами генетического кода. Между тем, известно (мы уже упоминали об этом), что все живые организмы на Земле — от бактерий до человека — используют один и тог же универсальный генетический код.
Выше отмечалось, что данные о концентрации следовых элементов в живых организмах как будто указывают на то, что жизнь возникла на самой Земле (хотя мы и не знаем, как это произошло). Возможно, направленная панспермия, если она действительно име — е L месго, осущ хтвляется на уровне пр щжизни, т. с. переносится лишь управляющая программа, а для построения «тела» клетки используются те элементы, которые имеются в окружаюшей среде. Это могло бы объяснить корреляцию содержания следовых элементов в живых opi анизмах и в морской воде.
Более важным для теории панспермии является вопрос: как возникла жизнь в тех мирах, откуда она начала свои распространение? Как первоначально возникла жизнь во Вселенной? Это вновь возвращает нас к проблеме вечности жизни. Несомненно, жизнь, в той или иной конкретной форме, возникает на определенном этапе эволюции Вселенной и существует в течение определенного ограниченного времени. Но формы жизни мо1ут сменять друг друга, эголюционируя вместе с развитием Вселенной в бесконечных цик лах ее расширения и сжатия. Когда очередная вселенная возникает из вакуумной пены, в ее зародыше, возможно, уже содержится про — фамма се дальнейшего развития, включая и образование жизни. В течение какого-то времени она существует в потенциальном виде, на уровне преджизни, а затем (подобно зерну, попавшему в благоприятную почву и завершившему подготовительный период) «прорастает» к активной форме. Каг это происходит, как совершается переход от преджизни к жизни — мы пока, к сожалению, не знаем.
4.2.4. Химия и физика чужой жизни. До сих нор речь шла о жизни на Земле. Теперь, опираясь на данные о земной жизни, мы должны обсудить вопрос о возможных формах жизни в Космосе. Этот вопрос имеет две стороны: физические основы и химические формы жизни. Жизнь на Земле построена на молекулярной основе. Можно думать, что жизнь за ее пределами, по крайней мере определенный тип внеземной жизни, также имеет молекулярную при роду. Остановимся прежде всего на молекулярной жизни Химический состав и строение молекул, лежащих в основании чужой жизни, вообще говоря, может отличаться от земных. Следовательно, можно говорить о различных формах молекулярной жизни, о различной химии жизни.
Живые существа на Земле на 95 % состоят из водорода, кислорода, углерода и азога. Но это (не считая гелия) как раз самые распространенные элементы во Вселенной[155] Поэтому весьма вероятно, что они входят также и в состав внеземных организмов. Если это гак, то внеземная жизнь, как и жизнь на Земле, будет основана на углеродных соединениях. Именно углерод в этом случае составит основу (каркас) внеземной жизни. В пользу такого заключения говорит и обилие органических соединений в межзвездной среде, в том числе достаточно сложных соединений. Вряд ли это обстоятельство является случайным, и готовые биохимические блоки не находят себе дальнейшего применения. Можно думать, что в определенных условиях, на определенном этапе, действительно, возникает жизнь, основанная на углеродных соединениях. Но это, конечно, не означает, что живая материя всюду состоит точно из таких же молекул, как на Земле. Прежде всего для построения внеземных белков могут использоваться другие аминокислоты, отличные от тех 20 и аминокислот, которые входят в состав земных организмов. Генетические системы внеземной жизни также не обязательно должны быть химически идентичны нашим. Возможно, что в состав внеземных организмов не входят известные нам белки, ДНК и РНК. Но в таком случае там должны быть молекулы, выполняющие аналогичные функции.
Следующий вопрос связан с природой растворителя. Земная жизнь в качестве растворителя использует воду. Это сразу определяет температурный диапазон земной жизни: от 0 до 100 °С. Возможны ли другие типы растворителя? Надо сказать, что вода — это уникальное вещество, обладающее очень ценными свойствами. Прежде всего она прекрасно растворяет разнообразные органические соединения. Далее, вода обладает высокой теплоемкостью и высокой теплотой парообразования. Это позволяет, с одной стороны, сглаживать резкие изменения внешней температуры окружающей среды, а с другой, — регулировать внутреннюю температуру организма путем отвода тепла, выделяемого вну три клетки, за счет испарения небольшого количества водьг. Имеет значение и высокое повеохностное натяжение воды: в живой клетке оно способствует концентрации твердых веществ вблизи мембраны. Этим уникальные свойства воды не исчерпываются. Тем не менее она не является единственно возможным растворителем.
