Ошибка Коперника. Загадка жизни во Вселенной

Шарф Калеб

Молекула водорода – это как два мячика, соединенные пружинкой, она может буквально вибрировать и вращаться, что открывает совершенно новый канал для потери тепловой энергии. Сталкивающиеся молекулы конвертируют часть энергии движения в энергию высвобождаемых фотонов. Эти довольно податливые молекулярные пружинки могут успокаиваться быстрее, чем атомы, которые ведут себя как твердые бильярдные шары, поэтому они быстрее остывают.

А значит, стоило Вселенной начать создавать из атомов водорода подобные простые молекулы, температура газа стала падать гораздо быстрее. Холодный газ хуже сопротивляется гравитационному сжатию, поэтому появление молекулярного водорода прямо привело к формированию первого поколения звезд. А в результате запустило и производство всех более тяжелых элементов.

Однако Н₂ – не единственный сорт молекул водорода, который производит Вселенная. Если мы выясним,

какие виды молекул встречаются в космосе, мы обнаружим, что второе место по численности после простой двухатомной версии молекул водорода занимает трехатомный вариант H₃. Это всего-навсего три протона, связанные двумя электронами, а поскольку третьего электрона молекуле не хватает, она в целом заряжена положительно.

Молекула H₃⁺⁺ весьма примечательна [148] . Подобно обычной молекуле водорода, она играет важнейшую роль в остывании газа. Кроме того, она очень реактивна, и этим объясняется большинство так называемых молекулярно-ионных реакций в межзвездном пространстве. Ее спектроскопические среды мы обнаруживаем в самых удивительных местах, например, в атмосфере Юпитера. Вполне можно сказать, что обычная молекула водорода – это вселенская молекула-бабушка, а H₃ – молекула-мать.

148

См., например, обсуждении в статье B. J. McCall and T. Oka. H₃⁺ – an Ion with Many Talents // Science 287 (2000): 1941–42.

Если составить список химических реакций, в которых участвует H₃⁺⁺, станет видно, что они очень разнообразны. В результате этих взаимодействий, в частности, получается вода. А еще – синильная кислота, которой у нас есть все основания остерегаться, однако следует помнить, что она же служит ингредиентом для создания различных предшественников биомолекул, в том числе аминокислот. Кроме того, в итоге цепочек реакций, которые запускает H₃⁺, возникают метиловый и этиловый спирты и ацетилен [149] . А когда мы проследим всевозможные варианты развития событий, то обнаружим, что именно H₃ лежит у истоков формирования все более и более длинных цепочек молекул на основании углерода – структур, которые приближаются к биологическим молекулам так близко, что становится даже страшно.

149

См. D. F. Strobel. Molecular Hydrogen in Titan’s Atmosphere: Implications of the Measured Tropospheric and Thermospheric Mole Fractions // Icarus 208 (2010): 878–86

Запуск химических реакций позволяет нам сделать далеко идущие выводы по поводу истоков космической химии. Как я уже упоминал, углерод – это атом, сочетание внешних электронов и общих размеров которого позволяет ему создавать поразительно разнообразные молекулярные структуры. А в сотрудничестве с H₃⁺⁺ он, судя по всему, способен на все в пределах термодинамических ограничений, которые налагает холод межзвездного пространства.

И в самом деле, астрономы и астрохимики обнаружили, что Вселенная прямо-таки полна углеродосодержащих молекул. При помощи разных астрономических приемов удалось выявить в космическом пространстве свыше 180 разных видов молекул, и более 70 % из них углеродосодержащие. Ожидается, что этот список – всего лишь верхушка айсберга, поскольку в космосе наверняка есть самые разные более крупные молекулы, однако, чем они больше и сложнее, тем труднее их зарегистрировать, поскольку их спектральные признаки сильно смазаны.

Рис. 12. Схема образования некоторых химических соединений с участием молекулы H₃⁺.

Возможны также реакции, которые приводят к созданию все более и более длинных цепочек атомов углерода и возникновению самых разных молекул (справа).

Еще богаче ассортимент химических соединений в более плотной и бурной среде вокруг формирующихся звезд и планетных систем.

