Инопланетяне глазами науки
Шрифт:
Несмотря на эти предостережения, жизнь теоретически может возникнуть не только в жидком аммиаке при температурах около -58 градусов по Фаренгейту (-50 градусов по Цельсию) — с более слабыми связями, в образовании которых участвует азот, преобладающий в обменных процессах, — но и в углеводородах, {40} где в качестве растворителя, растворяющего или диспергирующего агента работает смесь углеводородов. (По всей видимости, большинству земных организмов на одном из этапов их жизненного цикла требуется хотя бы незначительное количество растворителя, чтобы они могли жить и здравствовать.) Например, мне нравится представлять себе маленьких существ, живущих в нефти. Восстановительные реакции — это такие реакции, в которых донор электронов вроде водорода передает электрон другому участнику реакции. Такие реакции, например, гидрирование, можно было бы использовать в качестве источника энергии. Это не настолько маловероятно, как может показаться. Многие экстремофилы на Земле процветают в органических растворителях, токсичных для большинства
40
Углеводороды — это органические соединения (такие, как ацетилен или бензол), содержащие только углерод и водород, и часто встречающиеся в нефти, природном газе и угле. Они применяются в качестве топлива и смазочных материалов, а также сырья для производства пластмасс, волокон, каучуков, растворителей, взрывчатых веществ и промышленных химикатов.
41
Ароматические молекулы содержат три пары атомов с двойной связью (обычно все они являются атомами углерода), соединённые в форме шестиугольника. Самой маленькой молекулой этого типа является молекула бензола. Поскольку бензол и многие более крупные молекулы, содержащие структуру бензольного кольца, обладают сильным запахом, они стали известны как ароматические соединения.
Углерод действительно обладает некоторыми уникальными свойствами, которые делают его идеальным кандидатом для перехода к жизни. Он может соединяться сам с собой в длинные цепочки и может образовывать связи с четырьмя другими атомами одновременно. Теоретически это допускает существование огромного количества различных соединений. Заметим, однако, что жизнь могла бы основываться и на менее универсальных атомах. Например, атому нет необходимости образовывать связи самому с собой, чтобы строить длинные цепочки. Вообще, цепочки могли бы состоять из двух или более видов атомов, чередующихся друг с другом. Физики Джеральд Фейнберг и Роберт Шапиро предположили, что жизнь могла бы возникнуть на основе альтернативной химии, возможности которой не столь обширны, как у углерода. Например, если английский язык можно передать и сохранить, используя 26 букв, его также можно столь же успешно, хотя и не столь компактно, закодировать с помощью единиц и нулей — двоичного кода, используемого компьютерами. Точно так же менее сложная химия с большим количеством компонентов, нужных в каждой молекуле или клетке, могла бы послужить генетической основой жизни.
Что такое жизнь?
Мы обсуждали химическую эволюцию жизни и различные химические вещества, которые, как предполагается, могут создавать жизнь. Недавно химик Массачусетского технологического института Джулиус Ребек создал органическую молекулу, которая воспроизводит сама себя, — молекулу, которую Ребек считает примитивной формой жизни. Независимо от того, действительно ли она живая или нет, это определённо не та жизнь, какой мы её знаем. Например, J-образная молекула Ребека связана воедино некоторыми из тех же химических связей, что и белки, ДНК и РНК, но размножается молекула в растворе хлороформа. Тем из вас, кто разбирается в химии, скажу, что эта примитивная форма жизни состоит из «трёхкислотного сложного эфира аминоаденозина». {42} В растворе хлороформа молекулы Ребека могут копировать себя со скоростью, доходящей до головокружительного миллиона раз в секунду.
42
Прото-форма жизни Ребека представляет собой молекулу, состоящую из двух частей, называемую трёхкислотным сложным эфиром аминоаденозина, или ААТЭ. Дочерняя молекула, образующаяся в результате химической реакции, удерживается на родительской при помощи водородных связей — тех же слабых связей, которые соединяют две длинные спиральные нити молекулы ДНК. В результате родительская и дочерняя молекулы легко разделяются и быстро размножаются. Прото-форма жизни ААТЭ ставит большие вопросы о том, какова была первая молекула на Земле, проявившая признаки жизни.
Благодаря исследованиям Ребека мы должны расширить наши представления о том, какое сырьё необходимо для приготовления внеземных органических первичных бульонов. И пусть эксперименты Ребека и других учёных не говорят нам о том, что на самом деле происходило миллиарды лет назад на Земле, они могут дать нам ключ к пониманию того, что могло бы произойти в этом или в каком-то другом мире во Вселенной.