Хорошо растворяет органические вещества также аммиак, который и по другим свойствам приближает :я к воде. По составу органические соединения, растворимые в аммиаке, отличаются от привычных нам «водноуглеродных». Чтобы установить соот ветствие между ними, надо заменить в обычных органических соединениях кислород на аминовую группу NH, а гидроксильную группу ОН заменим, на амин NH2. Так, эт иловому спирту С2НчОН буде т соответствовать соединение C2H5NH2. Таким способом можно построить аналоги обычных аминокислот и аналоги состоящих из них белковых соеди нений. Так же могут бьпь построены аналоги ДНК и РНК с их кодом наследственности. Если такие аммиачные организмы существуют, то процессы метаболизма в них отличаются от метаболизма земной жизни. Земные организмы пьют воду и дышат кислородом, а «аммиачные» организмы пыот аммиак и дышат азотом При нормальном давлении аммиак сохраняется в жидком состоянии в интервале температур от -70 °Сдо-33 °С. Следовательно, аммиачная жизнь можеч существовать только при очень низкой температуре. В Солнечной системе подобные условия могут иметь место в атмосферах пла — нет-гигантов, где имеется и достаточное количество аммиака. В настоящее время нет никаких данных о существовании аммиачной жизни, но принципиально такая возможность существует.
Кроме аммиака и воды в качестве возможных раст ворителей рассматривались метиловый спирт, фтористоводородная кислота (HF) и цианистый водород. Считается, что использование их в качестве растворителя маловероятно, но полностью исключить такую возможность мы не можем. Отметим, что метиловый спирт сохраняется в жидкой фазе при весьма широком диапазоне температур — от -94 °С до + 65 °С, что соответственно расширяет возможности «ме- тилово-углеродгюй» жизни
До сих пор речь шла о различных формах углеродной жизни. Но нельзя ли еще больше расширить ее возможности (и диапазон условий существования) за счет перехода к неу1леродным формам? Конечно, использование углерода в качестве основного элемента жизненно важных молекул является не случайным. Выше мы уже говорили о тех свойствах углерода, которые используются при построении биохимических соединений. Благодаря своим химическим свойствам (наличию сильных ковалентных связей) углерод спо — собсн образовывать длинные молекулярные цепи, создавая практически неисчислимое множество сложных и вместе с тем стабильных молекул. Более того, поскольку ковалеитные связи имеют пространственную ориентацию, углеродные цепи формируются в пцантс — кие трехмерные структуры, которые характерны для активной фазы жизненно важных молекул. Атомы углерода образуют «несущий каркас» (скелет) эти) прос гранственных конструкций. Существуют ли другие элементы с подобными свойствами?
Ближайшим к углероду четырехвалентным элементом является кремний. В периодической системе элементов Менделеева он расположен в одной группе с углеродом, непосредственно под ним. Обилие кремния во Вселенной меньше, чем углерода, но все же он достаточно распространенный элемент; на Земле, например, его много больше, чем углерода. Можно ли на основе кремния построил длинные молекулярные цепи? Связь между атомами кремния приблизительно вдвое слабее, чем между атомами углерода. Но главное не в этом; главное в том, что связь кремний-кремний много слабее связи кремний-кислород и кремний-водород. Поэтому длинные цепочки, основанные на структуре —Si—Si—Si—, создать сложно. Но эта трудность не является непреодолимой. Оказалось, что можно создать кремниевые полимеры на основе кремний-кислоро тных связей, т. с. на основе цепочки: — oi-O-S — О-, где атомы кремния чередуются с атомами кислорода. Такие полимеры (силоксаны) стабильны и могли бы послужить основой «кремний органической» жизни.
В условиях относительно низких температур, которые господствуют на поверхностях планет, кремний органическая жизни не может возникнуть. Этому препятствует чрезвычайно сильное сродство кремния к кислороду. При температуре меньше 1000 К даже в очень богатой водородом восстановительной атмосфере кремний вместо того, чтобы соединиться с водородом и образовать силан SiH4 (аналогичный метану в химии углеродных соединений), соединяе гея с кислородом, присутствующим пусть в самом ничтожном количестве, и образует двуокись кремния Si02. Однако при высокой температуре, больше 1000 К, простейшие кремний-органические соединения, такие как силан, все же образуются. Наряду с другими кремний- водородными соединениями они могут стать исходным материалом для образования более сложных кремний-органических молекул. Следовательно, жизнь на основе кремния может возникнуть только в условиях высоких температур, которые имеют место в атмосферах звезд или в недрах планет. В связи с этим невольно возникает вопрос: может быть, не так уж не правы были те ученые, которые допускали возможнос. ь существования жизни на Солнце? Конечно, с нашей обычной точки зрения, это совершенно экзотические формы жизни.
