Хиромантия

утверждал Опарин, на первичной Земле господствовали иные условия. Можно полагать, что в земной атмосфере того времени отсутствовал кислород, но в изобилии имелись водород и газы, содержащие водород, такие, как метан (СН^) и аммиак (МНд). (Подобную атмосферу, богатую водородом и бедную кислородом, называют восстанови- тельной в отличие от современной, окислительной, атмос- феры, богатой кислородом и бедной водородом.) По мне- нию Опарина, такие условия создавали прекрасные воз- можности для самопроизвольного синтеза органических сое- динений.

Обосновывая свою идею о восстановительном характере примитивной атмосферы Земли, Опарин выдвигал следую- щие аргументы.

1. Водород в изобилии присутствует в звездах (рис. 6 и фото 1).

2. Углерод обнаруживается в спектрах комет и холодных звезд в составе радикалов СН и CN, а окисленный углерод проявляется редко.

3. Углеводороды, т. е. соединения углерода и водорода, встречаются в метеоритах.

4. Атмосферы Юпитера и Сатурна чрезвычайно богаты метаном и аммиаком.

Как указывал Опарин, эти четыре пункта свидетельству- ют о том, что Вселенная в целом находится в восстано- вительном состоянии. Следовательно, на первобытной Земле углерод и азот должны были находиться в таком же со- стоянии.

5. В вулканических газах содержится аммиак. Это, считал Опарин, говорит о том, что азот присутствовал в первичной атмосфере в виде аммиака.

6. Кислород, содержащийся в современной атмосфере, вырабатывается зелеными растениями в процессе фотосин- теза. и. следовательно, по своему происхождению это био- логический продукт.

На основании этих рассуждений Опарин пришел к заклю- чению, что углерод на примитивной Земле впервые появился в виде углеводородов, а азот-в виде аммиака. Далее он высказал предположение, что в ходе известных ныне хи- мических реакций на поверхности безжизненной Земли воз- никали сложные органические соединения, которые по про- шествии довольно продолжительного периода времени, по-видимому, и дали начало первым живым существам.

Первые организмы, вероятно, представляли собой очень простые системы, способные лишь к репликации (делению) за счет органической среды, из которой они образовались.

Выражаясь современным языком, они были "гетеротрофа- ми", т. е. зависели от окружающей среды, которая снабжала их органическим питанием. На противоположном конце этой шкалы находятся "автотрофы"-например, такие орга- низмы, как зеленые растения, которые сами синтезируют все необходимые органические вещества из диоксида углерода, неорганического азота и воды. Согласно теории Опарина, автотрофы появились только после того, как гетеротрофы истощили запас органических соединений в примитивном океане.

Дж.Б.С.Холдейн (1892-1964) выдвинул идею, в неко- тором отношении сходную со взглядами Опарина, которая была изложена в популярном очерке, опубликованном в 1929 г. Он предположил, что органическое вещество, син- тезированное в ходе естественных химических процессов, протекавших на предбиологической Земле, накапливалось в океане, который в конце концов достиг консистенции "го- рячего разбавленного бульона". По мнению Холдейна, при- митивная атмосфера Земли была анаэробной (свободной от кислорода), однако он не утверждал, что для осуществления синтеза органических соединений требовались восстанови- тельные условия. Таким образом, он допускал, что углерод мог присутствовать в атмосфере в полностью окисленной форме, т. е. в виде диоксида, а не в составе метана или других углеводородов. При этом Холдейн ссылался на результаты экспериментов (не собственных), в которых доказывалась возможность образования сложных органических соедине- ний из смеси диоксида углерода, аммиака и воды под действием ультрафиолетового излучения. Однако в даль- нейшем все попытки повторить эти эксперименты оказались безуспешными.

В 1952 г. Гарольд Юри (1893-1981), занимаясь не собст- венно проблемами происхождения жизни, а эволюцией Сол- нечной системы, самостоятельно пришел к выводу, что атмосфера молодой Земли имела восстановленный характер.

Подход Опарина был качественным. Проблема, которую исследовал Юри, была по своему характеру физико-хими- ческой: используя в качестве отправной точки данные о составе первичного облака космической пыли и граничные условия, определяемые известными физическими и хими- ческими свойствами Луны и планет, он ставил целью раз- работать термодинамически приемлемую историю всей Солнечной системы в целом. Юри, в частности, показал, что к завершению процесса формирования Земля имела сильно восстановленную атмосферу, так как ее основными состав- ляющими были водород и полностью восстановленные фор- мы углерода, азота и кислорода: метан, аммиак и пары воды. Гравитационное поле Земли не могло удержать легкий водород-и он постепенно улетучился в космическое про- странство. Вторичным следствием потери свободного во- дорода было постепенное окисление метана до диоксида углерода, а аммиака - до газообразного азота, которые через определенное время превратили атмосферу из восстанови- тельной в окислительную. Юри предполагал, что именно в период улетучивания водорода, когда атмосфера находилась в промежуточном окислительно-восстановительном состоя- нии, на Земле могло образоваться в больших количествах сложное органическое вещество. По его оценкам, океан, по-видимому, представлял тогда собой однопроцентный раствор органических соединений. В результате возникла жизнь в ее самой примитивной форме.

Теория Юри имела одно важное последствие: она дала толчок успешным экспериментальным исследованиям. Од- нако, прежде чем говорить об экспериментах, основанных на гипотезе о первобытной атмосфере, богатой водородом, следует выяснить, насколько эта гипотеза соответствует геологическим данным. Этот вопрос активно обсуждался в последние годы. поскольку многие геологи сейчас сомне- ваются в том, что на Земле вообще когда-либо существовала сильно восстановительная атмосфера. Все эти доводы, лишь несколько видоизмененные, применимы и к Марсу; поэтому здесь целесообразно их вкратце рассмотреть.

Примитивная Земля Считается, что Солнечная система образовалась из про- тосолнечной туманности-огромного облака газа и пыли.

Возраст Земли, как установлено на основе ряда независимых оценок, близок к 4,5 млрд. лет. Чтобы выяснить состав первичной туманности, разумнее всего исследовать относи- тельное содержание различных химических элементов в со- временной Солнечной системе. В табл. 3 представлены дан- ные о девяти наиболее распространенных элементах (на долю которых приходится 99,9% всей массы Солнечной системы), полученные с помощью спектроскопических иссле- дований Солнца; относительное содержание некоторых дру- гих элементов определено путем химического анализа ме- теоритного вещества. Как видно из таблицы, основные элементы-водород и гелий-вместе составляют свыше 98% массы Солнца (99,9% его атомного состава) и фактически Солнечной системы в целом. Поскольку Солнце-обычная звезда и к этому типу относится множество звезд в других галактиках, его состав в общем характеризует распростра- ненность элементов в космическом пространстве. Современ- ные представления об эволюции звезд позволяют предпо- ложить, что водород и гелий преобладали и в "молодом" Солнце, каковым оно было 4,5 млрд. лет назад.

В табл. 3 приведены также данные об элементном составе Земли. Хотя четыре основных элемента Земли относятся к числу девяти наиболее распространенных на Солнце, по своему составу наша планета существенно отличается от космического пространства в целом. (То же самое можно сказать о Меркурии, Венере и Марсе; однако Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун в этот список не попадают.) Земля состоит главным образом из железа, кислорода, кремния и магния. Очевиден дефицит всех биологически важных легких элементов (за исключением кислорода) и поразительна Таблица 3 . Элементный состав (проценты по массе) Солнечной системы и Земли В порядке у меньше- Солнечная система* 3eMJ ля** ния относит содержания Элемент % Элемент % 1 Водород 77 Железо 34,6 2 Гелий 21 Кислород 29,5 3 Кислород 0,83 Кремний 15,2 4 Углерод 0,34 Магний 12.7 5 Неон 0.17 Никель 2.4 6 Азот 0,12 Сера 1.9 7 Железо 0.11 Кальций 1,1 8 Кремний 0,07 Алюминий 1,1 9 Магний 0,06 Натрий 0,57   Общее  Водород   количество 99,70 +     углерод 0,05     +     азот     Неон 1-10-"     Общее     количество 99,12 * По данным Камерона (1970).

** По данным Мейсона (1966).

"нехватка" так называемых редких, или благородных, газов.

подобных гелию и неону. В целом наша планета выглядит весьма бесперспективно для зарождения какой-либо жизни.

Главное положение теории Опарина - Юри заключается в том, что атмосфера молодой Земли, соответствовавшая по своему химическому составу протосолнечной туманности, имела ярко выраженный восстановительный характер. Од- нако, что бы там ни было, сейчас атмосфера Земли имеет окислительный характер. Она содержит 77% азота, 21% кислорода, в среднем 1 % водяных паров, около 1 % аргона и ничтожные количества (следы) других газов. Каким же об- разом могла возникнуть восстановительная атмосфера? Ве- роятно. основную роль здесь сыграли газы протосолнечной туманности: с момента возникновения Земля была обес- печена водородом и другими легкими элементами, которые,

-- Origin:Оставь надежду всяк сюда входящий Sergey Kozlov 2963@dialup.mplik.ru 2963@mail.ur.ru

согласно теории Опарина-Юри, необходимы для начала химической эволюции. Учитывая дефицит легких элементов и особенно благородных газов, разумно предположить, что изначально Земля сформировалась вообще без атмосферы.

За исключением гелия, все благородные газы-неон, аргон, криптон и ксенон-обладают достаточной удельной массой, чтобы их могло удержать земное тяготение. Криптон и ксенон, например, тяжелее железа. Поскольку эти элементы образуют очень мало соединений, они. по всей видимости, существовали в примитивной атмосфере Земли в виде газов и не мо1ли улетучиться, когда планета достигла наконец своих нынешних размеров. Но поскольку на Земле их со- держится в миллионы раз меньше, чем на Солнце, естест- венно допустить, что наша планета никогда не имела ат- мосферы, по составу близкой солнечной. Земля образовалась из твердых материалов, которые содержали лишь небольшое количество поглощенного или адсорбированного газа, так что никакой атмосферы сначала не было. Элементы, вхо- дящие в состав современной атмосферы, по-видимому, поя- вились на первобытной Земле в виде твердых химических соединений; впоследствии под действием тепла, возникаю- щего при радиоактивном распаде или выделении грави- тационной энергии, сопровождающем аккрецию Земли, эти соединения разлагались с образованием газов. В процессе вулканической деятельности эти газы вырывались из земных недр, образуя примитивную атмосферу.

