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".
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 всетаки есть), ни атмосферы. Что же тогда остается? Только планеты?
Только планеты.
Попробуем разобраться, почему. Для этого нам придется посмотреть, какие природные факторы критичны 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 на 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 усложнения необходимы достаточно высокие концентрации материала, и именно поэтому все перечисленные объекты являются своего рода эволюционными тупиками. Итак, всетаки планеты.
Сколько же "зеленых планет" в нашей Галактике?
Если считать, что системы типа нашей солнечной 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 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 псевдожизией, 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 звенл 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 кремнийкремниевые 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 Нз PS4 - 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 "жидкоаммиачной 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 иминогруппу (= NH). Сера в соединении остается или также замещается на азот, а вместо воды в качестве универсального растворителя используется аммиак.
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 хиэдических 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.