Большинство специалистов все же скептически относятся к возможности существования жизни на кремниевой основе, полагая, что жизнь может бьгть построена только на основе углеродных соединений. Выступая на советско-американской конференции CETI в 1971 г., К. Саган назвал эту точку зрения «углеродным шовинизмом».
По его мнению, основанием для такой точки зрения является лишь то обстоятельство, что ее приверженцы сами состоят из углерода. Саган призвал к свободному от антропофорфизма непредубежденному обсуждению проблемы. Надо признать, что психологически это довольно трудно, ибо мы склонны абсолютизировать известные нам вещи. На основе имеющихся на сегодня данных можно заключить, что знакомая нам водно-углеродная жизнь, к которой принадлежим мы сами, по-видимому, является достаточно типичной и должна возникать во всех случаях при наличии условий, близких к тем, которые имели место на первобытной Земле. В то же время в других условиях могут существовать иные формы углеродной жизни, с использованием других веществ в качестве растворителей (например, упомянутая выше аммиачная жизнь). И наконец, нельзя исключить существования не углеродной жизни, хотя здесь нет, по-видимому, безграничного разнообразия возможностей.
Впрочем, и в рамках углеродной жизни можно встретит ься с совершенно необычными формами. На одну такую возможность, свя занную со сверхпроводимостью, указал В. Л. Гинзбург. Высокотем пературная сверхпроводимость наиболее легко достигается для слоистых и нитевидных соединений. Но именно такие структуры лежат в основании живьгх систем. Поэтому можно допустить, что на каких — то других планетах в состав живых организмов входят сверхпроводящие вещества, созданные в процессе эволюции. Можно представить, какими необычными свойсч вами обладала бы такая жизнь!
Обратимся теперь к физическим основам жизни. Мы рассмотрели жизнь на молекулярной основе. Является ли это единственной возможностью? Извесгньгй английский астрофизик Ф. Хойл в своем замечательном романе «Черное облако» описал смешанный тип жизни, в котором используются как химические, так и электромагнитные процессы.
Облако представляет собой систему размером с орбиту Венеры и с массой, равной приблизительно массе Юпитера. Оно состоит из обыч иого вещества (газа и пыли) и свободно перемещается в межзвездном пространстве, время от времени приближаясь к какой-либо звезде для подзарядки энергией. Эта энергия используется, в частности, для синтеза необходимых Облаку молекул, из которых строятся его управляющие и информационные системы, мозг Облака. Передача информации внутри Облака осуществляется не посредством химических процессов, как в случае земной жизни, а непосредственно с помощью электромагнитных волн. Это дает ряд преимуществ, прежде всего в скорости и объеме передаваемой информации, и позволяет сформировать единый сверхорга низм таких гигантских размеров Несомненно, Хойл использовал жанр фантастического произведения, чтобы выразить свои мысли о возможных формах внеземной жизни и ее отличии от жизни земной. В романе содержится много остроумных и поучительных соображений на эту тему, но мы на них останавливаться не можем. Отметим, что такие гигантские системы позволяют преодолеть еще один внд «шовинизма» в представлениях о внеземной жизни, так называемый «планетный шовиинзм», т е. убеждение в том, что жизнь во Вселенной может развиваться только на планетах. Одновременно преодолевается и стереотип жизни, для которой обязательно необходима жидкая внутренняя среда
Химические процессы основаны на электромагнитном взаимодействии. С этой точки зрения Черное облако и земная жизнь относятся к одному типу. Более радикальные отличия связаны с переходом к типам жизни, основанным на друг их видах взаимодействий: сильных и гравитационных. Разумеется, все соображения в этой области относятся к чисто умозрительной сфере, но они представляют интерес, так как позво шют осознать круг проблем, с которыми мы можем встретиться при изучении внеземной жизни.
Идея о возможности существования жизни на уровне элементарных частиц была высказана Дж Коккони — одним из тех ученых, кто находился у истоков становления проблемы SETI (см. гл. 1). Оценивая ее, академик В Л Гинзбург отмечал: «Вряд ли такую идею можно счесть абсурдной, поскольку известно около двух сотен сортов таких частиц. Это значительно больше, чем основных "кирпичиков", из которых построено обычное вещество. Поэтому в принципе не исключена возможность появления или создания достаточно сложной и даже "живой" системы из элементарных частиц.