Высокое содержание в современной атмосфере аргона (около 1%) не противоречит предположению, что благо- родные газы первоначально отсутствовали в атмосфере.

Изотоп аргона, распространенный в космическом простран- стве, имеет атомную массу 36, тогда как атомная масса аргона, образовавшегося в земной коре при радиоактивном распаде калия, равна 40. Аномально высокое содержание на Земле кислорода (по сравнению с другими легкими эле- ментами) объясняется тем, что этот элемент способен сое- диняться с множеством других элементов, образуя такие очень стабильные твердые соединения, как силикаты и кар- бонаты, которые входят в состав горных пород.

Предположения Юри о восстановительном характере первобытной атмосферы основывались на высоком содер- жании на Земле железа (35% общей массы). Он считал, что железо, из которого ныне состоит ядро Земли, первона- чально было распределено более или менее равномерно по всему ее объему. При разогреве Земли железо расплавилось и собралось в ее центре. Однако, прежде чем это произошло, железо, содержащееся в том слое планеты, который сейчас называется верхней мантией Земли, взаимодействовало с водой (она присутствовала на примитивной Земле в виде гидратированных минералов, похожих на те, что обнару- жены в некоторых метеоритах); в результате в первобытную атмосферу выделились огромные количества водорода.

Исследования, осуществляемые с начала 1950-х годов, поставили под вопрос ряд положений описанного сценария.

Некоторые планетологи высказывают сомнения насчет того, что железо, сосредоточенное сейчас в земной коре, могло когда-либо равномерно распределяться по всему объему планеты. Они склоняются к мнению, что аккреция проис- ходила неравномерно и железо конденсировалось из ту- манности раньше других элементов, образующих ныне ман- тию и кору Земли. При неравномерной аккреции содержание свободного водорода в примитивной атмосфере должно было оказаться ниже, чем в случае равномерного процесса.

Другие ученые отдают предпочтение аккреции, но проте- кающей таким путем, который не должен приводить к образованию восстановительной атмосферы. Короче говоря, в последние годы были проанализированы различные мо- дели образования Земли, из которых одни в большей, другие в меньшей степени согласуются с представлениями о вос- становительном характере ранней атмосферы.

Попытки восстановить события, происходившие на заре формирования Солнечной системы, неизбежно связаны со множеством неопределенностей. Промежуток времени меж- ду возникновением Земли и образованием древнейших по- род, поддающихся геологической датировке, в течение ко- торого протекали химические реакции, приведшие к появ- лению жизни, составляет 700 млн. лет. Лабораторные опыты показали, что для синтеза компонентов генетической сис- темы необходима среда восстановительного характера; поэ- тому можно сказать, что раз жизнь на Земле возникла, то это может означать следующее: либо примитивная агмосфера имела восстановительный характер, либо органические сое- динения, необходимые для зарождения жизни, откуда-то принесены на Землю. Поскольку даже сегодня метеориты приносят на Землю разнообразные органические вещества, последняя возможность не выглядит абсолютно фантасти- ческой. Однако метеориты, по-видимому, содержат далеко не все вещества, необходимые для построения генетической системы. Хотя вещества метеоритного происхождения, ве- роятно, внесли существенный вклад в общий фонд органи- ческих соединений на примитивной Земле, в настоящее время кажется наиболее правдоподобным, что условия на самой Земле имели восстановительный характер в такой степени, что стало возможным образование органического вещества, приведшее к возникновению жизни.

Эксперименты в области предбиологической химии: синтез мономеров Опарин, по всей видимости, не пытался проверить свою теорию экспериментально. Возможно, он понимал, что су- ществующие аналитические методы непригодны для того, чтобы охарактеризовать сложные смеси органических ве- ществ, которые могли бы образовагься в результате раз- нообразных реакций между углеводородами, аммиаком и водой. Или, быть может, он довольствовался логической разработкой общих принципов, не считая нужным вникать в многочисленные детали. Как бы то ни было, но теория Опарина никогда не подвергалась проверке до тех пор, пока к ней не обратился Юри. А в 1957 г. его аспирант Стэнли Миллер поставил свой знаменитый эксперимент, благодаря которому проблема происхождения жизни превратилась из чисто умозрительной в научную, в самостоятельный раздел экспериментальной химии.

Моделируя условия па первобытной Земле, Миллер на- лил на дно колбы немного воды и заполнил ее смесью газов, которые, по мнению Юри, должны были составлять при- митивную атмосферу: водорода, метана, аммиака. Затем через газовую смесь пропускался электрический разряд. К концу недели, проводя химический анализ растворенных в воде продуктов, ученый обнаружил среди них значительное количество биологически важных соединений, включая гли- цин, аланин, аспарагиновую и глутаминовую кислоты - четы- ре аминокислоты, входящие в состав белков. В дальнейшем эксперимент был повторен с использованием более совер- шенных аналитических методов и газовой смеси, в большей степени соответствующей принятым ныне моделям прими- тивной атмосферы. При этом аммиак (который, вероятно, был растворен в первичном океане) в основном заменили азотом, а водород вообще исключили, поскольку сейчас предполагается, что в самом лучшем случае его содержание в примитивной атмосфере было незначительным. В этом экс- перименте образовались 12 аминокислот, входящих в состав белков*, а также ряд других, небелковых соединений, что представляло не меньший интерес по причинам, о которых мы расскажем впоследствии.

Изучение этих необычных реакций синтеза показало, что электрический разряд вызывает образование определенных первичных продуктов, которые в свою очередь участвуют в последующих реакциях до тех пор, пока полностью не растворятся в воде, образуя конечные продукты. К числу наиболее важных первичных продуктов, возникающих в процессе синтеза, относятся цианистый водород (HCN), фор- мальдегид (НСНО), другие альдегиды и цианоацетилен (HCCCN). Аминокислоты образуются из цианистого во- дорода по крайней мере двумя путями: в результате взаи- модействия в растворе цианида, альдегида и аммиака и путем превращения самого HCN в аминокислоты-через сложную последовательность реакций, протекающих в вод- ном растворе.

По всей вероятности, основным источником энергии на примитивной Земле, как и в настоящее время, было излу- чение Солнца, а не электрические разряды. Поэтому раз- личные исследователи пробовали использовать в качестве источника энергии, необходимой для синтеза аминокислот, ультрафиолетовое (УФ) излучение. Эксперимент дал поло- жительные результаты. Максимальный выход аминокислот был получен, когда в газовую смесь, предложенную Юри, включали сероводород (H^S), который поглощает более длинноволновое УФ-излучение, преобладающее на поверх- ности Земли. Аминокислоты образовались и в том случае, когда источником энергии служили ударные волны, порож- дающие короткие "всплески" высокой температуры и дав- ления. Источники энергии такого типа, вероятно, возникали в первичном океане под действием волн, а в атмосфере создавались раскатами грома, электрическими разрядами и падающими метеоритами.

Важным дополнением к опытам Миллера явились экспе- рименты Хуана Оро, Лесли Оргела и их сотрудников. Они показали, что четыре основания РНК (три из них встре- * Этими аминокислотами были глицин, аланин, валин, лейцин, изолейцин, пролин, аспарагиновая кислота, глутаминовая кислота, серии, треонин, аспарагин и глутамин.

чаются и в ДНК) образуются в последующих реакциях, в которые вступают первичные продукты реакций, вызванных искровым разрядом. Характерно, что в серии реакций, про- исходящих в водном растворе, цианистый водород само- конденсируется с образованием пуринового основания аде- нина; другая разновидность реакций такого типа производит еще один пурин-гуанин. Пиримидиновые основания цито- зин и урацил получаются в заметных количествах из циа- ноацетилена в реакциях, которые также, возможно, про- исходили на примитивной Земле. Однако до сих пор не было

-- Origin:Оставь надежду всяк сюда входящий Sergey Kozlov 2963@dialup.mplik.ru 2963@mail.ur.ru

сообщений о получении в таком "предбиологическом син- тезе" тимина, который входит в молекулу ДНК вместо урацила.

Давно известно.. что при определенных условиях фор- мальдегид конденсируется в растворе, образуя различные сахара. Одним из продуктов этой реакции является ри- боза-углеводный компонент РНК. Таким образом, как ви- дим, большая часть молекулярных компонентов, форми- рующих генетическую систему, может возникать в резуль- тате ряда реакций, вполне вероятных в условиях прими- тивной Земли.

Метеориты и облака межзвездной пыли Недавние открытия, касающиеся химического состава метеоритов и межзвездных газово-пылевых облаков, сви- детельствуют о том, что в нашей Галактике, как прежде, так и теперь, происходит в широких масштабах синтез био- логически важных молекул. Метеориты, о которых пойдет речь, относятся к классу углистых хондритов и составляют около 5% от общего числа метеоритов, ежегодно падающих на поверхность Земли. Эти интересные объекты представ- ляют собой не претерпевшие существенных изменений "об- ломки" протосолнечной туманности. Они считаются первич- ными, поскольку образовались одновременно с Солнечной системой, т. с. 4,5 млрд. лет назад. Метеориты слишком малы, чтобы иметь собственную атмосферу, но по отно- сительному содержанию нелетучих элементов углистые хондриты весьма сходны с Солнцем. Их минеральный состав свидетельствует о том, что они сформировались при низкой температуре и действию высоких температур никогда не подвергались. Они содержат до 20% воды (связанной в виде гидратов минералов) и до 10% органического вещества.

С прошлого столетия углистые хондриты привлекали к себе внимание из-за их возможной биологической значи- мости. Шведский химик Якоб Берцелиус, обнаружив в ме- теорите Алэ (упавшем в 1806 г. на территорию Франции) органические вещества, поставил вопрос, свидетельствует ли их наличие в веществе метеорита о существовании внеземной жизни? Сам он полагал, что нет. Говорят, что у Пастера был зонд специальной конструкции для получения незагрязнен- ных проб из внутренних частей метеорита Оргейль-другого известного хондрита, упавшего также во Франции в 1864 г.

Произведя анализ проб на содержание в них микроорга- низмов, Пастер получил отрицательные результаты.

До недавнего времени идентификации органических сое- динений в углистых хондритах не придавалось большого значения, поскольку довольно трудно выявить различия между соединениями, входящими в состав самого метеорита, и загрязнениями, приобретенными при вхождении в атмос- феру Земли, ударе о ее поверхность или внесенными впо- следствии человеком при сборе образцов. Сейчас благодаря разработке сверхчувствительных аналитических методов и тщательным мерам предосторожности при сборе образцов отношение к этому вопросу в корне изменилось. Два недавно изученных хондрита-метеориты, упавшие в 1969 г. в районе Мерчисона (Австралия) и в 1950 г. в Мюррее (США)- содержали ряд эндогенных аминокислот*.

