Разумная жизнь во Вселенной
Шрифт:
Очень важно, что при понижении температуры до 0 °C не вся вода замерзает. Часть воды (в коллоидах), которая в этих условиях не замерзает, специалисты называют «связанной водой». Было установлено, что при быстром охлаждении коллоидного раствора желатина даже при температуре –30 °C остается незамерзшей от 0,7 до 4, 67 грамма воды на 1 грамм желатина. В этих же опытах было установлено, что в сухом силикагеле при — 10 °C остается незамерзшей 55 % воды. Опыты показали, что маленькие капли воды можно переохладить до температуры — 72 °C и они при этом не замерзнут. В этом особая роль коллоидов. Ведь их присутствие замедляет или вообще подавляет образование кристаллов. Это спасает жизнь от гибели. Так, в листьях зимнезеленого растения Pyrola rotundifolia зимой вода не замерзала ни сколько, а температура воздуха в это время достигала –32 °C. А низкорослая трава Cochlearia arctica, которая растет на берегах Ледовитого океана, может спокойно переносить мороз до — 46 °C.
В ходе опытов водоросли, мхи и лишайники на несколько недель погружали в жидкий воздух. Это температура –193 °C И даже в
Что же касается животных, то и они хорошо приспособлены к холоду. Так, некоторые микроскопические жи-вотные, например, коловратки и тихоходки, которые жи-вут в арктических лишайниках, обладают примерно такой же устойчивостью к холоду. Но это свойственно не только низкоорганизованнымживотным. Императорский пингвин в Антарктике не только выживает, но и успешно высижи-вает яйца и выводит птенцов. И все это при температурах, близких к –60 °C
Мы привели только некоторые факты, свидетельствую ш/ie об устойчивости растений и животных к холоду и к высоким температурам. Их можно было бы продолжить. Все свидетельствует о том, что для жизни в скрытой форме во-обще не существует нижнего предела температур. Жизнь может существовать в условиях, когда в течение долгого вре-мени сохраняются очень низкие температуры. Но эти периоды сверхнизких температур не должны быть бесконечно долгими. Чтобы жизнь сохранилась, они должны чередоваться периодами «мягких» условий. Это нужно, в частности, для роста и размножения. В суровых климатических условиях Антарктики существуют различные виды, такие как тюлени, пингвины, бескрылые мухи и лишайники. Мало кто задумывался о том, что здесь условия куда более суровы, чем даже на Марсе.
Самой выносливой формой земной жизни являются лишайники. Некоторые арктические виды лишайников живут при температурах, которые никогда не превышают 5 °C. Лишайники продолжают испарять воду до температуры –10 °C и ассимилируют углерод из углекислого газа вплоть до температуры –35 °C. Правда, этот процесс идет медленно.
Жизнь зависит не только от температуры, но и от атмосферного давления. Эта зависимость изучена меньше. Это и понятно, поскольку атмосферное давление на Земле меняется не так сильно, как температура. Живые организмы болезненно реагируют на резкое уменьшение давления. Но можно полагать, что они могли бы приспособиться, если бы давление менялось постепенно и очень медленно. Об этих способностях живых организмов мы можем судить по реакции человека на атмосферное давление. Достаточно вспомнить покорителей Эвереста. Они страдали не столько от пониженного атмосферного давления, сколько от пониженной концентрации кислорода, поскольку кислорода было слишком мало для выполнения интенсивной физической работы. Такая же проблема возникает у растений, но только по отношению к углекислому газу. Они его поглощают и используют как строительный материал.
Пониженное атмосферное давление отрицательно действует на живые организмы и растения не только прямым способом, но и потому, что изменяется (уменьшается) температура кипения воды. Теплокровные животные не могут перенести уменьшение давления до той величины, при которой вода закипает при температуре их крови. А точка кипения воды меняется очень сильно. Так, вода может закипеть при 0 °C, если атмосферное давление упадет до 4,58 миллиметра ртутного столба. Это значит, что свободная вода не может оставаться жидкой при атмосферных давлениях, которые меньше указанной величины. Но это касается только свободной воды. В этих условиях будет существовать жидкая вода в живых тканях. Здесь она может концентрироваться вследствие адсорбции атмосферных паров и капиллярных эффектов. Более того, можно не сомневаться, что живой организм приспособится к еще более низким давлениям. Что касается высокого давления, то приспособление к нему прекрасно демонстрируют глубоководные рыбы, которые постоянно живут под давлением в несколько тысяч атмосфер и в полной темноте. Для жизни важны не только температура и атмосферное давление, но и коротковолновое излучение. Для земной жизни это коротковолновое излучение Солнца. На ранних стадиях развития жизни на Земле ситуация была иной: тогда растения не только не боялись коротковолнового излучения, но пользовались им для фотосинтеза. Что касается настоящего времени, то растения могут защищаться от коротковолнового излучения Солнца соответствующими пигментами. Известно, что лишайники меняют окраску в зависимости от освещенности. Те же лишайники, которые живут высоко в горах, обладают окраской, которая позволяет предотвратить поражение интенсивным потоком ультрафиолетовых лучей.