Зачастую в таких местах наблюдается огромное количество молекул воды, а также самые разнообразные органические углеродосодержащие соединения, чем дальше, тем больше. Мы видим там молекулы спирта и сахара, а также следы предшественников аминокислот вроде глицина. Все это обретает особый смысл, если взглянуть на происходящее, вооружившись познаниями в химии. Одновременно с наблюдениями ученые разрабатывают и математические модели химических процессов, которые должны происходить в подобных средах, – и мы обнаруживаем, что на практике происходят именно такие реакции, возникают именно такие соединения, какие предсказываются моделями. Фундаментальная химическая теория предсказывает все, что мы видим, – но не только.

Проще говоря, мы живем во Вселенной, где преобладают углеродосодержащие химические соединения, а это коренится в самых что ни на есть основах ядерной физики и объясняется тем, какие компоненты вещества были получены в результате Большого Взрыва. Совсем не трудно сложить два и два – знания о залежах древних химических богатств, которые мы обнаруживаем в кометах и метеоритах, и знания о земной биохимии [150] . Все наши открытия сильно затрудняют разработку каких бы то ни было альтернативных сценариев.

150

И в самом деле, есть несколько работ о структуре более абстрактных метаболических систем и об углеродной химии, в которых предполагается, что метаболизм, основанный на углероде, был «почти достоверным» событием, своего рода аттрактором в пространстве вероятностей. См. R. Braakman and E. Smith. The Compositional and Evolutionary Logic of Metabolism // Physical Biology 10 (2012): 011001.

Впрочем, закоренелый скептик скажет, что все это эмпирические данные, поскольку мы не знаем, какие требуются шаги, чтобы перейти от простых углеродосодержащих молекул к живой материи. Однако молекулярные связи позволяют прямо и непосредственно объяснить, что произошло на Земле, и это объяснение прекрасно согласуется с нашими наблюдениями над окружающей Вселенной. Подробности зарождения жизни на нашей планете не так уж и важны: углеродосодержащих молекул во Вселенной так много, что земная биохимия не вызывает ни малейшего удивления. Это не более чем составная часть весьма разнообразной химической сети, пронизывающей все мироздание.

Более того, земные палеонтологические данные указывают на то, что микроскопические живые существа возникли по геологическим меркам очень быстро. Похоже, это произошло сразу после последних крупных событий в формировании планеты. Теперь мы знаем, что химические кирпичики живой материи (сахара, спирты, аминокислоты и более сложные углеродосодержащие структуры) присутствуют и в протопланетных системах. Не исключено, что весь этот материал сыплется на поверхности юных планет, которые представляют собой великолепные инкубаторы для органических соединений. Иными словами, получить первичную смесь, из которой может возникнуть жизнь, проще простого. Этот факт не объясняет всего того, что произошло потом, однако служит очевидной отправной точкой.

Ко всему этому мы еще вернемся, когда будем разбираться, ответы на какие вопросы позволят нам оценить собственное значение в мироздании, однако мне хочется особо подчеркнуть два обстоятельства. Во-первых, геохимический состав Земли постоянно перерабатывается вездесущими циклами взаимосвязанных процессов, которые приводятся в движение триллионами триллионов молекулярных механизмов, составляющих основу микроскопической жизни, а микроскопическая жизнь, в свою очередь, сохраняет «чертежи» этих механизмов с течением времени. Во-вторых, весь этот микрокосм, судя по всему, связан с широким распространением во Вселенной углеродосодержащих молекул и с тем, что корни всех физических и химических структур лежат в водородном газе, возникшем в самом начале существования Вселенной.

Думаю, что относительно подробностей метаболической машинерии у нас на Земле и относительно того, насколько она способна подстраиваться под нужды того или иного вида, остается еще много открытых вопросов. Развитие этой системы объясняется и ресурсами, которые были в ее распоряжении на нашей планете, и средой, которая помогала формировать процессы естественного отбора. В этом отношении эволюция была во многом случайной. Одно мы знаем наверняка: химическая среда на нашей планете в конечном итоге определяется историей формирования Земли из сгустившегося облака, размером нашей звезды, коллизиями при выстраивании планет по орбитам. Все, что мы знаем об экзопланетах, наталкивает нас на мысль, что другие планеты размером с Землю, возможно, необычайно разнообразны с химической и геохимической точки зрения.