Имеются убедительные свидетельства в пользу того, что в основном обнаруженные аминокислоты не есть загрязне- ния. Так, многие из них относятся к аминокислотам нео- бычного типа, которые не входят в состав земных ор- ганизмов. Другое доказательство: некоторые широко рас- пространенные аминокислоты, наличие которых обычно вы- зывается загрязнением, в метеоритах не обнаруживаются. И наконец, аминокислоты в углистых хондритах встречаются в виде двух оптических изомеров, т. е. в разных пространствен- ных формах, представляющих собой зеркальные отражения друг друга,-это характерно только для аминокислот, син- тезированных небиологическим путем, но не тех, которые имеются в живых организмах (см. гл. 1).

Набор аминокислот, обнаруженный в метеоритах, на- * В Мерчисонском метеорите их было идентифицировано около 50, причем восемь из них входят в состав белков: глицин, аланин, валин, лейцин, изолейцин. пролин, аспарагиновая кислота, глутами- новая кислота. Были обнаружены также серии и треонин, но не исключено, что их наличие связано с загрязнением.

поминает аминокислоты, которые были получены в экспе- риментах с искровыми разрядами. Наборы эти не идентич- ны, но сходство настолько заметно, что позволяет пред- положить, что механизмы синтеза в обоих случаях совпа- дают. Другой возможный механизм синтеза аминокислот в метеоритах-реакция Фишера-Тропша, названная так в честь двух немецких химиков, которые разработали ката- литический процесс получения бензина и других углево- дородов из моноксида углерода (СО) и водорода. Оба этих газа широко распространены во Вселенной, как и необ- ходимые для реакции катализаторы, например железо или силикаты. Пытаясь объяснить относительное содержание органических веществ в космическом пространстве на основе этой реакции, Эдвард Андерс и его коллеги из Чикагского университета установили, что при введении в реакционную смесь аммиака образуются аминокислоты, пурины и пи- римидины. В этой реакции возникают те же самые про- межуточные продукты-водород, цианид, альдегиды, циа- ноацетилен,-которые получаются в реакциях, происходящих под действием электрических разрядов. По-видимому, при- сутствие в метеоритах углеводородов, а также пуринов и пиримидинов легче объяснить реакцией синтеза Фишера- Тропша, чем реакцией под действием электрического раз- ряда. До сих пор, однако, ни в одном лабораторном опыте не удалось в точности воспроизвести набор веществ, об- наруженных в метеоритах.

Содержание в метеоритах пуриновых и пиримидиновых оснований исследовано в меньшей степени, нежели наличие аминокислот. Тем не менее в Мерчисонском метеорите идентифицированы аденин, гуанин и урацил. Аденин и гуа- нин найдены в концентрации приблизительно 1-10 частей на миллион, что близко к относительному содержанию ами- нокислот. Концентрация урацила значительно ниже.

Недавно радиоастрономы открыли органические моле- кулы в межзвездном пространстве, что. безусловно, попол- нило наши знания об органической химии Вселенной. Ор- ганические молекулы были обнаружены в гигантских га- зово-пылевых облаках, которые находятся в тех областях космического пространства, где, как полагают, формируют- ся новые звезды и планетные системы. К моменту написания этой книги помимо присутствующих там, как и ожидалось, молекул водорода было обнаружено около 60 соединений.

Наиболее распространен моноксид углерода. Гораздо реже встречаются такие в равной степени интересные соединения, как аммиак, цианистый водород, формальдегид, ацеталь- дегид (СНОСНО), цианоацетилен и вода, т.е. молекулы, которые в лабораторных опытах по химической эволюции рассматриваются как предшественники аминокислот, пури- нов, пиримидинов и углеводов.

Эти открытия свидетельствуют о том, что повсюду во Вселенной происходит в широких масштабах синтез ор- ганического вещества и среди его конечных продуктов много биологически важных соединений, в том числе основных мономеров генетической системы и их предшественников. Не исключено даже (как предполагалось когда-то), что орга- нические соединения-или, во всяком случае, часть их,- которые легли в основу первых живых организмов, имели внеземное происхождение. Эти открытия позволили осо- знать тот важный факт, что синтез биологических соеди- нений не есть какой-то специфический химический процесс, возможный лишь в особо благоприятных условиях, харак- терных для нашей планеты, но представляет собой явление космического масштаба. Это сразу наводит на мысль, что в любой области Вселенной жизнь должна быть основана на химии углерода, сходной с той, что наблюдается на Земле, хотя и не обязательно ей идентичной.

Синтез полимеров в предбиологических условиях Образование основных мономеров белков и нуклеиновых кислот из газов протосолнечной туманности-это только первый шаг в создании генетической системы. Чтобы сфор- мировать необходимые полимеры, мономеры должны затем соединиться в цепочки. Это трудная проблема, и, хотя на нее обращается пристальное внимание, пока еще не предложено надежных способов образования полимеров, несущих ге- нетическую информацию, из мономеров, существовавших, вероятно, на примитивной Земле.

Синтез полимеров как в живых системах, так и в ла- боратории включает в себя этап присоединения очередного мономера к концу растущей цепи. На каждом таком этапе потребляется энергия и происходит выделение молекулы воды. При синтезе белков из аминокислот связь, образую- щаяся между мономерными звеньями полимера, называется пептидной. На рисунке показана схема образования пептид- ной связи между двумя молекулами аминокислот.

Буквой R обозначена любая из 20 различных боковых цепей белковых аминокислот. Когда гретья молекула аминокис- лоты прикрепляется к концу дипептида, образуется три- пептид и т.д., пока не сформируется полипептид. Такие реакции обратимы: например, дипептид, показанный выше, может, присоединив молекулу воды, вновь превратиться в аминокислоты: этот процесс сопровождается выделением энергии. Белковая молекула представляет собой полипеп- тидную цепь с определенной последовательностью амино- кислот, которая придает ей особые свойства и является продуктом длительной эволюции. Каждая цепь состоит из сотен соединенных в одну последовательность аминокислот, а молекулы некоторых белков включают две и более по- добных цепей. В результате взаимодействия между составля- ющими их аминокислотами полипептиды формируют трех- мерную структуру, которая и является активной формой белковой молекулы.

Полимеризация нуклеотидов, повторяющихся мономер- ных звеньев нуклеиновых кислот, приводит к образованию полинуклеотидов, или нуклеиновых кислот. Образование динуклеотида из двух нуклеотидов выглядит следующим образом: Здесь буквой В обозначено любое из четырех оснований

-- Origin:Оставь надежду всяк сюда входящий Sergey Kozlov 2963@dialup.mplik.ru 2963@mail.ur.ru

ДНК или РНК; цепочки из атомов углерода (С) соответству- ют пятиуглеродному сахару с -ОН-группой, связанной с третьим атомом углерода. (Истинные циклические обозначе- ния структуры углеводов приведены ранее на рис. 1.) Фос- форная кислота присоединена сначала к пятому атому угле- рода, а затем к углеродным атомам 5 и 3.

Для синтеза полимеров-как белков, так и нуклеиновых кислот-живые клетки вырабатывают богатые энергией мо- лекулы, которые с помощью специфических белков-фермен- тов обеспечивают энергией каждый этап присоединения мо- номера. Помимо того что ферменты катализируют соответ- ствующие реакции, они создают условия, необходимые для нормального ее протекания, устраняя все другие мешающие молекулы. Это существенно в случае, когда нужные для реакции молекулы составляют лишь небольшую часть из всех присутствующих в реакционной среде. Удаляются, на- пример, молекулы воды, которые неизменно мешают проте- канию реакции дегидратации.

Биологические полимеры могут быть синтезированы в лабораторных условиях и без участия ферментов. Синтез полипептидов и полинуклеотидов стал теперь обычным де- лом. Белки, идентичные тем. которые синтезируются клет- кой, могут быть получены и получаются в лаборатории. При этом используют безводные растворители, очищенные моно- меры высокой концентрации, прибегают к разного рода ухищрениям для защиты реакционных групп и применяют реагенты, обеспечивающие реакции энергией, что в сущности соответствует функциям, выполняемым обычно фермента- ми.

Попробуем сопоставить эти два высокосовершенных спо- соба синтеза биополимеров - реализуемых в клетке и в лабо- ратории-с условиями, по-видимому, существовавшими на примитивной Земле. Единственным растворителем тогда была вода, необходимые для синтеза мономеры составляли лишь часть общего количества растворенных органических и неорганических веществ, реагенты, имевшиеся в достаточном количестве, были, вероятно, довольно просты, и, разумеется, полностью отсутствовали ферменты. До сих пор не ясно, как при столь неблагоприятных условиях могли образоваться даже короткие полимеры. По всей видимости, первобытный бульон состоял из множесгва самых разнообразных органи- ческих соединений. Чтобы произошел синтез полипептида или полинуклеотида, в бульоне должна была возникнуть особая группа соединений, которые сконцентрировались бы и соединились друг с другом. Представить себе этот первый этап. наверное, особенно трудно. Простой концентрации первичного бульона здесь явно недостаточно. Скорее всего, этот бульон представлял собой сложную смесь многих со- единений, которые должны были мешать образованию поли- меров, прикрепляясь, например, к концу растущей цепи и останавливая тем самым ее рост.

Возможное решение этой проблемы связано с адсорбцией необходимых молекул на поверхности глинистых минералов.

Этому механизму особое значение придавал покойный Дж.Д.Бернал (1901-1971), известный английский ученый- кристаллограф. По сравнению с органическими соедине- ниями глинистые минералы обладают большой адсорбцион- ной способностью. Кроме того, они по-разному взаимодей- ствуют с различными типами соединений, которые адсорби- руют. Сам Бернал не был уверен в правильности своего предположения; это объяснялось тем, что кремний, основной составляющий элемент глин, не играет почти никакой роли в современной биохимии. Тем не менее адсорбция считается самым вероятным механизмом (хотя это и не доказано) предбиологических процессов разделения и концентрации.