Разные организмы по-разному реагируют на изменение условий окружающей среды. Так, гетеротрофные организмы обнаруживают большую степень специализации в пище, и они более чувствительны к колебаниям условий среды, чем автотрофные. Но некоторые земные животные приспособились к более широким пределам температур, чем большинство растений. Главным образом этому способствует их теплокровность. Но без кислорода и им не обойтись. Он нужен для переработки пищи, для обеспечения жизненных функций энергией. Но это не значит, что животных, которым не требуется кислород, не может быть. Их называют анаэробными животными. Они не нуждаются в кислороде, а энергию получают в процессе брожения, для которого кислорода не требуется. Но такой технологический процесс получения энергии менее эффективен, чем окисление. Поэтому анаэробное животное должно быть пронорливьм Сно должно поедать пищи примерно в 20 раз больше, чем живот-ное того же размера и активности, которое дышит кислородом. У этого животного должен быть соответствующий пищеварительный аппарат. Значит, оно неизбежно будет громоздким и медлительным. В условиях земного притяжения такие массивные животные должны тратить много энергии на движение, которое связано с преодолением силы тяжести. Поэтому им легче было бы жить на планетах малой массы, где сила притяжения мала.
Как известно, существует и нечто среднее между авто-трофами и гетеротрофами. Примером таких организмов является эвглена. Она может питаться как при помощи хлоро-фильного фотосинтеза, так и поглощая органическую пищу, как это делают животные. Таким же образом ведут себя и насекомоядные растения. Поэтому не будет фантастикой предположить, что на других планетах во Вселенной эта форма жизни (растение-животное) является более развитой, чем на Земле.
Сказанное выше можно подытожить так. Жизнь земного химического типа возможна в весьма широком диапазоне условий, несмотря на то, что температурные границы ограничены. Эти ограничения связаны с тем, что вода должна находиться в жидкой фазе, и, кроме того, при высоких температурах белки и другие органические соединения становятся неустойчивыми. Существование жизни зависит и от барометрического давления, а также от других факторов. Специалисты заключают, что никакая жизнь этого типа не может существовать, если температура все время остается ниже — 20 °C или выше +100 °C. Что же касается скрытой жизни, то для нее нижнего предела вообще не существует. Но для того, чтобы жизнь возникла (проявилась), должна быть стабильная температура, где-то посредине указанного интервала.
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКАЯ ПРИРОДА ЖИЗНИ
Только физиология и биофизика не могут дать объяснение жизни. В ее основе есть нечто более высокое. Но реализация жизни происходит через конкретные физические и химические процессы. Они могут быть разными. Жизнь, как храм, состоит из разных кирпичей и строительных блоков.
Специалисты рассматривают разные варианты материальной реализации жизни. Один из них земной. Но он не может считаться единственным. В основу земной жизни положена вода как растворитель. Но эту роль может выполнять аммиак, кремний и другие вещества.
Чтобы что-нибудь понять в этом плане, нам придется окунуться в химию. Конечно, не во всю химию, а только в некоторые ее понятия и положения. Поскольку наши книги рассчитаны на неспециалистов, то мы приведем некоторые сведения, которые взяты из программ средней школы. Но без этих сведений трудно будет понять основной текст.
Начнем с атома. Слово «атом» означает «неделимый». Так оно и есть. Но не совсем. Если уж атом начнет делиться, то прежнее вещество исчезает и появляется новое. Поэтому атом в химическом плане является неделимым. Примитивная конструкция атома напоминает нашу Солнечную систему. В центре находится массивное ядро, вокруг которого на разных орбитах вращаются очень легкие электроны. На самом деле все значительно сложнее. Например, электрон нельзя считать только частицей (шариком). Во многих физических экспериментах он ведет себя как волна. Но для понимания (достаточно наглядного) химических процессов такая модель строения атома вполне пригодна. Нормальный, полноценный атом является электрически нейтральным, то есть у него нет электрического заряда. А точнее, положительный электрический заряд ядра атома полностью компенсируется отрицательным суммарным электрическим зарядом всех орбитальных электронов. Поэтому в сумме получается нуль. Если же атом не нормальный, то возможны два варианта. В одном из них к атому присоединился один или несколько лишних (избыточных) орбитальных электронов. Тогда суммарный электрический заряд всего атома в целом является отрицательным, поскольку эти избыточные электроны (как и вообще все электроны) заряжены отрицательно. Во втором варианте нормальный атом потерял один или несколько электронов. Тогда будет преобладать положительный электрический заряд ядра. Важно, что заряд электрона строго фиксирован по величине. Он не может быть ни больше, ни меньше этой величины. В природе не встречается ни половины, ни четверти заряда электрона. Вообще любая величина электрического заряда обязана быть кратной величине электрического заряда электрона. Деформированный атом называют ионом. Как мы уже видели, он может быть положительным и отрицательным. Такое состояние атома является ненормальным и недолговечным, потому что в нем положительный заряд не скомпенсирован отрицательным. Кроме того, число орбитальных электронов или больше или меньше нормы. Проходит какое-то время, и ненормальный атом (ион) приходит в нормальное состояние. Для этого он расстается с излишним электроном (или электронами) или же возвращает себе утерянные электроны.
Одной из главных характеристик любого химического элемента является его атомный номер в периодической системе Менделеева. Атомный номер равен положительному электрическому заряду ядра, который выражен в элементарных единицах электричества, то есть в зарядах одного электрона. Для нормального атома атомный номер равен числу орбитальных электронов, вращающихся вокруг ядра. Атомный номер очень важен. Именно он определяет химические свойства атома и вообще данного химического элемента. Самая простая конструкция у атома водорода. Он состоит из одного протона (это ядро) и одного отрицательного электрона, который вращается вокруг этого ядра. Протон тяжелее электрона в 1840 раз. Поэтому в ядре атома и сосредоточена практически вся масса. На долю орбитальных электронов приходится только пренебрежимо малая доля массы атома.