224 Гинзбург В. Л Выступление на советски американской коиференнии CETI, Бюраклн, сстг. ябрь 1971/ Проблема CETI (связь с внеземными ц-.лилизациями) —- М.: Мир, 1975 С. 176.
Разумеется, это пока лишь чистая спекуляция, фантазия, но не лженаука»229. В каких условиях может возникнуть подобная форма жизни? Ф. Дрейк укачал, чго подходящим местом могли бы оказаться внешние слои нейтронной звезды. В 1975 г. французский астрофизик Ж. Шнейдер проанализировал возможность «ядерной жизни» на нейтронных звездах, Этот вопрос обсуждаегся гакжс в неоднократно упомянутой нами книге Д. Голдсмита и Т. Оуэна «Поиски жизни во Вселенной».
Температура на поверхности нейтронной звезды сост авляет 106 К, а сила тяжести в 1012 раз превышает силу тяжести на поверхности Земли. В таких условиях ни одна молекула, пи один атом не могут существовать. Это мир элементарных частиц, которые мечутся со скоростями порядка 1000 км/с, сталкиваясь и взаимодействуя друг с другом. При таких взаимодействиях могут возникать ядра, насчитывающие десятка тысяч элементарных частиц, которые по сложности можно рассматривать как аналоги живей клетки или, по крайней мере, аналоги макромолекул, лежащих в основании химической жизни. Время жизни подобных ядер порядка 10~15 с. По нашим земным меркам, это время ничтожно мало, но надо иметь в вилу, что временной масштаб ядерной жизни совершенно несоизмерим с нашим временным масштабом. В основе земной жизни лежат химические реакции, характерная длительность связанных с ними жизненных процессов составляет -10-3 с. Характерное время для процессов «ядерной жизни» ~ Ю-21 с (время, в течение которого нуклон на поверхности нейтронной звезды проходит расстояние, равное своему размеру). Отношение характерных времен составляет 1018. Это и есть тот масштабно-временной фактор, на который процессы «ядерной жизни» отличаются oi нашей молекулярной жизни. Таким образом, времени существования «живых ядер» (Ю-15 с) соответствует 103 с для молекулярной жизни. А это как раз равно по порядку величины минимальной продолжительности поколений у земных организмов. Длительность биологической эволюции на Земле составляет ~ 1017 с, соответствующее время эволюции «ядерной жизни» ~ 10"’ с. Если пришпт> характерное время жизни земной циви — п:зации 104 лет, то соответствующее время для цивилизации на нейтронной звезде состаьиг 3 • Ю-7 с.
Предположим, что эти цивилизации используют для связи электромагнитные волны. Можно с уверенност »ю утверждать, что они не остановятся ни на радиоволнах, ни на волнах видимого света, ибо в их мает табе времени световые колебания (не говоря уже о радиоволнах) имеют слишком низкую частоту. Вероятней всего они будут использовать гамма кванты, ьозннкающие при взаимодействии между элементарными частицами на поверхности нейтронной звезды. Частота гамма-квантов соответствует временному масштабу «ядерной жизни». Если мы хотнм установить контакт с подобной цивилизацией, мы должны быть готовы зарегистрировать (возможно, очень большой) объем информации в тече ине ничтожных долей наносекунды Справившись с этой задачей, мы можем спокойно расшифровывать полученную информацию в привы1. ном для нас темпе, но мы никогда не сможем ответить им, даже в том случае, если бы сами находились на поверхности нейтронной звезды, нбо прежде чем мы осознаем перрый бит информации, эта эфемерная циьн — лнзация перестанет существовать.
Впрочем, может быть, несмотря на быстротечность реакций, лежащих в основании ядерной жизни, возникшие на се базе цивилизации могут существовать в течение всего времени жизни нейтронной звезды — для них это было бы равносильно практической бесконечности.
«Ядерная жизнь» основана на сильных взаимодействиях между элементарными частицами, образующими «живое ядро». Другой крайний, с нашей точки зрения, случай представляет жизнь, основанная на гравитационном взаимодействии. Возможно ли это? Характерная структурная единица «гравитационной жизни» должна быть достаточно велика, чтобы сила гравитации преобладала над сильным и электромагнитным взаимодействиями — она должна быть сопоставима с размерами звезд. Если это гак, если отдельные звезды в системах «гравитационной жизни» ит рают такую же роль, как атомы и молекулы в химической жизни, то аналогом живой клетки могли бы быть галактики. Поскольку характерное время взаимодействия между отдельными звездами в галактиках (многие миллионы лет) очень велико по сравнению с длительностью химических реакций (Ю-3 с), то миллиарды лет существования галактик во временном масштабе «гравитационной жизни» соответствуют лишь первым секундам эволюции химической жизни. Значит, «гравитационная жизнь» (если о ней, вообще, можно говорить), по существу, еще не успела возникнуть.