Несмотря на сомнения Бернала, другие ученые без коле- баний отвели глинистым минералам главную роль в проис- хождении жизни. В самом деле, А. Г. Кернс-Смит, химик из университета в Глазго, предположил, что жизнь началась с кристаллов, образующих минералы. Обладая способностью воспроизводить себе подобных, неорганические кристаллы как бы демонстрируют тем самым зачаточные генетические свойства. У них обнаруживается также ограниченная способ- ность к мутациям, которая проявляется в том, что в регуляр- ном расположении атомов в кристалле могут возникать дефекты. Такие обладающие слоистой структурой минералы, как глины, склонны копировать дефекты одного слоя в структуре следующего, что можно рассматривать как свое- образную генетическую память. Замечено, что дефекты в структуре кристаллических граней часто оказываются участ- ками химической активности, включая катализ. Кернс-Смит высказал предположение, что такое простое органическое соединение, как формальдегид, синтез которого мог катали- зироваться минералом, несущим подобный дефект, обладало способностью ускорять процесс воспроизведения дефектного кристалла и повышать точность копирования, в результате чего численность таких кристаллов по сравнению с другими типами быстро возрастала. С этого началась эволюция белково-нуклеиновой генетической системы, которая в даль- нейшем отделилась от своего минерального предка. Однако это весьма умозрительное предположение, не имеющее поч- ти никаких экспериментальных подтверждений.

При всех немалых трудностях, связанных с пониманием условий возникновения первых биологически важных поли- меров, следует иметь в виду некоторые "смягчающие обстоятельства". Вполне возможно, что для построения первой генетической системы сначала потребовались не большие, сложно организованные молекулы, которые мы находим в современных организмах, а только короткие полимеры. Первому организму не обязательно следовало быть высокоэффективным. Поскольку его жизнь протекала в "райских кущах" при отсутствии врагов и проблем, связан- ных с добыванием пищи, ему достаточно было просто способности довольно быстро воспроизводить самого себя, чтобы опережать свою собственную химическую деграда- цию. Кроме того, химические процессы, предшествовавшие появлению жизни, протекали широко как в пространстве, так и во времени. В течение сотен миллионов лет примитивная Земля представляла собой грандиозную лабораторию, где в силу гигантских масштабов происходящего могли реализо- ваться даже такие процессы, которые кажутся нам малове- роятными.

Такие соображения, конечно, не дают нам права утверж- дать, что мы понимаем, как образовались первые биополи- меры. Однако они позволяют предполагать, что проблема, по-видимому, не столь трудна, как считается. Последние результаты, полученные в лаборатории Оргела, показали возможность образования полинуклеотидов на исходной полинуклеотидной цепи способом, аналогичным естественной дупликации генов, но без участия фермента. Этого замеча- тельного результата удалось достичь благодаря тому. что был найден метод введения в реакцию энергии: несмотря на отсутствие ферментов, этот метод сходен с естественным механизмом, с помощью которого клетка обеспечивает энер- гией синтез полинуклеотидов. Эти данные делают более правдоподобным предположение, что аналогичный процесс мог играть важную роль на ранних стадиях эволюции генетической системы. Кроме того, недавно было доказано, что некоторые виды РНК обладают каталитическими свой- ствами, которые обычно приписывались только белкам. Все эти результаты позволяют предположить, что примитивная генетическая система могла быть построена без белков- лишь из одной РНК. Если это было действительно так, то загадки, связанные с происхождением жизни, значительно упрощаются.

Проблемы, касающиеся появления первой молекулы нук- леиновой кислоты, генетического кода и всего механизма переноса информации от нуклеиновых кислот к белкам, по-прежнему остаются нерешенными, однако и здесь заметен некоторый прогресс, насколько это позволяет современный уровень знаний. Поэтому, заканчивая наш краткий обзор современных представлений о природе и происхождении жизни на пашей планете, мы обходимся без претенциозных рассуждений о возникновении "первичной протоплазменной первобытно-атомпой глобулы". Нет сомнений, что движение вперед, к решению проблемы происхождения жизни, будет продолжаться. Между тем изложенные нами принципы име- ют настолько общий характер, что вполне применимы к проблемам возникновения жизни в любой области Вселен- ной. Теперь мы обратимся к обсуждению вопросов о жизни на других планетах Солнечной системы - этот предмет и составляет содержание остальных глав нашей книги.

Глава 4 Есть ли жизнь на других планетах? Тем не менее большинство планет, несомнен- но, обитаемы, а необитаемые со временем будут населены.

Таким образом, я могу все изложенное выше выразить в следующем общем виде: вещест- во, из которого состоят обитатели различных планет, в том числе животные и растения из них, вообще должно быть тем легче и тоньше . .. чем дальше планеты отстоят от Солнца.

Совершенство мыслящих существ, быстрота их представлений. . . становятся тем прекрас- нее и совершеннее, чем дальше от Солнца находится небесное тело, на котором они обитают.

Так как степень вероятия этой зависимости настолько велика, что она близка к полной достоверности, то перед нами открывается простор для любопытных предположений, основанных на сравнении свойств обитателей различных планет.

Иммануил Кант. "Всеобщая естественная ис- тория и теория неба" [II] В XVII-XVIII вв. люди были убеждены, что планеты Солнечной системы обитаемы. Христиан Гюйгенс (1629- 1695), которого по праву можно считать одним из основате- лей современной астрономии, полагал, что на Меркурии, Марсе, Юпитере и Сатурне есть поля, "согреваемые добрым теплом Солнца и орошаемые плодотворными росами и ливнями". В полях, думал Гюйгенс, обитают растения и животные. В противном случае эти планеты "были бы хуже нашей Земли", что он считал абсолютно неприемлемым.

Такой довод, столь странно звучащий в наши дни, основы- вался на развитых Коперником представлениях об окружаю

-- Origin:Оставь надежду всяк сюда входящий Sergey Kozlov 2963@dialup.mplik.ru 2963@mail.ur.ru

щем мире, согласно которым Земля не занимает особого места среди планет, и Гюйгенс разделял эти взгляды. По той же причине он полагал, что на планетах должны жить разумные существа, "возможно, не в точности такие люди, как мы сами, но живые существа или какие-то иные создания, наделенные разумом". Подобное заключение казалось Гюй- генсу настолько бесспорным, что он писал: "Если я ошиба- юсь в этом, то уже и не знаю, когда могу доверять своему разуму, и мне остается довольствоваться ролью жалкого судьи при истинной оценке вещей".

Хотя Гюйгенс и заблуждался в данном вопросе (оказа- лось, что другие планеты все же намного "хуже" Земли, по крайней мере как место существования жизни), его репутация ученого от этого не пострадала. Его гений был всеобъемлю- щим, а открытия в области математики, механики, астроно- мии и оптики заложили основы современной науки. Для нас же урок заключается в том, что, когда речь идет о проблеме существования внеземной жизни, даже самые талантливые ученые могут идти по ложному пути.

Как можно судить по эпиграфу к настоящей главе, мало что изменилось в этих представлениях и столетие спустя.

Иммануил Кант не только был убежден в том, что на планетах может и должна существовать жизнь, но и верил, что уровень организации их обитателей повышается по мере удаления планеты от Солнца.

Конечно, в XVII-XVIII вв. о планетах было известно немного, а о природе жизни еще меньше. Примерно в то же время, когда Гюйгенс обосновывал возможность существо- вания внеземной жизни, Франческо Реди доказал, что живот- ные не способны к самозарождению, и, таким образом, сделал еще один шаг к пониманию сущности жизни. Все это происходило задолго до того, как биологи и планетологи обрели способность реально оценивать пригодность планет для жизни. Как мы узнаем из этой и следующей глав, к 1975 г., времени полета космического аппарата "Викинг", из всех планет, известных Гюйгенсу и его современникам, только Марс продолжали считать возможным местом су- ществования внеземной жизни.

Критерии обитаемости планет Температура и давление Если наше предположение о том, что жизнь должна быть основана на химии углерода, правильно, то можно точно установить предельные условия для любой среды, способной поддерживать жизнь. Прежде всего температура не должна превышать предела стабильности органических молекул.

Определить предельную температуру нелегко, но для нашей цели не требуется точных цифр. Поскольку температурные эффекты и величина давления взаимозависимы, их следует рассматривать в совокупности. Приняв давление равным примерно 1 атм (как на поверхности Земли), можно оценить верхний температурный предел жизни, учитывая, что многие небольшие молекулы, из которых построена генетическая система, например аминокислоты, быстро разрушаются при температуре 200 300' С. Исходя из этого, можно заключить.

что области с температурой выше 250 С необитаемы. (Из этого, однако, не следует, что жизнь определяется только аминокислотами, мы выбрали их лишь в качестве типичных представителей малых органических молекул.) Реальный температурный предел жизни почти наверняка должен быть ниже указанного, поскольку большие молекулы со сложной трехмерной структурой, в частности белки, построенные из аминокислот, как правило, более чувствительны к нагрева- нию, чем небольшие молекулы. Для жизни на поверхности Земли верхний температурный предел близок к 100 С, и некоторые виды бактерий при этих условиях могут выживать в горячих источниках. Однако подавляющее большинство организмов при такой температуре гибнет.

Может показаться странным, что верхний температурный предел жизни близок к точке кипения воды. Не обусловлено ли это совпадение именно тем обстоятельством, что жидкая вода не может существовать при температуре выше точки своего кипения (100 С на земной поверхности), а не какими- то особыми свойствами самой живой материи? Много лет назад Томас Д. Брок. специалист по термо- фильным бактериям, высказал предположение, что жизнь может быть обнаружена везде, где существует жидкая вода, независимо от ее температуры. Чтобы поднять точку кипе- ния воды. нужно увеличить давление, как это происходит, например, в герметической кастрюле-скороварке. Усиленный подогрев заставляет воду кипеть быстрее, не меняя ее темпе- ратуры. Естественные условия, в которых жидкая вода су- ществует при температуре выше ее обычной точки кипения, обнаружены в районах подводной геотермальной активнос- ти, где перегретая вода изливается из земных недр под совместным действием атмосферного давления и давления слоя океанской воды. В 1982 г. К. О. Стеттер обнаружил на глубине до 10мв зоне геотермальной активности бактерии, для которых оптимальная температура развития составляла 105 С. Так как давление под водой на глубине 10 м равняется 1 атм, общее давление на этой "дубине достигало 2 атм.

Температура кипения воды при таком давлении равна 121 "С.

70 Действительно, измерения показали, что температура воды в этом месте составляла 103 С. Следовательно, жизнь возмож- на и при температурах выше нормальной точки кипения воды*.