Разумеется, все эти разговоры о других формах, которые принимает жизнь, не затрагивают вопрос «Что такое жизнь?» Фактически, само рассмотрение инопланетных форм жизни начинается именно с этого вопроса. Одни люди могли бы определить как жизнь всё, что поглощает, осуществляет обмен веществ и выделяет, но это описание можно применить к автомобилю, ржавчине или пламени свечи. Другие определяют жизнь как отклонение от термодинамического равновесия, но значительная часть природы (например, молния и озоновый слой) находится вне состояния равновесия и, таким образом, хотя и соответствует этому определению, жизнью не является. Определения жизни, отталкивающиеся от биохимии и требующие наличия белков или нуклеиновых кислот, представляются ограничительными. Например, если бы мы нашли инопланетного червя, который мог бы делать всё, что может делать червь на Земле, но состоял бы из других молекул, мы бы наверняка не признали его «неживым». В конце концов, многие из определений могут оказаться неприменимыми к инопланетным мирам.
У нас есть некоторое представление о том, насколько быстро эволюционировала жизнь на Земле. Земля сформировалась путём слипания древних «планетезималей» — тел радиусом около 3 миль (5 км). Эти глыбы начали сталкиваться друг с другом, образуя фрагменты, которые в результате какой-то последней «Великой бомбардировки» сложились в планеты, существующие в настоящее время. На Земле примитивная жизнь зародилась вскоре после Великой бомбардировки, которая завершилась около 3,8 миллиарда лет назад. Многочисленные ископаемые свидетельства показывают, что примитивная жизнь уже прочно обосновалась на Земле 3,5 миллиарда лет назад. Изучение геологической истории Земли предполагает, что примитивным клеткам было значительно легче эволюционировать из органических химических веществ, чем многоклеточным существам из одноклеточных, потому что многоклеточные существа появились в летописи окаменелостей менее 1 миллиарда лет назад.
Если на планете существуют простые формы жизни, то каковы шансы их эволюции в высшие организмы наподобие людей? В ходе эволюции жизни на Земле происходили различные катастрофы вроде той, что привела к вымиранию динозавров, или той, что унесла жизни 80 процентов морских животных в среднекембрийский период (около 515 миллионов лет назад). Каждое из этих событий расчищало Землю для всплеска эволюции в новых направлениях. Маловероятно, что эти случайные события повторялись повсеместно, поэтому в других мирах жизнь может не развиваться точно таким же путём, как это происходило здесь. Однако, как только искра жизни зажжена, она будет снова и снова вспыхивать в любой доступной ей щели или нише, что приведет к пожару различных существ.
Размышления о происхождении жизни сопровождают нас уже многие века. В прошлые времена учёные верили в самопроизвольное зарождение, также называемое абиогенезом; считалось, что посредством этого процесса из неживой материи развиваются даже крупные существа. Например, считалось, что куски хлеба, завёрнутые в тряпьё и оставленные в тёмном углу, превращаются в мышей, потому что через неделю среди тряпья появлялись мыши. Самопроизвольное размножение считалось объяснением появления личинок на разлагающемся мясе. Однако к восемнадцатому веку стало очевидно, что высшие организмы не могут быть созданы из неживого материала. Происхождение таких микроорганизмов, как бактерии, не было известно в полной мере до девятнадцатого века, когда Луи Пастер доказал, что микроорганизмы размножаются.
Одним из моих любимых сторонников абиогенеза был Эндрю Кросс, который в начале девятнадцатого века якобы создавал в лаборатории живые организмы с помощью электричества. Кросс писал, что когда он пропитал пористый камень смесью соляной кислоты и силиката калия, а затем пропустил сквозь камень электрический ток, там возникли ужасающие чудища микроскопических размеров (рис. 5.2). В наши дни мы предполагаем, что эти существа уже были там изначально, пусть даже незамеченные!
5.2 Arcarus electricus. В 1800-е годы Эндрю Кросс верил, что синтезировал это микроскопическое существо, пропустив электрический ток сквозь пористый камень, пропитанный соляной кислотой и силикатом калия. Форма жизни, названная Arcarus electricus, была показана в «Лекциях по электричеству» Г. М. Ноада (Лондон, 1849).
Выводы Кросса могут показаться фантастическими, но лишь потому, что он верил, что сложные многоклеточные организмы возникли в один миг в результате простых химических манипуляций. Многие учёные полагают, что первые крохи жизни на первобытной Земле действительно возникли из неживой материи посредством биопоэза — это означает создание жизни из неживого материала, содержащего необходимые химические вещества. Согласно этой теории, в ходе данного процесса молекулы медленно группировались, затем перегруппировывались, создавая всё более эффективные средства для преобразования энергии и воспроизводства.
В нынешних условиях на Земле из неживой материи вряд ли будут созданы новые формы жизни. Если жизнь образуется постоянно, то новые формы не так хорошо приспособлены к окружающей среде, как уже существующие, и, следовательно, не могут успешно конкурировать.
От Марса к Европе и дальше
Если мы, первооткрыватели двойной спирали ДНК, вообще заслуживаем похвалы хоть за что-то, так это за настойчивость, и за готовность отбрасывать идеи, когда они становились несостоятельными. Один из обозревателей подумал, что мы были не слишком умны, потому что столько раз ходили по ложному следу, но именно так обычно и делаются открытия. Многие попытки проваливаются не потому, что не хватает мозгов, а потому, что исследователь застревает в тупике или сдаётся слишком рано.