Надо признать, что ко1да мы пытаемся размышлять о «ядерной» или гравитационной жизни, мы испытываем большие психологические затруднения, ввиду необычности этих форм жизни и совершенно непривычных душ нас пространственно-временных рамок. И все же логически мы не можем исключить возможность такой жизни, хотя она с трудом поддается нашему воображению. Наши представления о ней неизбежно грубы, заведомо не совсем правильны, но, думая в этом направлении, мы подготавливаем наше сознание к принятию существующей Реальности во всем ее многообразии.
Впрочем, обязательно ли не химические формы должны быть связаны с «ядерной» или «I равтациоиной» жизнью? Ведь в беспредельном Космосе, неисчерпаемом как вширь, гак и вглубь (возможно в иных пространственных измерениях) могут существовать неизвестные нам более тонкие виды материи, подчиняющиеся другим закономерностям, другим тинам взаимодействий. С этими видами материи могут быть связаны какие-то иные неведомые нам формы жизни. В этой связи представляет интерес гипотеза академика РАМН В. П. Казнечеева о сосуществовании на Земле двух форм жизни: белково-нуклеиновой и «полевой» («энерго-информацион — ной»). Основываясь на экспериментах по передаче информации от клетки к клетке, проведенных в Институте клинической и экспериментальной медицины Сибирского отделения АМН СССР, Казначеев пришел к выводу, что земные существа представляют собой симбиоз различных форм живого «вещества» (живой материи), включая «полевые» формы; причем белково-нуклеиновые гела клеток являются только «носителями» информационных полей, которые простираются безгранично[156]. Возникает в связи с этим такой вопрос: не является ли полевая форма внутренней сущностью белково — нуклеиновой жизни (той внутренней стороной жизни, о которой говорил Тейяр де Шарден)? Казначеев ничего не говорит о природе полевой составляющей, но судя по всему, она не сводится к известным физическим полям. Сгметим, что, согласно Казначееву, «полевая» жизнь существует в Космисе изначально, вечно перерабатывая потоки энергии, создавая те или иные структуры материи. Можно принять такую концепцию, если допустить, что «полевая» составляющая жизни принадлежит к более гонким мирам, находящимся за пределами физического вакуума, и потому может свободно проходить через сингулярное состояние[157] вселенных, рождающихся из вакуумной пены. Это могло бы обеспечить передачу информации от одного цикла Вселенной к другому, включая программу развития нового цикла со всем богатством развивающихся в нем форм жизни и разума
(Похожий сценарий передачи информации через сингулярность с помощью нейтринного сигнала описан С. Лемом в романс «Голос Неба». Возможность прохождения нейтринного сигнала через сингулярность остается весьма проблематичной, но «полевая» составляющая, принад лежащая более тонким нефизическим мирам, может быть совершенно не чувствительна к физической сингулярности )
К представлениям о «полевой» жизни тесно примыкают идеи К. Э. Циолковского о существовании «тонких» форм жизни, «неизвестных разумных сил», построенных ча основе «несравненно более разреженной материи». Циолковский считал, что в перспективе изменится и физическая основа человечест ва, которое из «вещественного» превратится в «лучистое».
Гипотеза о полевой форме жизни позволяет по-новому взглянуть на теорию панспермии. Жизнь может быть привнесена на Землю не в виде спор и бактерий, а в полевой форме, т. е. в форме гипотетических постоянно действующих во Вселенной «биологических» энергоинформационных полей, под действием которых при наличии необходимых условий формирую тся биологические макромолекулы и состоящие из них живые системы[158].
Отметим, что, с точки зрения современных представлений о процессах самоорганизации материи, существование разнообразных форм жизни, основанных на различных материальных носителях, не только возможно, но и необходимо. «Такие процессы в материальном мире, — пишет Б. Н. Пановкин, — … носят, по видимому, достаточно широкий и общий характер и, вообще, не привязаны к какому то определенному материальному субстрату. Последнее означает, что самоорганизующиеся высокоорганизованные системы в принципе могут возникать не только на белковом субстрате, но и на любом подходящем материале. Самоорганизация является всеобщим свойством материи и может возникать в различных формах при подходящих условиях»[159].