Очевидно, бактерии, способные существовать при темпе- ратурах около 100 С, обладают "секретом", которого лише- ны обычные организмы. Поскольку эти термофильные фор- мы при низких температурах растут плохо либо вообще не растут, справедливо считать, что и у обычных бактерий есть собственный "секрет". Ключевым свойством, определяю- щим возможность выживания при высоких температурах, является способность производить термостабильные клеточ- ные компоненты, особенно белки, нуклеиновые кислоты и клеточные мембраны. У белков обычных организмов при температурах около 60 С происходят быстрые и необрати- мые изменения структуры, или денатурация. В качестве примера можно привести свертывание при варке альбумина куриного яйца (яичного "белка"). Белки бактерий, обита- ющих в горячих источниках, не испытывают таких измене- ний до температуры 90 С. Нуклеиновые кислоты также подвержены тепловой денатурации. Молекула ДНК при этом разделяется на две составляющие ее нити. Обычно это происходит в интервале температур 85- 100'С в зависимости от соотношения нуклеотидов в молекуле ДНК.

При денатурации разрушается трехмерная структура бел- ков (уникальная для каждого белка), которая необходима для выполнения таких его функций, как катализ. Эта струк- тура поддерживается целым набором слабых химических связей, в результате действия которых линейная последова- тельность аминокислот, формирующая первичную структу- ру белковой молекулы, укладывается в особую, характерную для данного белка конформацию. Поддерживающие трех- мерную структуру связи образуются между аминокислота- ми, расположенными в различных частях белковой молеку- лы. Мутации гена. в котором заложена информация о последовательности аминокислот, характерной для опреде- ленного белка, могут привести к изменению в составе амино- кислот, что в свою очередь часто сказывается на его термо- стабильности. Это явление открывает возможности для эво- * Недавно появившееся сообщение о том, что обнаруженные в геотермальных источниках на дне Тихого океана бактерии (см. с. 75) могут развиваться при 250"С под давлением 265 атм, весьма сомни- тельно и, вероятно, ошибочно.

71 люции термостабильных белков. Структура молекул, обеспе- чивающая термостабильность нуклеиновых кислот и клеточ- ных мембран бактерий, обитающих в горячих источниках, по-видимому, также генетически обусловлена.

Поскольку повышение давления препятствует кипению воды при нормальной точке кипения, оно может предотвра- тить и некоторые повреждения биологических молекул, свя- занные с воздействиями высокой температуры. Например, давление в несколько сотен атмосфер подавляет тепловую денатурацию белков. Это объясняется тем, что денатурация вызывает раскручивание спиральной структуры белковой молекулы, сопровождающееся увеличением объема. Препят- ствуя увеличению объема, давление предотвращает денату- рацию. При гораздо более высоких величинах давления, 5000 атм и более, оно само становится причиной денатурации.

Механизм этого явления, которое предполагает компрес- сионное разрушение белковой молекулы, пока не ясен. Воз- действие очень высокого давления приводит также к повы- шению термостабильности малых молекул, поскольку высо- кое давление препятствует увеличению объема, обусловлен- ному в этом случае разрывами химических связей. Напри- мер, при атмосферном давлении мочевина быстро разруша- ется при температуре 130 С, но стабильна, по крайней мере в течение часа, при 200 С и давлении 29 тыс. атм.

Молекулы, находящиеся в растворе, ведут себя совершен- но иначе. Взаимодействуя с растворителем, они часто распа- даются при высокой температуре. Общее название таких реакций-сольватация; если растворителем служит вода, то реакция называется гидролизом. (Реакции 1 и 2, приведенные на с. 63, являются типичными примерами гидролиза, если их проследить справа налево.) Реакция 1, представленная здесь в виде гидролиза (3), отражает тот факт, что в растворе аминокислоты находятся в виде электрически заряженных ионов.

Гидролиз-это основной процесс, вследствие которого в природе разрушаются белки, нуклеиновые кислоты и многие другие сложные биологические молекулы. Гидролиз проис- ходит, например, в процессе пищеварения у животных, но он осуществляется и вне живых систем, самопроизвольно, осо- бенно при высоких температурах. Электрические поля, воз- никающие при сольволитических реакциях, приводят к уменьшению объема раствора путем электрострикции, т.е.

связывания соседних молекул растворителя. Поэтому сле- дует ожидать, что высокое давление должно ускорять про- цесс сольволиза, и опыты подтверждают это.

-- Origin:Оставь надежду всяк сюда входящий Sergey Kozlov 2963@dialup.mplik.ru 2963@mail.ur.ru

Поскольку мы полагаем, что жизненно важные процессы могут протекать только в растворах, отсюда следует, что высокое давление не может поднять верхний температурный предел жизни, по крайней мере в таких полярных раствори- телях, как вода и аммиак. Температура около 100 С-вероят- но, закономерный предел. Как мы увидим, это исключает из рассмотрения в качестве возможных мест обитания многие планеты Солнечной системы.

Атмосфера Следующее условие, необходимое для обитаемости пла- неты,-наличие атмосферы. Достаточно простые соединения легких элементов, которые, по нашим предположениям, составляют основы живой материи, как правило, летучи, т. е.

в широком интервале температур находятся в газообразном состоянии. По-видимому, такие соединения обязательно вы- рабатываются в процессах обмена веществ у живых организ- мов, а также при тепловых и фотохимических воздействиях на мертвые организмы, которые сопровождаются выделе- нием газов в атмосферу. Эти газы, наиболее простыми примерами которых на Земле являются диоксид углерода (углекислый газ), пары воды и кислород, в конце концов включаются в кругооборот веществ, который происходит в живой природе. Если бы земное тяготение не могло их удерживать, то они улетучились бы в космическое простран- ство, наша планета со временем исчерпала свои "запасы" легких элементов и жизнь на ней прекратилась бы. Таким образом, если бы на каком-то космическом теле, гравита- ционное поле которого недостаточно сильно, чтобы удержи- вать атмосферу, возникла жизнь, она не могла бы долго существовать.

Высказывалось предположение, что жизнь может сущест- вовать под поверхностью таких небесных тел, как Луна, которые имеют либо очень разреженную атмосферу, либо вообще лишены ее. Подобное предположение строится на том, что газы могут быть захвачены подповерхностным слоем, который и становится естественной средой обитания живых организмов. Но поскольку любая среда обитания, возникшая под поверхностью планеты, лишена основного биологически важного источника энергии-Солнца, такое предположение лишь подменяет одну проблему другой.

Жизнь нуждается в постоянном притоке как вещества, так и энергии, но если вещество участвует в кругообороте (этим обусловлена необходимость атмосферы), то энергия, соглас- но фундаментальным законам термодинамики, ведет себя иначе. Биосфера способна функционировать, покуда снабжа- ется энергией, хотя различные ее источники не равноценны.

Например, Солнечная система очень богата тепловой энер- гией-тепло вырабатывается в недрах многих планет, вклю- чая Землю. Однако мы не знаем организмов, которые были бы способны использовать его как источник энергии для своих жизненных процессов. Чтобы использовать теплоту в качестве источника энергии, организм, вероятно, должен функционировать подобно тепловой машине, т. е. переносить теплоту из области высокой температуры (например, от цилиндра бензинового двигателя) в область низкой темпера- туры (к радиатору). При таком процессе часть перенесенной теплоты переходит в работу. Но чтобы к. п. д. таких тепло- вых машин был достаточно высоким, требуется высокая температура "нагревателя", а это немедленно создает огром- ные трудности для живых систем, так как порождает мно- жество дополнительных проблем.

Ни одной из этих проблем не создает солнечный свет.

Солнце постоянный, фактически неисчерпаемый источник энергии, которая легко используется в химических процессах при любой температуре. Жизнь на нашей планете целиком зависит от солнечной энергии, поэтому естественно предпо- ложить. что нигде в другом месте Солнечной системы жизнь нс могла бы развиваться без прямого или косвенного потреб- ления энергии этого вида.

Не меняет существа дела и тот факт. что некоторые бактерии способны жить в темноте, используя для питания только неорганические вещества, а как единственный источ- ник углерода-его диоксид. Такие организмы, называемые хемолитоавтотрофами (что в буквальном переводе значит: питающие себя неорганическими химическими веществами), получают энергию, необходимую для превращения диоксида углерода в органические вещества за счет окисления водоро- да, серы или других неорганических веществ. Но эти источ- ники энергии в отличие от Солнца истощаются и после использования не могут восстанавливаться без участия сол- нечной энергии. Так, водород, важный источник энергии для некоторых хемолитоавтотрофов, образуется в анаэробных условиях (например, в болотах, на дне озер или в желудоч- но-кишечном тракте животных) путем разложения под действием бактерий растительно" о материала, который сам.

конечно, образуется в процессе фотосинтеза. Хемолитоав- тотрофы используют этот водород для получения из диокси- да у1лерода метана и веществ, необходимых для жизне- деятельности клетки. Метан поступает в атмосферу, где разлагается под действием солнечного света с образованием водорода и других продуктов. В атмосфере Земли водород содержится в концентрации 0,5 на миллион частей; почти весь он образовался из метана, выделяемого бактериями.

Водород и метан выбрасываются в атмосферу также при извержениях вулканов, но в несравненно меньшем количест- ве. Другой существенный источник атмосферного водоро- да - верхние слои атмосферы, где под действием солнечною УФ-излучения пары воды разлагаются с высвобождением атомов водорода, которые улетучиваются в космическое пространство.

Многочисленным популяцим различных животных- рыб.

морских моллюсков, мидий, гигантских червей и т.д., кото- рые. как было установлено, и обитают вблизи горячих источников, обнаруженных на глубине 2500 м в Тихом океа- не, иногда приписывают способность существовать незави- симо от солнечной энергии. Известно несколько таких зон: одна рядом с Галапагосским архипелагом, другая-на рас- стоянии примерно 21  к северо-западу, у берегов Мекси- ки. В глубине океана запасы пищи заведомо скудны, и открытие в 1977 г. первой такой популяции немедленно поставило вопрос об источнике их питания. Одна возмож- ность, по-видимому, заключается в использовании органи- ческого вещества, скапливающегося на дне океана, отбро- сов, образовавшихся в результате биологической активности в поверхностном слое; они переносятся в районы геотер- мальной активности горизонтальными течениями, возника- ющими вследствие вертикальных выбросов горячей воды.

Движение вверх перегретой воды и вызывает образование придонных горизонтальных холодных течений, направлен- ных к месту выброса. Предполагается, что таким путем здесь и скапливаются органические останки.

Другой источник питательных веществ стал известен после того, как выяснилось, что в воде термальных источни- ков содержится сероводород (H^S). Не исключено, что хемо- литоавтотрофные бактерии находятся у начала цепи пита- ния. Как показали дальнейшие исследования, хемолитоав- тотрофы действительно являются главным источником орга- нического вещества в экосистеме термальных источников.

Бактерии, о которых идет речь, осуществляют следующую реакцию: где СНдО означает углевод или вообще любое вещество клетки.

Поскольку "топливом" для этих глубоководных сооб- ществ служит образовавшийся в глубинах Земли сероводо- род, их обычно рассматривают как живые системы, способ- ные обходиться без солнечной энергии. Однако это не совсем верно, так как кислород, используемый ими для окисления "топлива", является продуктом фотохимических превраще- ний. На Земле имеются только два значительных источника свободного кислорода, и оба они связаны с активностью Солнца. Главный из них-это фотосинтез, протекающий в зеленых растениях (а также в некоторых бактериях): где С"Н 1206 -углевод глюкоза. Другим, менее существен- ным источником свободного кислорода является фотолиз паров воды в верхних слоях атмосферы. Если бы в геотер- мальном источнике удалось обнаружить микроорганизм, использующий для жизни только газы, образующиеся в глубинах Земли, то это означало бы, что открыт тип метабо- лизма, абсолютно не зависящий от солнечной энергии.

Следует помнить, что океан играет важную роль в жизни описанной глубоководной экосистемы, поскольку он создает окружающую среду для организмов из термальных источ- ников, без которой они не могли бы существовать. Океан обеспечивает их не только кислородом, но и всеми нужными питательными веществами, за исключением сероводорода.

Он удаляет отходы. И он же позволяет этим организмам переселяться в новые районы, что необходимо для их выжи- вания, поскольку источники недолговечны-согласно оцен- кам, время их жизни не превышает 10 лет. Расстояние между отдельными термальными источниками в одном районе океана составляет 5-10 км.

Растворитель В настоящее время принято считать, что необходимым условием жизни является также наличие растворителя того или иного типа. Многие химические реакции, протекающие в живых системах, без растворителя были бы невозможны. На Земле таким биологическим растворителем служит вода.

Она представляет собой главную составляющую живых клеток и одно из самых распространенных на земной поверх- ности соединений. Ввиду того что образующие воду хими- ческие элементы широко распространены в космическом пространстве, вода, несомненно,-одно из наиболее часто встречающихся соединений во Вселенной. Но, несмотря на такое изобилие воды повсюду. Земля-единственная планета в Солнечной системе, имеющая на своей поверхности океан: это важный факт, к которому мы вернемся позже.

Вода обладает рядом особых и неожиданных свойств, благодаря которым она может служить биологическим растворителем-естественной средой обитания живых орга- низмов. Этими свойствами определяется ее главная роль в стабилизации температуры Земли. К числу таких свойств относятся: высокие температуры плавления (таяния) и кипе

-- Origin:Оставь надежду всяк сюда входящий Sergey Kozlov 2963@dialup.mplik.ru 2963@mail.ur.ru ния: высокая теплоемкость; широкий диапазон температур, в пределах которого вода остается в жидком состоянии; боль- шая диэлектрическая постоянная (что очень важно для раст- ворителя); способность расширяться вблизи точки замерза- ния. Всестороннее развитие эти вопросы получили, в част- ности, в трудах Л.Дж. Гендерсона (1878-1942), профессора химии Гарвардского университета.

Современные исследования показали, что столь необыч- ные свойства воды обусловлены способностью ее молекул образовывать водородные связи между собой и с другими молекулами, содержащими атомы кислорода или азота. В действительности жидкая вода состоит из агрегатов, в кото- рых отдельные молекулы соединены вместе водородными связями. По этой причине при обсуждении вопроса о том, какие неводные растворители могли бы использоваться жи- выми системами в других мирах, особое внимание уделяется аммиаку (МНд), который также образует водородные связи и по многим свойствам сходен с водой. Называются и другие вещества, способные к образованию водородных связей, в частности фтористоводородная кислота (HF) и цианистый водород (HCN). Однако последние два соединения-малове- роятные кандидаты на эту роль. Фтор относится к редким элементам: на один атом фтора в наблюдаемой Вселенной приходится 10000 атомов кислорода, так что трудно пред- ставить на любой планете условия, которые благоприятство- вали бы образованию океана, состоящего из HF, а не из Н^О. Что касается цианистого водорода (HCN), составля- ющие его элементы в космическом пространстве встречают- ся в изобилии, но это соединение термодинамически недоста- точно устойчиво. Поэтому маловероятно, чтобы оно могло в больших количествах когда-либо накапливаться на какой-то планете, хотя. как мы говорили раньше. HCN представляет собой важное (хотя и временное) промежуточное звено в предбиологическом синтезе органических веществ.

Аммиак состоит из довольно распространенных элемен- тов и. хотя он менее стабилен, чем вода, все же достаточно устойчив, чтобы его можно было рассматривать как возмож- ный биологический растворитель. При давлении в 1 атм он находится в жидком состоянии в интервале температур -78 - -33"С. Этот интервал (45'') намного уже соответству- ющего интервала для воды (100"С), но он охватывает ту область температурной шкалы, где вода не может функцио- нировать как растворитель. Рассматривая аммиак. Гендер- сон указывал, что это единственное из известных соединений.

которое как биологический растворитель приближается по своим свойствам к воде. Но в конце концов ученый отказался от своего утверждения по следующим причинам. Во-первых, аммиак нс может накопиться в достаточном количестве на поверхности какой-либо планеты; во-вторых, в отличие от воды он не расширяется при температуре, близкой к точке замерзания (вследствие чего вся его масса может целиком остаться в твердом, замороженном состоянии), и наконец, выбор его как растворителя исключает выгоды от использо- вания кислорода в качестве биологического реагента. Ген- дерсон не высказал определенного мнения о причинах, кото- рые помешали бы аммиаку накапливаться на поверхности планет, но тем не менее он оказался прав. Аммиак разруша- ется УФ-излучением Солнца легче, чем вода, т. е. его молеку- лы расщепляются под воздействием излучения большей длины волны, несущего меньше энергии, которое широко представлено в солнечном спектре. Образующийся в этой реакции водород улетучивается с планет (за исключением самых больших) в космическое пространство, а азот остает- ся. Вода также разрушается в атмосфере под действием солнечного излучения, но только гораздо более коротковол- нового, чем то, которое разрушает аммиак, а выделяющиеся при этом кислород (Од) и озон (Оз) образуют экран, очень эффективно защищающий Землю от убийственного УФ-из- лучения. Таким образом происходит самоограничение фото- деструкции атмосферных паров воды. В случае аммиака подобное явление не наблюдается.

Эти рассуждения неприменимы к планетам типа Юпите- ра. Поскольку водород в изобилии присутствует в атмосфере этой планеты, являясь ее постоянной составляющей, разумно предполагать наличие там аммиака. Эти предположения подтверждены спектроскопическими исследованиями Юпи- тера и Сатурна. Вряд ли на этих планетах имеется жидкий аммиак, но существование аммиачных облаков, состоящих из замерзших кристаллов, вполне возможно.

Рассматривая вопрос о воде в широком плане, мы не вправе априори утверждать или отрицать, что вода как биологический растворитель может быть заменена другими соединениями. При обсуждении этой проблемы нередко проявляется склонность к ее упрощению, поскольку, как правило, учитываются лишь физические свойства альтерна- тивных растворителей. При этом приуменьшается или сов- сем игнорируется то обстоятельство, которое отмечал еще Гендерсон, а именно: вода служит не только растворителем, но и активным участником биохимических реакций. Элемен- ты, из которых состоит вода, "встраиваются" в вещества живых организмов путем гидролиза или фотосинтеза у зеленых растений (см. реакцию 4). Химическая структура живого вещества, основанного на другом растворителе, как и вся биологическая среда, обязательно должны быть иными.

Другими словами, замена растворителя неизбежно влечет за собой чрезвычайно глубокие последствия. Никто всерьез не пытался их себе представить. Подобная попытка вряд ли разумна, ибо она представляет собой ни больше ни меньше, как проект нового мира, а это занятие весьма сомнительное.

Пока мы не в состоянии ответить даже на вопрос о возмож- ности жизни без воды, и едва ли что-нибудь узнаем об этом, пока не обнаружим пример безводной жизни.

Итак, поскольку вода-единственное из известных нам соединений, способное действовать в качестве биологическо- го растворителя, мы будем придерживаться взгляда, что именно на этом растворителе, по-видимому, основаны лю- бые формы внеземной жизни, за исключением тех случаев, когда на изучаемой планете имеется другая жидкость, спо- собная выполнять эту роль.

Мир без воздуха Таким образом, мы приходим к выводу, что жизнь не может существовать ни на Луне, ни на большинстве спутни- ков других планет Солнечной системы, ни на Меркурии, ни на астероидах, так как ни один из этих объектов не способен удержать значительную атмосферу. (Астероиды представля- ют собой множество маленьких тел-самое большое из которых имеет в диаметре около 1000 км,-вращающихся по орбитам вокруг Солнца; они образуют так называемый пояс астероидов, расположенный между орбитами Марса и Юпи- тера. Пояс астероидов и "поставляет" многие из метеоритов, бомбардирующих Землю.) Однако в начале 1960-х годов некоторые научные кон- сультанты НАСА* не были убеждены в том, что Луна безжизненна. Полагая, что "вредные чужеродные организ- мы" могут находиться под лунной поверхностью, они убеди- ли руководителей полетов в необходимости подвергнуть карантину вернувшихся из лунной экспедиции астронавтов, космический корабль и образцы грунта. Столкнувшись с противоречивыми мнениями по этому вопросу, НАСА заня- ло если не наиболее разумную, то во всяком случае безопас- ную позицию, приняв специальные меры для защиты Земли от того, что стали в дальнейшем называть "обратным загрязнением". К числу таких мер относилось создание Лабо- ратории по приему лунного грунта в Хьюстоне, куда доставля- лись лунные образцы. Астронавты, вернувшиеся с Луны, подвергались трехнедельному карантину в целях предотвра- щения возможного занесения на Землю неизвестной инфек- ции. Кое-кто счел эти меры необходимыми и отвечающими здравому смыслу, другие восприняли это как комедию.

По мере приближения запуска корабля "Аполлон-11", который должен был впервые высадить на поверхность Луны человека, стали высказываться сомнения в необходи- мости карантина, поскольку он ложился дополнительным бременем на плечи астронавтов, которым и без того приш- лось немало вынести. Публичное признание того, что каран- тинные меры могут быть ослаблены, вызвало дискуссию в масштабе всей страны. Газета "Нью-Йорк тайме", например, * NASA (National Aeronautics and Space Administration) - Нацио- нальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства (США). Цитируемые здесь рекомендации взяты из отчета Совета по космическим исследованиям Национальной акаде- мии наук США за 1962 г., подготовленного для НАСА на основе проведенных исследований.

заняла негативную позицию, заявив на своих страницах 18 мая 1969 г., что ослабление карантина может привести к "непредсказуемым, но, вполне вероятно, гибельным послед- ствиям". Такие специалисты, как Эдвард Андерс из Чикаг- ского университета и Филипп Эйбельсон, редактор журнала Science, отвечая газете, указывали, что непростерилизован- ный материал с Луны, выброшенный в космическое про- странство при ударах метеоритов о ее поверхность, попадал на Землю в течение миллиардов лет и миллионы тонн его накопились здесь. Андерс даже высказал намерение съесть пробу нестерилизованной лунной пыли, чтобы доказать ее безвредность. Джошуа Ледерберг из Станфордского универ- ситета писал, что если бы кто-нибудь из ответственных научных консультантов верил в возможность такого риска, НАСА получило бы приказ отменить программу полетов с человеком на борту. В общем, НАСА твердо придержива- лось карантинных процедур только в нескольких первых полетах кораблей "Аполлона", но в дальнейшем от них отказалось.

Образцы грунта, доставленные с Луны экипажами кораб- лей "Аполлон", изучались более тщательно и разносторонне, большим числом специалистов разного профиля и при более высоком уровне организации научных исследований, чем какой-либо другой материал в прошлом. Для выяснения наличия в образцах живых организмов было проведено

-- Origin:Оставь надежду всяк сюда входящий Sergey Kozlov 2963@dialup.mplik.ru 2963@mail.ur.ru множество тестов, и все они дали отрицательные результа- ты. Тем же завершились попытки обнаружить в привезенных образцах грунта микроископаемые (микрофоссилии). По данным химического анализа, концентрация углерода в лун- ном грунте составляла 100-200 частей на миллион, причем главным образом он был обнаружен в составе неорганиче- ских соединений (например, карбидов). Есть основания пола- гать, что наличие углерода на лунной поверхности обуслов- лено действием "солнечного ветра" - потока высокоэнергети- ческих заряженных частиц, испускаемых солнечной короной.

Некоторые простые органические соединения были обнару- жены в лунных образцах в ничтожно малых (следовых) количествах (порядка нескольких частей на миллион). Разу- меется, предполагалось, что на Луне может присутствовать органическое вещество, занесенное метеоритами, но нельзя с уверенностью сказать, имеют ли обнаруженные "следы" органики метеоритное происхождение или они появились в результате загрязнения, вызванного ракетными выхлопами либо прикосновением рук человека уже на Земле. Поскольку невозможно с достаточной достоверностью говорить о нали- чии органического вещества метеоритов, можно предпола- гать, что органические соединения на поверхности Луны разрушены. В любом случае нет сомнений, что Луна без- жизненна и, вероятно, всегда была такой.

За исключением Титана (спутника Сатурна) и, возможно, Тритона (спутника Нептуна), все спутники планет в Солнеч- ной системе похожи на Луну в том отношении, что у них нет сколько-нибудь плотной атмосферы. Представляют интерес Ганимед и Каллисто-два спутника Юпитера, по размерам близкие к планете Меркурий, так как их низкая плотность (см. табл. 4) заставляет думать о наличии на них большого количества воды. Современные модели предполагают, что оба спутника, возможно, имеют под поверхностью океаны, а какая-то часть воды на поверхности находится в виде твердо- го как камень льда, при температуре -100 С.

Теперь обратимся к объектам Солнечной системы, массы которых (а в ряде случаев и низкие температуры) достаточ- ны, чтобы удержать атмосферу.

Венера Венера - ближайшая к Земле планета Солнечной системы, которая также наиболее сходна с ней по массе, размерам и плотности (табл. 4). Еще в XVIII в. было установлено, что она имеет атмосферу. Однако сплошной, сильно отражаю- щий солнечный свет облачный покров Венеры делает ее поверхность невидимой с Земли. Этим же объясняется боль- шая яркость Венеры (это третий по яркости объект на нашем небе), которая издавна привлекала к ней внимание наблюда- телей (фото 2). Первоначально предполагалось, что облака на Венере, как и на Земле, состоят из водяных паров и, следовательно, на поверхности планеты имеется изобилие воды. Некоторые ученые представляли Венеру как планету, покрытую громадным болотом, над которым постоянно поднимаются испарения, другие предполагали, что всю ее поверхность занимает гигантский океан. В любом случае казалось, что там великолепные условия для существования жизни.

Спектроскопические результаты, полученные в 1930-х го- дах, показали наличие в атмосфере Венеры значительного количества диоксида углерода и полное отсутствие паров воды. Однако возможность обнаружения водяных паров выше верхней границы облачного покрова выглядела сомни- тельной даже при наличии океана на поверхности; поэтому представление о влажной Венере не было отброшено. Выска- зывались и другие предположения о характере облачного покрова: от неорганической пыли до углеводородного смога.

Только в 1973 г. несколько исследователей независимо друг от друга пришли к выводу, что свойства облаков Венеры лучше всего объясняются, если предположить, что они состо- ят из мельчайших капель концентрированной (70-80%) сер- ной кислоты; теперь это представление общепринято. Тем временем исследования с применением современных радио- астрономических методов и с помощью автоматических межпланетных космических аппаратов показали, что средняя температура поверхности Венеры достигает примерно 450 С, атмосфера под облачным покровом почти целиком (на 96%) состоит из углекислого газа, а давление у поверхности составляет 90 атм. При такой температуре на поверхности Венеры жидкая вода существовать не может.

Высокая температура Венеры обусловлена так называе- мым парниковым эффектом: солнечный свет, достигая по- верхности, нагревает грунт и вновь излучается в виде тепла, но из-за непрозрачности атмосферы для инфракрасного (теп- лового) излучения тепло не может рассеиваться в космиче- ское пространство. По некоторым соображениям, Венера могла когда-то иметь океан, который в дальнейшем испа- рился при разогревании планеты. Под действием солнечного ультрафиолета водяные пары в основном разрушились, во- дород улетучился, а оставшийся кислород окислил углерод и серу на поверхности до диоксида углерода (углекислого газа) и оксидов серы. По-видимому, то же самое случилось бы и на Земле, если бы она находилась так же близко к Солнцу, как Венера. Тот же сценарий позволяет объяснить, почему диоксид углерода на Венере находится в атмосфере, тогда как на Земле он существует главным образом в виде карбо- натов, составляющих горные породы. На нашей планете диоксид углерода растворяется в океанах, осаждаясь затем в виде карбонатных минералов кальцита (известняка) и доло- мита; на Венере же, где океанов нет, он остается в атмосфере.

Подсчитано, что если бы весь углерод на поверхности Земли и в ее коре превратился в диоксид углерода, масса этого газа оказалась бы близкой к той, которая обнаружена на Венере.

Хотя в далеком прошлом условия на Венере могли быть более благоприятными для жизни, чем сейчас, совершенно очевидно, что существование жизни там невозможно уже в течение длительного времени.

Планеты-гиганты Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун, часто называемые планетами-гигантами, намного больше Земли (см. табл. 4).

Среди этих гигантов Юпитер и Сатурн являются супергиган- тами: на них приходится свыше 90% общей массы планет Солнечной системы. Низкая плотность этих четырех небес- ных тел означает, что они состоят главным образом из газов и льда, а поскольку водород и гелий не в состоянии преодо- леть действие их гравитационных полей, предполагается, что по своему элементному составу они должны быть больше похожи на Солнце (см. табл. 3), чем на планеты земной группы. Наблюдения Юпитера и Сатурна, проведенные с Земли и с космических аппаратов "Пионер" и "Вояджер", показали, что обе планеты действительно состоят преиму- щественно из водорода и гелия. Вследствие большой удален- ности Уран и Нептун изучены слабо, но водород и водород- содержащий газ метан (СН^) были обнаружены в их атмос- ферах с помощью спектрометрических наблюдений с Земли.

Предполагается, что в их атмосферах может присутствовать и гелий, но пока его не удается обнаружить из-за отсутствия спектрометров нужной чувствительности. По этой причине сведения, изложенные в этой главе, относятся в основном к Юпитеру и Сатурну.

Многое из того, что известно о структуре планет-гиган- тов, основано на теоретических моделях, которые благодаря простому составу планет можно рассчитать достаточно точ- но. Результаты, полученные на основе моделей, говорят о том, что в центре как Юпитера, так и Сатурна находится твердое ядро (более крупное, чем земное), давление в кото- ром достигает миллионов атмосфер, а температура 12000- 25000 С. Такие высокие значения температуры соответству- ют результатам наблюдений: они свидетельствуют, что обе планеты излучают примерно вдвое больше тепла, чем полу- чают от Солнца. Тепло поступает к поверхности планет из внутренних областей. Поэтому температура уменьшается с удалением от ядра. У верхней границы облачного покрова, видимой "поверхности" планеты, температуры составляют -150 и -180 С соответственно на Юпитере и Сатурне.

Окружающая центральное ядро зона представляет собой толстый слой, состоящий преимущественно из металлическо- го водорода-особой электропроводящей формы, которая образуется при очень высоких давлениях. Далее следует слой молекулярного водорода в смеси с гелием и небольшими количествами других газов. Около верхней границы водо- родно-гелиевой оболочки лежат слои облаков, состав кото- рых определяется локальными значениями температуры и давления. Облака, состоящие из кристаллов водного льда, а местами, возможно, из капелек жидкой воды, образуются там, где температура приближается к 0 С. Несколько выше находятся облака гидросульфида аммония, а над ними (при температурах около -II 5 С)-облака, состоящие из амми- ачного льда.

Структура описанной модели предполагает, что по соста- ву Юпитер и Сатурн близки к Солнцу: содержание водорода как по объему, так и по молекулярному составу атмосферы достигает 90% и выше. По всей видимости, в атмосферах такого типа углерод, кислород и азот присутствуют почти исключительно в составе метана, воды и аммиака соответст- венно. Эти газы, как и водород, были обнаружены на Юпитере, причем все, за исключением воды, в количествах, характерных для атмосфер типа солнечной. При изучении спектров атмосфер вода не обнаруживается в достаточных концентрациях-возможно, потому, что ее пары конденсиру- ются в сравнительно глубоких атмосферных слоях. Кроме этих газов в атмосфере Юпитера зарегистрированы оксид углерода и следы простых органических молекул: этана (С^Н^), ацетилена (С^Нд) и цианистого водорода (HCN).

Причина яркой окраски облаков Юпитера-красной, желтой, голубой, коричневой-пока до конца не выяснена, но как теоретические, так и лабораторные исследования приводят к заключению, что за это ответственны сера, ее соединения и, возможно, красный фосфор.

Наличие в верхних слоях атмосферы Юпитера паров воды и простых органических соединений, а также вероят

-- Origin:Оставь надежду всяк сюда входящий Sergey Kozlov 2963@dialup.mplik.ru 2963@mail.ur.ru ность образования облаков, состоящих из капелек жидкой воды в более глубоких слоях, позволяет говорить о возмож- ности химической эволюции на планете. На первый взгляд кажется, что в восстановительной атмосфере Юпитера сле- дует ожидать присутствия сложных органических соедине- ний, подобных тем, которые образуются в экспериментах, моделирующих добиологические условия на примитивной Земле (см. гл. 3), а возможно, даже характерных для этой планеты форм жизни. Действительно, еще до того, как в атмосфере Юпитера были обнаружены пары воды и органи- ческие молекулы. Карл Саган высказал предположение, что "из всех планет Солнечной системы Юпитер априори пред- ставляет наибольший интерес с точки зрения биологии".

Однако реальные условия на Юпитере не оправдали этих надежд.

Атмосфера Юпитера не способствует образованию слож- ных органических соединений по ряду причин. Во-первых, при высоких температурах и давлениях, характерных в ос- новном для очень сильно восстановленной среды этой плане- ты, водород разрушает органические молекулы, превращая их в метан, аммиак и воду. Как указывал много лет назад Юри, умеренно восстановленные, т. е. частично окисленные, газовые смеси более благоприятны для осуществления важ- нейших органических синтезов, чем сильно восстановленные.

Например, синтез глицина, самой простой аминокислоты, не может протекать самопроизвольно в газовой смеси, состоя- щей из воды, метана и аммиака, присутствующих в атмосфе- ре Юпитера. Он невозможен без поступления свободной энергии (6). С другой стороны, без доступа энергии синтез может происходить в не столь сильно восстановленной газовой смеси, состоящей из окиси углерода, аммиака и водорода (7): При наличии свободного водорода, что характерно для атмосфер планет, подобных Юпитеру, в соответствии с уравнением (6) реакция может идти справа налево, что означает, что глицин будет самопроизвольно превращаться в метан, воду и аммиак. Пока не было поставлено эксперимен- тов с реальными газовыми смесями, которые позволили бы выяснить, сколько различных реакций органического синтеза может протекать в атмосфере Юпитера. Подобные экспери- менты трудновыполнимы, поскольку требуют очень высоких концентраций водорода и гелия. Однако уменьшение кон- центрации одного из компонентов (в некоторых публикациях о результатах экспериментов по синтезу органических ве- ществ в газовых смесях, имитирующих атмосферу Юпитера, сообщается о том, что водород вообще не использовался) ставит под сомнение ценность полученных результатов.

Юпитер и другие планеты-гиганты не имеют подходящих поверхностей, на которых могли бы накапливаться и взаимо- действовать образовавшиеся в атмосфере органические про- дукты, а это важный фактор, который необходимо учиты- вать, рассматривая возможность химической эволюции. Сле- довательно, эволюция должна происходить в атмосфере, предположительно в облаках паров воды. Но атмосфера Юпитера не является стабильной средой, как, например, океаны на Земле. Она больше напоминает гигантскую печь, где вертикальные потоки постоянно перемещают горячие газы из нижних (внутренних) областей к периферии: там эти газы отдают свое тепло в космическое пространство, в то время как охлажденные газы перемещаются вниз, в более глубокие слои, где снова нагреваются. Наблюдаемая в обла- ках Юпитера турбулентность является признаком подобной конвекции (см. фото 3). Насколько интенсивно может проте- кать химическая эволюция в таких условиях, когда органи- ческие молекулы, образовавшиеся под действием солнечного света в верхних слоях атмосферы, перемещаются в более горячие области, где разрушаются? По-видимому, практи- чески незаметно. Как показывают расчеты, перемещение газов, находящихся в атмосфере на уровне слоя водяных облаков, в область, где температура 200 С,-дело нескольких дней. Следовательно, спустя короткое время органические соединения начнут разрушаться, а выделившиеся при этом углерод, азот и кислород вновь превратятся в метан, аммиак и воду.

Даже со скидкой на неточность в вычислениях ясно, что условия в атмосфере Юпитера не благоприятны для хими- ческой эволюции. Кроме того. Юпитер представляет собой не только "печь", но и, как мы видели, реакционный сосуд, а это исключает всякую возможность стабилизации органиче- ских молекул высоким давлением при тепловом воздействии.

Таким образом, следует заключить, что время жизни органи- ческих соединений на Юпитере слишком мало, чтобы стал возможным какой-либо сложный органический синтез. По- добные рассуждения применимы и к Сатурну (см. фото 4); вероятно, они справедливы и для Нептуна. Уран пока пред- ставляет собой загадку, но есть все основания предполагать, что он обитаем не более, чем другие планеты-гиганты.

Титан, Тритон и Плутон Титан, самый большой спутник Сатурна,-единственный спутник в Солнечной системе, имеющий, как известно, плот- ную атмосферу. Полет автоматической станции "Вояд- жер-1", приблизившейся в 1980 г. на расстояние около 5000 км к поверхности Титана и передавшей на Землю большое количество данных о химических и физических условиях на этом необычном космическом теле величиной с планету Меркурий, положил конец многочисленным домыс- лам. (Полная сводка данных и результатов исследований этого спутника многими учеными содержится в статьях Стоуна и Майнера, а также Поллака [15, 19].).

Как видно из табл. 4, атмосферное давление у поверх- ности Титана равно 1,6 атм. Его атмосфера состоит в основном из азота (90% или более) и метана (1-10%), обнаружены также небольшие количества этана, ацетилена, этилена (С^Н^) и цианистого водорода. Последние представ- ляют собой продукты фотохимических реакций, и, как мы видели, некоторые из них обнаружены также в атмосфере Юпитера. Они образовались в результате воздействия УФ- излучения Солнца на метан, а цианистый водород (HCN)- при воздействии на газообразный азот. При низкой темпера- туре, господствующей на Титане (-180 С), аммиак должен существовать в виде твердого льда. В атмосфере Титана обнаружены также молекулы моноксида и диоксида углеро- да. Это явилось неожиданностью, так как ранее предполага- лось, что кислород, присутствующий на Титане в составе водяного льда, вымораживается на поверхности. Источни- ком кислорода может быть вода, содержащаяся в упавших метеоритах. (Такая же вода может служить источником кислорода, который участвует в образовании моноксида углерода, обнаруженного в атмосфере Юпитера.) Поверхность Титана скрыта атмосферным туманом - сво- его рода смогом,-который, как предполагается, состоит из больших молекул углеводородов, образующихся фотохими- ческим путем из метана (см. фото 5). Увеличение размеров частиц этого смога в результате их слипания может привести к образованию настолько крупных зерен, что они могут оседать на поверхность, образуя сугробы. Кроме того, если учесть низкую температуру Титана, не исключена возмож- ность наличия на его поверхности жидкого этана, который, как предполагается, способен образовать целый океан. Та- ким образом, Титан может в изобилии обладать как органи- ческими веществами, так и растворителем. И все же из-за низкой температуры (близкой к температуре жидкого возду- ха) вряд ли он может представлять собой место, благоприят- ное для жизни. При - 180 С химические реакции протекают в растворе слишком медленно для многих процессов химиче- ской эволюции, даже если иметь в виду солидный возраст Солнечной системы. Химические процессы, протекающие в атмосфере, получают необходимую энергию за счет фотонов УФ-излучения Солнца. А химические процессы в растворах зависят от тепловой энергии, которой у Титана мало. Тем не менее органическая химия Титана-крайне привлекательный предмет для будущих космических исследований.

Тритон, самый большой из спутников Нептуна, наблю- дать трудно, и поэтому он плохо изучен. Недавно было установлено, что Тритон обладает разреженной атмосферой, состоящей из метана; однако, учитывая размеры и низкую температуру атмосферы, можно предполагать, что на самом деле она более плотная. Температура на поверхности Трито- на меньше, чем у Титана, и значительно ниже точки замерза- ния жидкого воздуха.

Плутон-самая малая и удаленная от Солнца планета.

Его орбита в среднем столь же далеко проходит от Нептуна, как орбита Сатурна-от Солнца. Очень малая масса и необычная форма орбиты Плутона свидетельствуют о том, что он, по-видимому, возник иным путем, нежели другие планеты. Предполагают, что первоначально это был спутник Нептуна и его следует считать скорее астероидом, чем истинной планетой. Если это так, то можно предполагать, что он имеет разреженную атмосферу, состоящую из метана, и твердый метан на поверхности. Температура на поверхнос- ти Плутона еще ниже, чем на Тритоне. Трудно представить менее подходящее место для жизни.

Рассмотрев все планеты, кроме Марса (и Земли), с точки зрения существования на них жизни, мы приходим к заклю- чению, что ни одна из них в настоящее время не обеспечивает пригодной для жизни среды, хотя в некоторых случаях не исключено, что когда-то условия там были более благо- приятными. Разумеется, в Солнечной системе многое еще не изучено, но вряд ли будущие открытия изменят это представ- ление. Все изложенные здесь соображения и выводы были в основном известны (или предполагались) еще до запуска на Марс в 1975 г. двух космических аппаратов "Викинг". К тому времени стало ясно, что только Марс можно рассмат- ривать как возможное место существования внеземной жиз- ни. В следующей главе мы перейдем к удивительной истории исследований Марса, кульминацией которой стали полеты "Викингов".

Глава 5 Марс: мифы и реальность Наши знания о Марсе постоянно совершенст- вуются. Каждое новое противостояние добав

-- Origin:Оставь надежду всяк сюда входящий Sergey Kozlov 2963@dialup.mplik.ru 2963@mail.ur.ru